大型混流式水輪發電機組異音分析及處理

劉任改

（國能大渡河流域水電開發有限公司,四川 成都 610014）

0 引言

瀑布溝水電站位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣接壤處,是大渡河干流梯級規劃推薦的22 級方案中的第17級電站,裝設6 臺單機容量600 MW的大型混流式水輪發電機組,其中發電機有東方電機股份有限公司生產,型號為SF600-48/14200,轉子直徑13.11 m,轉子總重1210 t,額定轉速125 r/min,3臺水輪機由東方電機股份有限公司提供。另外3 臺水輪機由通用電氣亞洲水電設備有限公司（GE）公司提供。東方電機公司水輪機型號HLD416A-LJ-696,單機容量611 MW, 轉輪進口直徑6.96 m,轉輪重量230 t,額定轉速125 r/ min,額定流量435 m3/s,額定水頭156.7 m,最大水頭181.7 m,最小水頭114.3 m,設計點吸出高度為-7.75 m,水輪機安裝高程661 m。瀑布溝水電站于2011 年1 月20 日全部投入運行,機組運行穩定,從2018 年12 月檢修后,東方電機公司機組中有一臺在停機過程中出現異音現象,從機組導葉全關,圓筒閥開始關閉,水車室出現刺耳的異音。鑒此,本文對該異音產生原因進行分析。

1 異常現象

在2018年檢修期后,運行人員發現瀑布溝6號機組在停機過程中每次均出現刺耳的異音。運行人員通過分析不同時刻的數據發現,在導葉全關,圓筒閥關閉過程中,異音出現,并且水車室異音最明顯。具體數據記錄見表1,表中記錄為某次停機過程中各部位振動、擺度值隨轉速的變化情況,其中振擺單位為μm,壓力單位為kPa,其余次數停機情況均與表中情況相似。

表1 水車室各部振擺原始數據

從表1數據可以看出,雖然運行人員聽到刺耳異音很明顯,但是水車室各部的擺度、振動值并沒有異常,表2 數據顯示機組各部壓力中蝸殼進口壓力在70 r/min～30 r/min區間內確實出現異常主頻,但其他部位壓力幅值、主頻正常,未能很好的判斷異音的來源。

表2 機組各部壓力原始數據

2 原因分析

大型混流式水輪發電機組運行中產生異音通常可以分為電氣異音、機械異音、水力異音三大類,水力異音主要由水力振動引起,機械異音主要由機械振動、摩擦、碰撞等引起,電氣異音主要由電磁因素引起。通過大量水輪發電機組異音分析案例學習總結,對于大型混流式水輪發電機組的異常聲響原因分析基本上可以歸結為振動分析。一般引起水輪發電機組振動異音的原因有電氣、機械和水力因素[1-3]。

2.1 電氣因素

振動異音的電氣因素是指振動中的干擾力來自電磁力不平衡,其特征是振動隨勵磁電流或者定子電流的增大而增大,且上機架處會比較明顯。瀑布溝電站6號機組在出現異音后,首先是上導擺度、上機架振動值均未有明顯變化,其次異音并沒有隨著電流變化而相應變化,可以排除電氣因素。

2.2 機械因素

振動異音的機械因素是指振動中的干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及其他力,其特征是振動頻率等于機組的轉動頻率或整倍數的機組轉動頻率,導軸承振動大[4]。瀑布溝電站6號機組在出現異音后,首先是水導軸承擺度、頂蓋振動值均未有明顯變化,其次電廠先后組織專業人員進行轉輪室、頂蓋密封以及大軸補氣裝置檢查,均未發現異常。

2.3 水力因素

振動的水力因素是指振動中的干擾力來自水輪機水力部分的動水壓力,其特征是帶有隨機性。常見的產生振動的水力因素主要有：水力不平衡、空化空蝕、卡門渦流和尾水渦帶。

（1） 水力不平衡。具有位能和動能的水流通過蝸殼的作用形成環流, 再通過分布均勻的固定和活動導葉均勻地作用于轉輪,激發轉輪旋轉。當某個導葉被異物夾斷失去控制,使導葉開度不同步時,作用于轉輪的水流就會失去軸對稱性,產生一個不平衡的橫向力,引起轉輪振動。瀑布溝水電站6號機的異常噪音是在導葉全關以后出現,應與水力不平衡無關。

（2）空化空蝕。在流動的液體中,當局部區域的壓力因某種原因而突然下降至與該區域液體溫度相應的汽化壓力以下時,部分液體汽化形成氣泡,氣泡隨液流進入壓力較高的區域時,就會潰滅,材料就會遭受巨大壓力的反復沖擊,從而引起疲勞破損甚至表面剝蝕。嚴重的會破壞水輪機轉輪和尾水管等過流部件,并在尾水管內產生強烈的周期性噪聲和振動。但從瀑布溝水電站6號機組異常聲響的特征判別,并不是由于空化空蝕所產生,因為空化空蝕所造成的破壞是微觀量的破壞,氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機性的,因此所產生的噪音也是無規則的。

（3）卡門渦流。卡門渦流是發生在擾流物體尾部的漩渦,是水流擾流物體表面時邊界層脫流而引起的。由于卡門渦流是交替從出流物體尾部排出,因此對出流物體會產生一個周期作用力,在水輪機的轉輪葉片、活動導葉、固定導葉尾部經常會出現。當卡門渦流頻率與葉片某一階頻率一致時,就會產生共振從而導致葉片裂紋及異常聲音[5-6]。卡門渦流的頻率與流速和分離點厚度有關,具體計算公式如下：

式中：f為卡門渦流頻率,Hz；C為常數,對于混流式轉輪,一般取值為 S=0.2～0.25；為葉片出口邊緣的相對流速,m/s；為出口邊緣的厚度,m。

從計算公式中可以發現,卡門渦流頻率與轉輪葉片邊沿流體流速有關,流速越大,卡門渦流頻率越大,也就是是異音越強烈,并且卡門渦流一般為低頻。這與瀑布溝6號機組現場實際情況不一致,初步判定葉片卡門渦不是誘發異常聲音的原因。

（4）尾水渦帶。尾水管內渦帶是混流式和軸流式水輪機普遍存在的振源之一。尾水管內的渦帶在旋轉過程中不斷掃動尾水管邊壁,會產生異常聲音。但尾水管內渦帶的掃動頻率相對較低,其周期與尾水管內的壓力脈動基本相同[7-8]。水輪機尾水管的壓力脈動頻率一般計算公式為：

瀑布溝水電站6 號機組的額定轉速為125 r/min。可以計算出尾管渦帶的脈動頻率的范圍約是21 次/min至41 次/min,而6號機組轉輪室異常聲音的頻率為900 Hz～100 Hz,明顯不符合,所以可以排除異音來源于尾水管壓力脈動。

3 現場試驗

在產生水輪機異音的基本原因都被排除之后,為進一步確認異音來源,瀑布溝電站組織國能電科院專家及東方電機公司廠家進行會診。經過分析,認為可以從正常停機、手動停機兩個方面來試驗,同時在監測水車室各部件振擺、壓力脈動的情況下,在水車室X、Y向、尾水人孔門、蝸殼人孔門處增設噪音監測點。

3.1 正常停機

正常停機過程中,通過試驗儀器監測到各部振擺值沒有明顯變化,與先前電廠分析基本一致,噪音三維頻譜圖見圖1～ 圖4。

圖1 水車室噪音+X停機過程頻譜圖

圖2 水車室噪音+Y停機過程頻譜圖

圖3 蝸殼門噪音停機過程頻譜圖

圖4 尾水門噪音停機過程頻譜圖

從數據分析可以得出,水車室噪音測點最為明顯,發生異常噪音的范圍約為90 r～40 r（約為72%～32%nr（nr表示額定轉速））,頻率約為723 Hz,在發生異響的轉速區間,頻率變化量較小。在水車室出現異常噪音后,水車室兩個方向的噪音測點監測到的噪音升壓未見增大的趨勢,并且基本保持高頻,這進一步驗證了瀑布溝6號機組異音不是卡門渦引起。

3.2 手動停機

為了了解流量對噪音的影響,停機過程采用手動關閉導葉,第一次采用勻速手動停機,轉速從額定降至20%nr,歷時約1000 s,停機過程中,未監測到異常噪音。第二次采用非勻速手動停機,本次關閉導葉的順序為：空載開度-5%-4%-3%-2%-1%-0。停機過程歷時1100 s,停機過程也未監測到異常噪音。具體三維頻譜圖見圖5～圖8。

圖5 水車室噪音+X手動停機過程頻譜圖

圖6 水車室噪音+X手動停機過程頻譜圖

圖8 尾水門噪音手動停機過程頻譜圖

從上面數據分析,當機組手動停機,停機時間變長的情況下,振擺數據沒有明顯變化,但對于阻止異常噪音產生有明顯的效果。通過多次試驗與分析,目前瀑布溝電站6號機組已經采取調節機組關閉時間來暫時控制異音。同時專家組一致認為引起瀑布溝6號機組異常噪音的部件為固定部件的可能性較大,但是由于當時處在汛期保供大發電期間,固定部件產生異常噪音的機理還有待于進行下一步的研究。

4 結語

大型混流式水輪發電機組運行中產生異音比較常見,但是在停機過程中導葉關閉后產生異音還比較特殊。本文通過對瀑布溝水電站水輪發電機組異音產生原因的分析、試驗及初步處理,對大型混流式水輪機異音產生的機理有了更加清晰的認識,對于如何消除機組異音提供了可以參考的解決方案。要特別指出的是,對大型混流式水輪發電機組異音產生的防治,不可能是千篇一律,而應從機組的結構設計、運行環境、調保計算、工作狀態以及參數特性等多方面進行綜合考慮。遇到異音問題要結合自身情況具體分析,選擇采用不同的防治措施或解決方法,從而保證機組運行的安全穩定。