某抽水蓄能電站尾水事故閘門啟閉機油缸振動原因分析與處理

馮鋼聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田縣 438600）

某抽水蓄能電站尾水事故閘門啟閉機油缸振動原因分析與處理

馮鋼聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田縣 438600）

本文對某抽水蓄能電站尾水事故閘門啟閉機油缸振動原因分析與處理進行介紹，可為類似啟閉機油缸減振提供借鑒。

抽水蓄能；啟閉機油缸；振動

0 引言

在電力系統中抽水蓄能電站具有調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能。由于抽水蓄能電站布置上的特殊性，機組安裝高程很低，Hs負值較大，其尾水位遠遠高于廠房，尾水事故閘門的主要功能就是及時阻斷下水庫及尾水隧洞的水流，以便于機組的檢修，在緊急情況下，可動水關閉，防止下庫水流淹沒廠房，因此尾水事故閘門能否正常工作，直接關系到電站的安全運行。

1 尾水事故閘門啟閉機油缸振動原因分析

某抽水蓄能電站尾閘室布置了4臺套事故閘門及其啟閉系統，電站投入運行后發現閘門啟閉機油缸均存在振動問題，油缸長期振動勢必引起構件疲勞，導致設備故障，危及生產安全。為了解決此問題，當年委托武漢大學對振動較大的4號事故閘門啟閉機油缸進行了振動檢測，機組運行工況分別為發電機空負荷、發電機帶150MW負荷、發電機帶200MW負荷、發電機帶250MW負荷、發電機帶300MW滿負荷和抽水，現場檢測數據如表1～表4所示。

表1 4號閘門頂部尾水脈動水壓力實測結果表

表2 4號尾水閘門油缸及其周邊振動位移幅值表 mm

表3 4號尾水閘門啟閉機油缸及其周邊振動速度表 mm/s

表4 4號尾水閘門啟閉機油缸實測自振頻率表 Hz

從測試的數據結果可以看出：

（1）閘門頂部尾水管脈動水壓力在發電機空負荷運行時最大（3.98m）、滿負荷運行時最小（0.47m），脈動壓力大致隨著荷載增加而減少；機組抽水運行時脈動壓力較小（0.77m）；尾水脈動水壓力主要頻域為1.19～2.89Hz。

（2）啟閉機油缸振動位移主要是順流向（X向），該方向的振動位移遠遠大于其他兩個方向的振動位移；啟閉機油缸振動位移分布為：頂部振動>中部振動>底部振動；頂部最大振動位移達到40.97mm，振動主要頻域為2.69～2.79Hz。

（3）啟閉機油缸振動速度主要是順流向（X向），該方向的振動速度遠遠大于其他兩個方向的振動速度；閘門啟閉機油缸振動速度分布為：頂部振動>中部振動>底部振動；頂部最大振動速度達到692.95mm/s，振動主要頻域為2.69～2.79Hz。

（4）機組在發電和抽水運行時，啟閉機油缸周邊環境基本不振，表明閘門的運行并不會對樓板結構造成影響。

（5）啟閉機油缸前三階自振頻率范圍是2.79～18.89Hz，其中第一階頻率為2.79Hz。啟閉機油缸的自振頻率與水流脈動所檢測到的頻域比較可知，兩者比較接近，油缸所產生的振動是閘門尾水脈動干擾力作用下的有阻尼強迫振動，其振動幅值比較大，油缸已出現共振現象。

（6）啟閉機油缸振動主要頻域為2.69～2.79Hz，與實測尾水脈動壓力主要頻域1.19～2.89Hz和閘門油缸實測自振頻率2.79Hz基本吻合。這說明：尾水水流脈動是引起閘門啟閉機油缸振動的主要原因。

閘門啟閉機油缸振動理論分析：

（1）啟閉機油缸第一階的頻率為2.79Hz，該頻率與實測尾水脈動壓力頻率1.19～2.89Hz比較接近，而2～6階頻率為13.32～71.50Hz，該區段的頻率遠高于水流脈動頻率。

（2）根據閘門干擾力幅值與油缸頂部振幅內在關系，反演出：啟閉機油缸頂部最大振幅40.97mm所對應的閘門干擾力幅值為43.70kN，可以近似認為這個力是閘門傳遞給活塞桿下端吊環的最大水平動荷載。

（3）啟閉機油缸大幅振動時，動應力的幅值盡管不會直接導致油缸活塞桿結構疲勞破壞，但由于振幅過大，啟閉機長期運行會引起附屬管線、密封圈、關鍵結點等零部件的損壞，嚴重影響到油缸活塞桿的結構安全可靠度。

（4）增加約束后，啟閉機油缸基礎振型發生了改變，自由振動頻率顯著提高，第一階頻率由原來的2.79Hz提高到14.2Hz（上端約束），大大增加了油缸的剛度，動力系數有效地降為：

此時動力荷載作用效果相當于靜力荷載，可以避免啟閉機油缸產生共振的現象。

圖1 減振措施布置示意

圖1 減振措施布置示意（續）

（5）增加約束后，啟閉機油缸最大水平振幅發生在中部，其值為0.30mm（活塞桿下端吊環振幅為0.49mm），油缸底部最大動應力為17.69MPa，活塞桿底部最大動應力為23.59MPa，從振幅和動應力兩個方面都可以看出：油缸上部增加約束措施后，可以取得了很好的減振效果。

2 減振措施

在啟閉機油缸頂部增加約束，這有兩個作用:

（1）提高油缸結構的自振頻率，加大油缸自振頻率與動力荷載干擾頻率（主頻1～3Hz）的差值，以避免共振并減小結構動力反應系數。

（2）通過增加油缸的約束來提高結構抗變形的剛度，減少強迫振動幅值，從而改變動力荷載作用下的變形。

具體方案如下：在閘門油缸的上部設置一個檢修平臺，該平臺中間預留一圓孔保證油缸頂部自由穿過，圓孔周邊聯接一套活動約束機構以便對油缸頂部進行水平徑向約束，布置位置示意圖詳見圖。

4號事故閘門啟閉機油缸加裝了減振措施后，也分別對發電機空負荷、發電機帶150MW負荷、發電機帶200MW負荷、發電機帶250MW負荷、發電機帶300MW滿負荷和抽水，進行現場檢測，數據分析如表5～表8所示。

表5 4號閘門頂部尾水脈動水壓力實測結果表

注： 1.A表示水壓脈動的幅值；f1、f2表示分頻；A1、A2表示分頻下的半幅值。

2.油缸上端限位：只限制油缸上端大位移，測試時限位裝置對小位移不起作用。

表6 4號尾水閘門油缸及其周邊振動位移幅值表 mm

表7 4號尾水閘門啟閉機油缸及其周邊振動速度表 mm/s

表8 4號尾水閘門啟閉機油缸實測自振頻率表 Hz

實施后，從測試的數據結果可以看出：

閘門油缸上端采取限位減振措施后，閘門啟閉機油缸前三階自振頻率范圍提升到15.09～48.39Hz，大大增加了油缸的剛度，其中第一階自振頻率提高到15.09Hz，避免了啟閉機油缸產生共振的現象，油缸振動位移和振動速度明顯減小，機組空負荷運行時尾水事故閘門啟閉機油缸振動由原來的大幅振動該變為微幅振動，取得了很好的減振效果。采用弧形彎板及橡膠墊對液壓油缸作柔性連接，附加作用力小，能夠減小對缸體的危害，啟閉機油缸的上部設置一個檢修平臺，便于對液壓啟閉機油缸的檢修維護。

3 結束語

抽水蓄能電站一般采用地下廠房布置，尾水隧洞較長，一旦發生尾水肘管和機組中心體發生破損事故，就會產生大量漏水，當尾水事故閘門不能正常關閉，將危及廠房安全，雖然采取了減振措施，但是由于設計原因，造成了建設成本增加。下一步還需加強尾水事故閘門及啟閉機運行維護，盡量減少機組空負荷運行時間，確保尾水事故閘門系統安全可靠，同時加強后續項目尾水事故閘門及啟閉機設計審查，務必使閘門油缸的自振頻率與水流脈動頻率不在同一范圍，以免產生共振。

馮鋼聲，男，本科，工程師，從事生產管理工作。E-mail:gangsheng- feng@sgxy.sgcc.com.cn

Vibration Causes Analysis and Treatment of the Tail Water Gate Hydraulic Cylinder for a Pumped Storage Power Station

FENG Gangsheng
（Hubei Bailianhe Pumped Storage Co.，Ltd.，Luotian 438600,China）

In this paper，the vibration causes and treatment of the tail water accident gate of a pumped storage power station are introduced，in order to provide references for similar hoist cylinder shock absorption.

pumped storage; hydraulic cylinder; vibration