水電機組振動測試分析

張 俊

（澧縣鴻基水利水電勘察設計有限公司 常德市 415500）

水力發電是將水能轉化成機械能，進而轉化為電能的復雜過程，它涉及到水力、機械、電氣三方面內容。因此，水力發電機組的振動產生的原因也可以相應地分為水力因素、機械因素和電磁因素。水力發電機組的異常振動不僅影響到水電站的經濟安全運行，也是機組故障診斷的研究熱點，是水電站急需解決的關鍵性問題之一。

振動信號是機組工作狀態等信息的載體，對振動信號的分析，是故障診斷領域中廣泛采用的一個方法。本文針對某水電站2 號機組的異常振動，通過測試不同水頭、不同負荷下機架振動和大軸的擺動情況，分析比較其頻譜特性，進而確定誘發該水力發電機組振動的具體原因，為實際生產提供可行的建議。

1 試驗情況

1.1 測點布置

某電站水輪機型號為：ZZ440-LH-850； 設計水頭22 m，額定轉速76.9 r/min。其中，2 號機組相對與其他機組，在相同條件下運行時出現了振動異常現象。為了全面了解該機組在不同水頭下的最佳運行區域，分析機組在不同水頭和負荷下的振動情況，確定其振動原因，其測點布置如圖1 所示，在頂蓋、推力機架和定子機座處各布置一個徑向振動測試點和一個垂直振動測試點，在蝸殼進口處和尾水管處各布置一個壓力測試點；同時為了測量大軸擺度，在水輪機導軸承處、發電機導軸承以及滑環處X、Y 方向各布置一個測點。

圖1 試驗測點布置圖

1.2 測試條件

對2 號機組進行6 個水頭的穩定性試驗（表1），其負荷變化范圍：0 MW，10 MW、20 MW、30 MW、40MW、50 MW、60 MW、70 MW、80 MW、90 MW、100 MW。

表1 2#機組試驗水頭

2 試驗結果分析

2.1 振動、擺度和尾水水壓脈動隨負荷變化情況（圖2）

從4 張擺度幅值隨負荷變化趨勢圖可以看到一個共同的特點，水導擺度在（10～20）MW 區間有一個峰值，隨后下降，大約在30 MW 時其幅值最小。在30 MW以后，水導擺度值隨負荷上升一直到滿負荷。水導擺度峰值從最小時的200 μm 上升到滿負荷時的450 μm。其它測量部位的擺度幅值僅略有上升。

圖2 水導擺度隨負荷變化

圖3 顯示頂蓋垂直方向和推力機架垂直方向在20 MW 一個峰值，隨后下降，大約在30 MW 時其幅值最小。在40 MW 以后，各部位的振動幅值基本不隨負荷的變化而改變。

圖3 頂蓋和推力機架振動隨負荷變化

圖4 為水壓脈動隨負荷的變化趨勢。從圖中可以看到水壓脈動的特點為：在設計水頭附近，除低負荷外（30 MW 以下），壓力脈動的幅值較小，但變化的趨勢是隨負荷的增加而上升；在高水頭下，尾水錐管的水壓脈動幅值較大，相對壓力脈動值在30 MW～額定負荷區間達到15%，隨負荷增加的趨勢不明顯。

2.2 頻譜分析

圖5 顯示了在試驗水頭22.0 m 和27.2 m 下，負荷10 MW 和20 MW 時水導擺度的頻譜分析，從圖中可以看到引起機組水導擺度增加的激振力的頻譜約為0.6 Hz，機組的轉頻為1.28 Hz，即激振頻率為轉頻的1/2 左右。

圖6 顯示在試驗水頭22.0 m 和27.2 m 下，負荷100 MW 時機組水導擺度的主頻為1.28 Hz，即機組轉頻。而且轉頻絕對占優，次頻為二倍轉頻。

2.3 水頭變化對機組振動、擺度的影響（圖7、圖8）

水導擺度幅值沒有明顯的隨水頭上升而上升的趨勢； 頂蓋徑向振動隨水頭的上升反而有所下降；頂蓋徑向振動幅值沒有隨水頭增加而加大的趨勢。推力機架徑向振動幅值也沒有隨水頭增加而增加的趨勢。

隨著水頭的上升，振動區與向大負荷方向移動。在毛水頭約為22 m 時，最大振動值發生在10 MW左右，在毛水頭在25 m 和27 m 左右時，最大振動值發生在20 MW 左右。

3 結 論

機組振動隨負荷變化曲線的特征說明，機組振動、擺度幅值隨負荷增加而增加，即機組振動、擺度幅值隨流量增大而增加。這個特征是明顯的水力不平衡特征。

圖4 水壓脈動隨負荷變化

圖5 水導頻譜分析

由頻譜分析可見，推力機架徑向振動的主要頻率為機組基頻，而頂蓋頻率主要集中在7.7 Hz 附近，7.7 Hz 正好是葉片數與基頻的乘積。在尾水管中也含有7.7 Hz 的脈動頻率，并且隨著負荷增大，7.7 Hz 頻率的振動分量也明顯增加。這說明機組的激振力主要來源于水力不平衡。2010年大修中，在對輪葉開口的測量發現： 輪葉6#-1#、1#-2#、2#-3#的開口比輪葉3#-4#、4#-5#、5#-6#開口要大，這也恰好說明了水力不平衡的存在。因此，采用頻譜分析法，通過抽取振動信號的特征量來進行故障分析，是一種較可靠的方法。

圖6 100MW 時的頻譜分析

圖7 不同水頭下頂蓋振動幅值

圖8 不同水頭下各測點擺度幅值

[1] 劉大愷.水輪機[M].北京：中國水力電力出版社，1997.

[2] 翟建平.紅巖水電站機組異常振動的處理[J].中國農村水利水電，2011，（12）.

[3] 薛延剛，羅興琦，王瀚. 基于小波預處理的HHT 方法在水輪機振動診斷中的應用[J].大電機技術，2010，（4）.