抽水蓄能機組無葉區壓力脈動改善與廠房減振研究

桂中華 ，郭旭東， 歐陽金惠，肖業祥

（1. 國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161;2. 河北張河灣蓄能發電有限責任公司，石家莊市 050300;3. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京市，100048 4. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室 & 能源與動力工程系，北京市100084）

0 引言

張河灣電站安裝4臺25萬kW單級混流可逆式水泵水輪機組，電站主體工程于2003年12月6日正式開工建設，第一臺機組于2007年12月30日并網發電，2009年2月20日四臺機組全部投入商業運營[1]。機組自投產以來，在發電工況，特別是滿負荷時存在強烈的振動和噪聲，劇烈的振動不僅對結構有一定的破壞作用，而且導致設備損壞和錯誤動作，對設備安全存在很大的隱患[2]。本文通過對機組和廠房結構的振動分析，發現無葉區壓力脈動大是引起廠房振動的根本原因，最終通過降低無葉區壓力脈動，尤其是2倍葉片過流頻率分量的激振能量達到了減振的目的。

1 廠房振動原因分析

為了查找分析張河灣電站廠房振動原因，本文選擇3號機組，進行振動測試分析。張河灣電站3號機組轉輪名義直徑為4.641m、轉輪葉片數 9片、固定導葉數 20個、活動導葉數20個、額定轉速333.3r/min，葉片過流頻率50Hz；電站額定水頭305m、最大毛水頭346m、最小毛水頭291m。由于張河灣電站發電工況的振動較為嚴重，下面將主要針對發電工況開展分析。

1.1 變轉速試驗分析

3號機組變轉速試驗時毛水頭317.89m，圖1為機架振動峰峰值隨轉速的變化、圖2為壓力脈動幅值隨轉速的變化。表1為不同轉速下廠房振動的主頻。根據以上測試結果分析可知：

圖1 機架振動與轉速的關系Figure 1 The relation between bracket vibration and rotation speed

（1）隨著轉速的上升，機組的振動及壓力脈動峰峰值均隨轉速增加而增大，轉速由297.3r/min增大至額定轉速333.3r/min時，機組的穩定性參數增幅顯著。

（2）廠房振動主頻基本是葉片數的2倍。

通過已有的水力振源分析，無葉區的脈動壓力主頻一般為機組轉頻乘以葉片的倍頻，因此，通過變轉速試驗可以初步判斷，張河灣電站的廠房振動與無葉區壓力脈動密切相關[3][4]。

圖2 壓力脈動與轉速的關系Figure 2 The relation between pressure pulsation and rotation speed

表1 機組變轉速廠房振動主頻Table 1 Main frequency of plant vibration with variable rotation speed of unit

1.2 變勵磁試驗分析

由于張河灣轉輪葉片數為9，機組轉速333.3(r/min)，葉片過流頻率為50Hz，與電網頻率一致。不排除廠房與電磁力發生共振的可能性，為此下面分析了機組空載變勵磁試驗振動測試結果。圖3和圖4分別為機組振動、廠房振動與勵磁電流的關系曲線。根據測試結果分析可知：隨著勵磁電流的增大，機組振動和廠房振動沒有明顯的變大趨勢，可以排除廠房與電磁力發生共振的可能性。

圖3 機架振動與勵磁電流關系Figure 3 The relation between bracket vibration and excitation current

圖4 廠房振動與勵磁電流關系Figure 4 The relation between plant vibration and excitation current

1.3 變負荷試驗分析

毛水頭323m左右條件下，不同負荷下廠房振動幅值主頻變化情況見圖5和圖6。根據試驗結果分析可知：

（1）該試驗水頭下，升負荷過程，廠房振動隨負荷增加而增大，尤其是負荷大于190MW后，廠房振動幅值明顯增大。其中水輪機層和中間層樓板振動相對最大，250MW負荷時，中間層樓板振動有效值為4.1mm/s，水輪機層樓板振動有效值為2.7mm/s，這是因為中間層與水輪機層更接近水力激振源。

（2）廠房振動主要頻率成分為100Hz的兩倍葉片過流頻率、50Hz的葉片過流頻率及其他倍頻。

圖5 廠房振動幅值與負荷的關系Figure 5 The relation between vibration amplitude and load

圖6 廠房振動頻率與負荷的關系Figure 6 The relation between vibration frequency and load

1.4 廠房結構固有頻率分析

圖7張河灣廠房風洞層固有頻率測試結果分析表明，風洞層結構主頻約51Hz，同時存在100Hz附近的固有頻率成分；圖8水機層固有頻率測試的結果分析表明，水輪機層樓板主頻約52Hz，同時存在100Hz附近的固有頻率成分。

圖7 風洞層頻譜分析（f=50.78Hz）Figure 7 Spectral analysis of wind tunnel floor (f= 50.78Hz)

圖8 水機層頻譜分析（f=51.63Hz）Figure 8 Spectral analysis of turbine floor (f= 51.63Hz)

綜合以上的分析可知，廠房振動隨負荷的增加而增大，且其主頻成分為兩倍葉片過流頻率100Hz。同時風洞層樓板和水輪機樓板中存在接近100Hz的高階固有頻率，與兩倍葉片過流頻率100Hz相接近，表明局部廠房結構易發生共振，并引起廠房結構發生強迫振動。因此，張河灣電站廠房振動過大的主要原因是水力因素（無葉區壓力脈動）引發的廠房結構局部共振[5-7]。

2 機組改造及廠房減振效果

共振現象是激振頻率與結構部件的固有頻率一致或相近，且激振能量足夠的條件下才發生的。因此，解決廠房振動過大可有三種思路，其一是改變廠房結構的固有頻率，其二是改變水力振源的頻率，其三是不改變水力振源的頻率，而減小水力振源的激振能量[8][9]。考慮到改變廠房結構的固有頻率較為困難，于是從改變水力振源入手。改變水力振源的頻率也即改變轉輪葉片數，這有可能會引發未知的問題，經過多方論證后采用了第三種處理思路，即降低水力振源的激振能量。新轉輪由GE水電設計制造，并對舊轉輪進行更換改造處理。

3號機組改造后，進行了機組發電方向變負荷試驗，試驗毛水頭約為320.7m。改造前后無葉區壓力脈動對比見圖9。改造前后廠房振動對比曲線見圖10。

圖9 新舊轉輪無葉區壓力脈動對比Figure 9 The comparison of pressure pulsation of vaneless zone for the old and new runner

圖10 改造前后廠房樓板振動幅值對比Figure 10 The comparison of vibration of plant floor before and after the re-modification of runner

根據試驗結果可知：改造后機組滿負荷工況無葉區壓力脈動由原來的近8%下降到2.2%，改造后機組壓力脈動比改造前明顯變小；中間層樓板振動有效值從4mm/s下降到0.6mm/s，廠房振動有效值較改造前大幅降低，100Hz引起的廠房共振問題得到成功解決。

3 結束語

（1）無葉區壓力脈動幅值較大，且脈動中兩倍葉片過流頻率（100Hz）與局部廠房結構（風洞層與水輪機層立柱）某階固有頻率接近，易引發局部廠房結構共振，是張河灣電站廠房振動過大的主要原因。

（2）從減小水力振源的激振能量入手，對張河灣電站3號機轉輪進行了改造，改造前后廠房振動實測數據對比表明，改造后機組無葉區壓力脈動明顯下降，廠房振動有效值較改造前大幅降低，成功解決了無葉區壓力脈動引起的廠房共振問題。