模態分析在抽水蓄能機組振動故障診斷中的運用

申岳進，王青華，孫成玲，吳小放，司紅建

（1.江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 常州 213300；2.上海安乃基能源科技有限公司，上海 201315）

0 引言

抽水蓄能電站由于其容量大、響應快、可雙向調節的特點，對現代電網的安全穩定運行起到了不可或缺的作用，因此，抽水蓄能發電機組的安全穩定運行對電網的安全至關重要。

抽水蓄能發電機組運行期間經常存在振動問題，機組在振動過大的狀態下長時間運行輕則使相關結構部件產生疲勞，重則產生動靜碰摩，威脅整個機組的運行安全。因此，降低機組運行過程中的振動，一直都是現場工程師們的努力方向。

為了降低設備運行過程中的振動，首先需要找出振源，即診斷出引起機組振動的原因或者激勵源。引起抽水蓄能機組振動的原因主要有三方面，一是來自電氣，二是來自水力，三是來自機械，而且每個方面的振源也非常多。由于現場振動激勵和振動響應并不是一一對應的關系，即使采用經典的特征法進行診斷，也只能得到一個小范圍的故障集。為了更準確的找到激勵源，需要不斷的通過排除法完成。

1 振動故障描述

沙河抽水蓄能電站2 號機組經A 修后進入整組調試階段。在機組啟動過程中，上導Y 方向擺度通頻幅值最高達到了604 μm，是X 方向擺度的兩倍左右，究其原因，主要是高頻振動導致。該測點空轉工況下典型波形見圖1。

圖1 空轉工況上導X、Y 方向擺度波形

由于該工況下機組水力特性影響，水導擺度因存在高頻成分導致過大，當時認為上導Y 方向擺度過大也是因為水力特性影響所致，待負荷穩定在額定工況附近運行，就可以消失，因此，就沒有對其進行過多關注。由于機組軸系的不平衡量也比較大，所以選擇了首先進行動平衡試驗。動平衡試驗結束后，空轉工況下該機組上導擺度一倍頻由220 μm降至130 μm 左右，但上導Y 方向擺度通頻幅值仍然達到500 μm，而X 方向擺度通頻幅值只有210 μm 左右。

動平衡結束后，對升速過程中的上導Y 方向和水導擺度波形進行了分析，發現兩者頻率成分在轉速不同的時候不一致——剛開始兩者出現高倍頻成分時，都是以特征頻率21X 為主（見圖2），水導擺度高頻成分隨著轉速變化而變化，始終是轉速的21 倍頻，而上導Y 方向擺度的高頻成分是固定的，始終為84 Hz 左右（見圖3）。到了額定轉速300 r/min 后，水導擺度21X 特征頻率已不再出現，但上導Y 方向擺度仍然存在84 Hz 的高倍頻成分（見圖4）。

圖2 轉速為240 r/min 時水導、上導擺度波形及頻譜圖

圖3 轉速為276 r/min 時上導和水導擺度波形及頻譜圖

圖4 轉速為300 r/min 時上導和水導擺度波形及頻譜圖

2 振動故障診斷過程

2.1 原因初步分析

機組升速過程中，上導Y 方向擺度高頻成分始終在84 Hz 左右，與機組的水力特性特征頻率不一致，而且該頻率成分只出現在Y 方向，上導X 方向并沒有，因此懷疑該頻率為上導Y 方向特有，并不是轉子傳過來。由于每部導瓦處的擺度成對設置，鑒于這種只有單一測點才有的特殊頻率成分，首先認為上導Y 方向擺度高頻振動來自于該測點本身，要么是傳感器有問題，要么是該測點支架松動，或者是該測點某部位產生的受迫振動或局部共振。

因傳感器在該機組整組調試之前已經通過現場校驗，無缺陷，因此排除傳感器本身的問題。若傳感器支架松動，則主要產生一倍頻和支架固有頻率的成分。一倍頻不屬高倍頻，但支架的固有頻率相對于轉頻，要高得多，因此這是一個懷疑對象。如果是該測點傳感器固定部位產生受迫振動，但這種高頻振動源在哪里，以及是否持續，需要繼續查找。如果是該測傳感器支架或者支架的固定部件產生了局部共振，那振源在哪里，以及傳感器支架或者支架固定部件的固有頻率是否與84 Hz 接近，這也需要去排查。

機組停機期間，對上導Y 方向擺度傳感器支架進行了檢查，其固定螺栓和支架本身均正常（見圖5），因此排除支架松動的可能。從圖5 可以看出，該傳感器支架是通過螺栓固定在上導油盆端蓋上，上導油盆端蓋如果產生受迫振動或者局部共振，那上導X 方向擺度也應該產生高頻的振動，因此該測點傳感器固定部件應該沒有高頻振動產生。最后只剩傳感器安裝支架。

圖5 上導Y 方向擺度傳感器安裝支架及結構圖

上導Y 方向擺度傳感器支架結構尺寸見圖5，材質為Q235。采用有限元對其模態進行計算。

2.2 支架模態分析

一般來說網格劃分對有限元計算結果影響較大[2]。由于該傳感器支架相對簡單，無急劇變化，故該有限元模型網格密度的大小與求解結果關系不大。為驗證網格無關性，選擇支架有限元網格單元數分別為5 萬、10 萬、15 萬和20 萬個進行計算。圖6 給出了該支架的有限元網格模型，表1 是采用不同單元數求解的前三階固有頻率比較，圖7 是有限元求解的前三階振型圖。從表1 計算結果可以看出，無論用多少單元數，其一階固有頻率都在89 Hz 左右，說明每階的固有頻率計算結果可靠。圖7 振型表明其一階振型是以螺絲孔為固定點沿紙面法向來回擺動；二階振型是頭部沿紙面法向來回擺動；三階振型是在彎曲處呈來回扭轉運動。

表1 網格無關性驗證

圖6 傳感器支架有限元網格模型

圖7 一階振擺振型

2.3 原因深入分析

從計算結果來看，該傳感器支架的水平橫向固有頻率約為89 Hz，考慮計算誤差，真實固有頻率與機組試驗期間上導Y 方向擺度高頻成分接近，由于工程上為避免產生共振現象要求任何激勵源的頻率必須避開設備固有頻率±10%[3]。因此，上導Y 方向擺度高頻成分來自該傳感器支架的共振。由于該機組在正常運行過程中，并不存在84 Hz 左右持續激勵源，推論該激勵源最大可能來自于沖擊。

對于沖擊振動，由于其在時域上是脈沖譜，經過FFT 變換，在頻域中將是一個連續譜。作為旋轉機械的一種，抽水蓄能機組在運行過程中，動靜部位一旦存在某種缺陷，比如間隙過小或者晃動過大等就有可能發生碰摩。工程上的碰摩，在信號分析過程中，可以等同于沖擊脈沖信號。因此將尋找激勵源的方向轉為動靜碰摩方面。由于機組運行過程中，上導瓦溫度、油溫均正常，可以排除軸頸與上導瓦碰撞的可能。

考慮到上導Y 方向擺度傳感器支架是通過螺絲固定在上導油盆端蓋上，要激起支架的局部共振，需較大沖擊力，上導油盆里充放潤滑油，一般小的碰擦很難傳遞出來，因此，油盆內部碰擦暫不考慮。對上導油盆結構進行了分析，發現最有可能發生沖擊力的地方是上導油盆底防油霧擋油環（見圖8）。根據設計要求，該擋油環與大軸間隙為0.5±0.05 mm，若安裝不當，有可能產生碰擦。

圖8 推力及上導混合油盆結構圖

對上導油盆底部防油霧擋油環進行檢查，發現靠近上導Y 方向擺度底部附近擋油環與大軸間隙為0.45 mm 左右，另外，在和擋油環齒環同一高度的大軸表面上有一個凹坑，同時凹坑四周有凸點（見圖9）。2 號機組上導Y 方向擺度高頻振動很有可能是大軸旋轉時，其表面凹坑周邊的凸點沖擊到了間隙比較小的擋油環，而擋油環是高分子硬樹脂材料，當它受到沖擊時將其受到的沖擊力傳遞給油盆蓋。由于該撞擊點剛好在上導Y 方向傳感器下部，因此，該沖擊力能夠很好的在上導Y 方向傳感器支架得到反應。將該傳感器支架最容易激起的一階振型激起，導致該支架振動被放大，于是在對機組上導擺度進行監測時，由于支架自身產生了振動，使得上導Y方向擺度幅值偏大。

圖9 上導油盆底部密封圈與軸表面凹坑

另外一個現象也可以佐證上導Y 方向擺度高頻成分來自于大軸表面凹坑周邊的硬塊凸起對擋油環的沖擊。機組在上升過程中，自機組開始旋轉后，上導Y 方向擺度幅值開始與X 方向不一致，出現了高頻成分而產生非常大的擺度，該現象一直持續到轉速超過120 r/min 后，高倍成分減小擺度幅值逐漸降低；當轉速繼續上升至210 r/min 時，高頻成分又出現，且幅值又開始增加該現象持續到轉速達到額定值300 r/min，具體見表2。

表2 機組升速過程中上導擺度

從表2 中可以看出，上導Y 方向擺度通頻幅值過大主要是因為其84 Hz 左右的高頻成分所致，而且在升速過程中不是一直都有。由于機組升速過程中，因水推力原因轉軸與機架在軸向會發生相對位移，當凹坑周邊的凸起硬塊與密封的齒環在同一高度時，因為間隙小就會發生碰撞；當凹坑周邊的凸起硬塊與密封的凹環不在同一高度時，就不再發生碰撞。這也從另一個方面印證了大軸表面的那個凹坑周邊凸起硬塊與間隙過小是引起上導Y 方向擺度幅值過大的原因。

3 振動故障處理及結果

基于以上分析，決定對大軸表面凹坑周邊的凸起硬塊打磨并將上導油盆底部防油霧擋油環間隙重新調整至設計值0.5 mm，重新啟機至額定轉速過程中，上導Y 方向擺度幅值與X 方向相差不大，空轉工況下通頻幅值均為200 μm 左右，84 Hz 左右的高頻成分消失（見圖10），該機組上導擺度恢復正常。

圖10 處理后上導X 和Y 方向擺度波形及頻譜

4 結語

引起機組振動原因較多，常規特征診斷法對于現場疑難雜癥難以奏效。結合沙河抽水蓄能機組檢修后調試的實際情況，通過排除法將故障范圍縮小；再根據機組特性，將故障范圍繼續縮小；然后再將模態分析與現場測試結果互相印證，進行有效推理，最終鎖定故障原因。該思路可為類似機組的局部共振現場故障診斷提供參考。

參考文獻：

[1] 王青華，楊天海，沈潤杰，等．抽水蓄能機組振動故障診斷專家系統[J]．振動與沖擊，2012，31（7）：158-161,

[2] 古松． 網格劃分方式及密度對有限元模型計算結果的影響[J]．中國水運(學術版),2006, (10): 122-123．

[3] Centrifugal pumps for petroleum,petrochemical and natural gas industries：ISO13709-2009 [S]．