關于水電站機組振動特性分析

張劍輝　陳接永

【摘要】水電站（hydroelectric power station ）是將水能轉換為電能的一項綜合工程設施，主要包括水庫、水電站引水系統、機電設備以及發電廠房等。就現階段的研究水平來看，利用現代的信息熵技術分析方法能夠有效分析其機組特性，筆者將以廣東省梅州市M水電站為例，分析水電站機組振動特性，以期能夠為相關工作者提供科學的意見參考。

【關鍵詞】水電站；機組振動特性；研究分析

水電站機組的運行特性主要包括以下4個方面的內容：其一，穩定性；其二，能量特性；其三，空化特性；其四，空蝕特性。從能量特性、空化特性以及空蝕特性角度來看，以上三者關系到水電站機組的利用程度以及使用壽命等2個方面，從穩定性的角度來看，不僅僅影響到水電站機組的使用壽命，還影響到了水電站機組是否能夠正常運行。從上述2個方面的角度來看，水電站機組振動誘發的廠房結構振動已經成為設計水電站運行的重要問題之一。現階段，采取針對性的減振措施可以對水電站的振動故障進行有效診斷。

一、M水電站基本概況

M水電站為M水庫壩后電站，M水庫始建于1964年10月，于1966年冬建成投入使用，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、供水的綜合利用的中型水庫。捍衛著上下游及梅州城區幾十萬人民群眾的生命財產安全，承擔著水庫下游沿河兩岸3.6萬畝農田的水利灌溉任務。M水庫是梅州城區防洪體系的重要組成部分， 其安全與否直接影響到梅州城區的防洪安全，防洪地位非常突出、防汛責任重大。水庫控制集雨面積350km2，總庫容為5100萬m3，水庫正常蓄水位▽167.5m，相應庫容3500萬m3，校核洪水位▽168.2m，設計泄洪流量970 m3/s，水庫前汛期防限水位167.00 m，后汛期防限水位167.50 m。M水電站使用的是反擊式水輪機。調節器使用的是某公司生產的GSFT型高油壓水輪機調速器，GSFT型高油壓水輪機調速器與傳統的低油壓（2.5/4.0Mpa）調速器相比，具有以下幾個方面的技術經濟優勢：

（1）工作油壓高、用油量少以及電站布置方便、美觀；

（2）儲氣罐內所充氮氣與液壓油不接觸，油質不易劣化；

（3）免除了電站運行中的調油位以及補氣工作，又可省去高壓氣系統及相應的付廠房；

（4）質量可靠，性價比高；

（5）減少了液壓放大環節，使得調速系統結構簡單，性能優良。在運行的過程中發現機組的緊固件發生多次松動行為，廠房房頂的頂部件被振動所掉落，水輪機的輪轉葉片以及尾水管錐管出現細碎裂紋。總而言之，水電站機組的振動不僅僅影響到了機組的安全運行，還在一定程度上縮短了機組的檢修周期。

二、M水電站機組特性

1 振動試驗

根據試驗的相關標準（GB/BJ2544-4555，GBEUIH-2417）依據水輪發電機組安裝技術規范對機組軸線進行擺度，其中水輪機的頂蓋水平振動小于100r/min額定速度為0.09，在100～250r/min之間額定速度為0.07，250～370r/min之間額定速度為0.05，370～750r/min之間額定速度為0.03；頂蓋垂直運動小于100r/min額定速度為0.11，在100～250r/min之間額定速度為0.09，250～370r/min之間額定速度為0.06，370～750r/min之間額定速度為0.03。發電機的推力軸承支架垂直振動小于100r/min額定速度為0.08，在100～250r/min之間額定速度為0.07，250～370r/min之間額定速度為0.05，370～750r/min之間額定速度為0.04；發電機導軸承支架水平振動小于100r/min額定速度為0.11，在100～250r/min之間額定速度為0.097，250～370r/min之間額定速度為0.07，370～750r/min之間額定速度為0.05.

2 振動測試結果

M水電站機組的振動測試結果顯示50%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的水平部位分別為3.5451、1.6541、2.5461，50%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的垂直部位分別為9.5614、4.5124、4.5641；65%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的水平部位分別為3.541、1.964、1.6845，65%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的垂直部位分別為10.548、3.564、5.6541；80%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的水平部位分別為3.5475、2.9874、3.024，80%轉速在上機架、頂蓋以及下機架的垂直部位分別為35.564、7.5468、5.6451。

3 分析振源

水電站機組振動的原因非常復雜，影響其振動的因素也比較多，相關振動機理目前來拉看尚不完全清楚。但是，經過研究調查發現，引起水電站機組振動的原因無非以下三種：其一，水力因素；其二，電氣因素；其三，機械因素。從水力方面的因素來看，由于水流脈動或者渦流等引起的振動情況較為復雜，在理論上尚不能夠完全證實。從M水電站機組來看，可以認為是水流經過了某些繞流體之后因為流速分布不均勻而導致的壓力脈動情況或者水力在過渡過程中壓力波動的情況出現。所以，水電站機組與管道之間存在水力互聯的作用。從機械方面的因素來看，主要是由于水輪機或者發電機在安裝質量以及制造的過程中造成推力軸安裝不良以及軸線過于曲折等問題，繼而導致了水電站機組發生振動現象。機械原因下的振動與負荷之間沒有顯著關系，于振動主頻率有著十分密切的關系。一般情況下是由機組轉動部分偏心而引起的振動、轉動部分與固定部分碰撞所引起的振動、軸承嫌隙過大、主軸過于細小所引起的振動或者推力軸承調整精度不夠準確等方面的原因引起的機組振動情況。從電氣因素來看，主要與推力軸承安裝質量不夠高、不均衡的磁拉力、定子極頻振動、推力瓦制造不良、發電機定子與轉子間氣隙不夠對稱、發電機線圈短路以及發電機定子鐵芯基座縫合不嚴等有密切關系。

4 相關解決措施

限制并且有效消除尾水管壓力，其主要關鍵是限制渦帶的形成，有效減小渦心的偏心距，繼而能夠使得M水電站的水輪機可以有效改善水輪機泄水的情況。向尾水管出口進行適當的補氣能夠使得渦帶中心低壓真空狀態減弱，并且有效穩定渦帶，減輕振動。

三、結束語

綜上所述，M水電站機組能夠有效避開振動區域進行工作是最好的方法。但是，其主要的首選方法仍然是以改善水輪機的泄水形態為第一要務，與此同時需要適當的結合補氣的方法。另外，尾水管壓力脈動變化會隨著工程的變化而顯示出不同的運行特征，那么不同的特征區域就會顯示不同的頻率，需要相關工作人員多加注意。

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