白市電廠機組振動區過大處理方案研究

朱代華 安元

（五凌電力股份有限公司 湖南長沙 410000）

白市電廠機組振動區過大處理方案研究

朱代華 安元

（五凌電力股份有限公司 湖南長沙 410000）

本文簡單介紹白市水電廠機組運行過程中振動區域偏大，在機組投入AGC后無法有效避開機組振動區，為改善以上現象而進行的一系列實驗，以此找出解決機組振動區域偏大問題，由此保證了機組的安全穩定運行。

水輪機；振動；過流通道；安全運行

引言

白市水電站位于沅水干流上游河段清水江的下游，壩址位于黔東南苗族侗族自治州天柱縣境內，白市水電站樞紐主要由右岸壩后式廠房、河中溢流壩、左岸垂直升船機、兩岸非溢流壩及消力池等建筑物組成。壩頂高程304.50m，最大壩高68.00m，壩頂長512.00m。電站正常蓄水位300.0m，相應庫容6.14億m3，死水位294.0m，調節庫容為1.74億m3，汛限水位296.0m，裝機3臺，單機容量140MW，總裝機容量420MW，多年平均年電量12.36億kW·h。在機組正常蓄水后，機組運行過程中發現機組振動偏大，經過多方面檢查發現振動源來自水輪機運行過程中振動偏大所致。

1 問題的出現

貴州清水江水電有限公司白市水電站裝機3臺14萬kW水電機組，2013年4月2臺機組相繼投產發電，在機組運行過程中由于外部原因，機組上游水位一直未達到正常蓄水位，運行時一直在低水位運行狀態。尾水水位由于拖口一直未正常蓄水，也一直未達到正常水位狀態。由此導致機組投產后直到2015年3月一直在非正常運行工況下進行運行。

2015年5月11日對三臺機組進行振動測試，此次測試上游水位294m、下游水位246.68m。此前分別在上游水位300m、298m、296m進行了機組振動測試，報告認為振動區域較寬（如圖1），主要指標體現在頂蓋垂直振動上。

圖1 機組振動測試圖

2 問題的排查

2.1 為了排查振動原因，決定在以下兩種狀態下進行振動測試對比，來確定主軸補氣閥對機組振動的影響

（1）將大軸補氣閥保持全開狀態；

（2）恢復大軸補氣閥原狀進行機組振動試驗。

2.2 試驗現象

#2機組無大軸補氣閥狀態下，機組進行穩定性試驗過程中從電科院測試儀器屏幕顯示的頂蓋振動峰值來看，機組從空載到3萬kW振動值為上升趨勢，3萬kW達最大值，從4萬kW到滿負荷呈下降趨勢。機組負荷5萬～8萬kWh，頂蓋真空破壞閥動作，7萬kWh動作最強，但同1#未拆除大軸補氣閥運行狀態相比，動作是減輕的。開機瞬間從主軸中心孔有一股灰塵吹出，馬上轉為吸氣狀態，3萬kW開始有明顯間歇吸氣聲音，5萬～8萬kW聲音逐漸加大，吸氣間隔逐漸縮短，8萬～10萬kW聲音減弱，吸氣接近連續，10萬以上聲音基本消失。

有大軸補氣閥狀態，在機組進行穩定性試驗過程中從電科院測試儀器屏幕顯示的頂蓋振動峰值來看，機組從空載到7萬kW振動值是上升趨勢，7萬kW達最大值而后從7萬kW到滿負荷呈下降趨勢，全部試驗范圍該振動值未超標。機組負荷5萬～8萬kWh，頂蓋真空破壞閥動作，7萬kWh動作最強，但與拆除大軸補氣閥運行狀態相比，動作稍有加劇。3萬kW開始有明顯間歇吸氣聲音，5萬～8萬kW聲音逐漸加大，吸氣間隔逐漸縮短，8萬～10萬kW聲音減弱，吸氣接近連續，10萬以上聲音基本消失，整個過程聲音不大。

圖2為2#機組頂蓋垂直振動，拆除大軸補氣閥與有大軸補氣閥實驗數據對比。

圖2 2#機組頂蓋垂直振動，有補氣閥和無補氣閥對比圖

從2#機試驗初步數據看，在機組正常范圍內《水輪機基本技術條件》（GB/T15468）規定的45～100%額定出力范圍）無補氣閥時的試驗數據要優于有補氣閥的試驗數據。機組在7萬kW工況頂蓋振動值下降9%，8萬kW工況下降26.5%、9萬kW工況下降74.8%、10萬kW工況下降20.8%。

3#機上游水位296m時的實驗數據顯示，振動較大的工況在40MW、60MW、70MW、80MW，相應工況：

頂蓋垂直振動頻率為 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

相應蝸殼壓力脈動頻率 1.44～5.65Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

無葉區壓力脈動頻率 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

尾水管壓力脈動頻率 0.96Hz、0.96Hz、0.35～1.02Hz、0.72Hz。

3#機組上游294m水位工況下進行空氣閥對比試驗，試驗結果與2#機類似，拆除大軸補氣閥時機組振動數值相對較小。機組在兩個實驗過程中振動值沒有超標現象，真空破壞閥動作不明顯。

2.3 現象分析

（1）在2#機組4萬～8萬kW運行區間機組大軸補氣非常明顯，同時機組頂蓋真空破壞閥在5萬～8萬kW運行區間存在頻繁動作，同時在此區間機組頂蓋垂直振動幅值較大。

3#機組上游294m水位試驗，從4萬～8萬kW運行區間機組同樣大軸補氣非常明顯，但機組頂蓋真空破壞閥在此區間動作輕微，同時機組頂蓋垂直振動幅值相對2#機組明顯要小，機組非常穩定。

頂蓋真空破壞閥動作劇烈程度與頂蓋垂直振動數值相關，從這個現象分析頂蓋垂直振動與轉輪上冠與頂蓋之間的壓力變化有關，這個壓力變化可能來自轉輪出口的壓力脈動，為減輕機組軸向水推力，轉輪上冠開有泄壓孔，上冠與頂蓋之間的壓力水通過泄壓孔、泄水錐與上冠之間的環腔與轉輪葉片出口相通，這一減壓措施有可能成為轉輪出口壓力脈動向頂蓋與轉輪上冠腔體處傳遞的途徑。

（2）頂蓋垂直振動較大時的振動主頻率0.34Hz，此時的蝸殼壓力脈動、無葉區壓力脈動主頻率同為0.34Hz。從這個現象看頂蓋振動可能與蝸殼壓力脈動、無葉區壓力脈動有關，頂蓋上轉輪前到座環部分直接構成水輪機流道，導葉前后的水壓脈動會直接作用這部分頂蓋上，頂蓋振動頻率與這兩個壓力脈動頻率一致，因而機組引水流道內的壓力脈動很可能是構成頂蓋垂直振動的一個主要激振源。

3 處理方案分析

3.1 針對尾水管壓力脈動的影響，對于減輕尾水管壓力脈動對頂蓋振動的影響，有以下兩個方面可以考慮

（1）增強補氣降低尾水管壓力脈動；

（2）隔斷傳遞通道或增加傳遞阻尼。

3.2 針對蝸殼、無葉區脈動的影響

機組蝸殼與壓力鋼管流道直接對接，無葉區水流與導葉前水流有很好的連貫性，因而這部分的壓力脈動作為頂蓋振動源考慮，整個引水流道的壓力脈動無法在機組上采取措施來減輕壓力脈動和頻率的改變；而且這部分頂蓋直接構成了流道的一部分，也無法采用隔斷傳遞路徑的方式來減輕頂蓋的壓力脈動。

4 處理方案的實施

考慮拆除大軸補氣閥的試驗過程中，機組補氣噪音較大，相應尾水管測得的壓力脈動數值也不高，處理方案優先考慮隔斷轉輪出口壓力脈動向頂蓋下傳遞的路徑。

4.1 改變轉輪上冠泄壓通道

機組頂蓋振動較大運行范圍真空破壞發動作較劇烈，因而判斷轉輪上冠與頂蓋之間出現有較大的壓力脈動，這個壓力脈動估計來源于轉輪后的壓力脈動。該方案考慮將泄水錐內側開孔、封閉泄水錐與上冠之間的環縫，利用大軸補氣閥常開狀態保持上冠與頂蓋之間的壓力穩定。

該方案的實施需要流道排水，對泄水錐豎桶壁開孔及對泄水錐斜錐體與上冠之間的環縫進行封閉，如圖3。

圖3 泄水錐

4.2 改善尾水管補氣

通過機組有無大軸補氣閥的試驗對比，感覺兩者的補氣量差別較大。較大補氣量有利于7萬～10萬kW出力時頂蓋垂直振動減小。但從實測值來看增大補氣量尾水管壓力脈動值沒有明顯差異，如圖4。

圖4 機組真空補氣閥

5 結束語

本文通過機組投運后，發現機組振動偏大，為了解決機組振動區域偏大問題而進行的一系列實驗，并在試驗后找到解決以上問題的方法，為以后類似問題的處理具有參考價值。

[1]《水輪機基本技術條件》（GB/T15468）

[2]《水力機械（水輪機、蓄能泵和水泵水輪機）振動與脈動現場測試規程》（GB/T17189-2007）.

TV738

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1004-7344（2016）08-0235-02

2016-3-1

朱代華（1983-），男，助理工程師，本科，主要從事水電站工作。