姜明利,莊堅(jiān)菱,楊躍超,孫銘君
(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京100048;2.福建仙游抽水蓄能有限公司,福建 仙游351267)
仙游抽水蓄能電站位于福建仙游縣西苑鄉(xiāng)境內(nèi),是福建省第一座大型抽水蓄能電站,總裝機(jī)容量1200MW,設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量18.96億kW·h。安裝4臺單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動機(jī)組,設(shè)計(jì)年發(fā)電量18.96億kW·h,年抽水電量25.28億kW·h,年發(fā)電利用小時數(shù)1580h,具有周調(diào)節(jié)能力。工程樞紐建筑物主要包括上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫和開關(guān)站等。引水系統(tǒng)采用一管二機(jī)的布置型式,其中單條引水隧洞總長約1147.8m。尾水系統(tǒng)亦采用一洞二機(jī)的布置型式,單條尾水隧洞長約1104.4m。仙游電站也是國內(nèi)首家全部使用高水頭、高轉(zhuǎn)速國產(chǎn)化機(jī)組的抽水蓄能電站,機(jī)組完全由我國自行研究、設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試。
電站機(jī)組運(yùn)行過程中,存在不同程度的機(jī)組和廠房以及輸水管道環(huán)境區(qū)域振動問題,對電站安全穩(wěn)定運(yùn)行以及對周邊環(huán)境和老百姓的生產(chǎn)生活或多或少產(chǎn)生一定的影響。
本文結(jié)合電站機(jī)組的運(yùn)行測試和試驗(yàn)數(shù)據(jù),對機(jī)組水輪機(jī)頂蓋的振動情況進(jìn)行整理和分析,以便了解電站機(jī)組水輪機(jī)頂蓋振動的特性和特點(diǎn),為分析機(jī)組、廠房以及引水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境的振動分析提供數(shù)據(jù)支持。
2017年9月24日~30日,中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)合電站3號機(jī)組A修,進(jìn)行了機(jī)組變參數(shù)工況的機(jī)組穩(wěn)定性和廠房振動測試,測試工況包括變轉(zhuǎn)速、變勵磁和變負(fù)荷試驗(yàn)。
2018年6月22日~29日,結(jié)合電站廠房振動測試,進(jìn)行了水輪機(jī)頂蓋振動和水導(dǎo)擺度,以及壓力脈動試驗(yàn)。
仙游水泵水輪機(jī)主要參數(shù)見表1。
表1 仙游水泵水輪機(jī)主要性能指標(biāo)及參數(shù)
機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min,轉(zhuǎn)頻為7.14Hz,葉片過流頻率為64.29Hz,2倍葉片過流頻率為128.58Hz。
在水輪機(jī)頂蓋上布置3個振動測點(diǎn):在+X方向頂蓋水平振動測點(diǎn)和垂直振動測點(diǎn)各1個,在+Y方向布置頂蓋水平振動測點(diǎn)1個。
同時在水輪層布置2個大軸擺度傳感器:在水輪機(jī)大軸軸領(lǐng)位置的水導(dǎo)油槽蓋板上+X、+Y 2個方向各布置1個電渦流傳感器。
根據(jù)現(xiàn)場情況,壓力脈動測點(diǎn)如下:蝸殼進(jìn)口1個測點(diǎn)、活動導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前(無葉區(qū))2個測點(diǎn)、頂蓋下1個測點(diǎn)、尾水錐管進(jìn)口1個測點(diǎn),共5個測點(diǎn)。壓力脈動傳感器安裝在水輪機(jī)層水力測量盤的測壓管上。
測試工況主要包括變轉(zhuǎn)速工況、變勵磁工況、變負(fù)荷工況和抽水工況。每個工況都是在機(jī)組達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄,以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
變轉(zhuǎn)速工況:分別記錄在機(jī)組相對轉(zhuǎn)速為15%、20%、40%、50%、60%、80%、90%、100% 工況下的振動和擺度數(shù)據(jù)。
變勵磁工況:分別記錄機(jī)組在相對機(jī)端電壓為25%、50%、75%、100%工況下的振動和擺度數(shù)據(jù)。
變負(fù)荷工況:分別記錄機(jī)組在負(fù)荷為120MW、150MW、180MW、200MW、240MW、280MW、300MW工況下的振動和擺度數(shù)據(jù)。
抽水工況:記錄機(jī)組滿負(fù)荷(300MW)抽水工況下的振動和擺度數(shù)據(jù)。
對上述工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,形成如下的表格和趨勢曲線:
(1)變轉(zhuǎn)速工況
表2 不同轉(zhuǎn)速下的頂蓋振動及水導(dǎo)擺度
從表2、圖1、圖2可以看出,頂蓋振動幅值在相對轉(zhuǎn)速80%~100%時出現(xiàn)急劇增大的情況,并且三個方向的振動趨勢相同,在100%轉(zhuǎn)速時達(dá)到最大值。在100%轉(zhuǎn)速時,頂蓋振動偏大,水導(dǎo)擺度值也有些偏大。
圖1 頂蓋振動隨速度變化曲線
圖2 水導(dǎo)擺度隨速度變化曲線
水導(dǎo)擺度隨轉(zhuǎn)速的升高擺度逐漸變大,90%轉(zhuǎn)速下擺度值在合理的運(yùn)行范圍內(nèi),但在100%轉(zhuǎn)速時,擺度值偏大。
(2)變勵磁工況
表3 不同機(jī)端電壓下的頂蓋振動及水導(dǎo)擺度
圖3 頂蓋振動隨勵磁變化曲線
圖4 水導(dǎo)擺度隨勵磁變化曲線
在變勵磁工況下,水輪機(jī)頂蓋的振動情況看,頂蓋三個方向的振動幅值,隨勵磁的變化,基本沒有大的變動,說明磁拉力情況較好,不平衡磁拉力較小;水導(dǎo)擺度值隨勵磁變化,變化很小,基本不受勵磁的影響。
整個變勵磁工況,頂蓋的振動總體偏大,水導(dǎo)擺度值總體偏大。
(3)變負(fù)荷工況
表4 不同負(fù)荷下的頂蓋振動和水導(dǎo)擺度
圖5 頂蓋振動隨負(fù)荷變化曲線
圖6 水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷變化曲線
由表4、圖5、圖6可以看出:
1)變負(fù)荷工況下,頂蓋振動混頻幅值表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律,振動幅值在150MW附近出現(xiàn)局部極值,然后逐漸減少,在大負(fù)荷工況區(qū)出現(xiàn)小幅度的上揚(yáng)。測點(diǎn)均處于合理的運(yùn)行范圍(A/B區(qū)域)這種變化規(guī)律也是抽水蓄能機(jī)組的典型表現(xiàn)。
2)隨負(fù)荷增加,水導(dǎo)擺度均呈現(xiàn)下降趨勢,小負(fù)荷區(qū)域擺度較大,測點(diǎn)均處于合理運(yùn)行范圍(A/B區(qū)域)。機(jī)組水輪機(jī)水導(dǎo)擺度總體性態(tài)良好,機(jī)組水輪機(jī)擺度均在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的范圍內(nèi)。
3)機(jī)組發(fā)電工況,頂蓋振動數(shù)值總體良好,水導(dǎo)擺度數(shù)值總體良好。
振動和擺度的評價標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)如下:
1)額定轉(zhuǎn)速428.6r/min時,振動(擺度)位移峰峰值:A/B為 143μm,B/C為 239μm,C/D 為473μm;振動速度均方根值(RMS):A/B 為1.6mm/s,B/C為2.5mm/s,C/D 為 4.0mm/s。
2)根據(jù)GB/T11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定》第五部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組,關(guān)于振動(擺度)區(qū)域的評價如下:
大區(qū)A-B:振動在此大區(qū)內(nèi)的機(jī)器被認(rèn)為可以無限制長期運(yùn)行;
大區(qū)C-D:振動值在此大區(qū)內(nèi)的機(jī)器具有較高的振幅,在每種情況下,必須考慮具體的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件,判別振動值是否允許長期連續(xù)運(yùn)行。在所有工況下,需要通過比較軸的相對振動值與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)徑向間隙和油膜厚度來做出評價。
3)根據(jù)GB/T 6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機(jī)器的機(jī)械振動》第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組,關(guān)于振動區(qū)域的評價如下:
區(qū)域A:新交付使用的機(jī)器的振動通常應(yīng)在此區(qū)域內(nèi);
區(qū)域B:通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)器可以無限制的長期運(yùn)行;
區(qū)域C:通常認(rèn)為振動在此區(qū)域的機(jī)器不宜長期持續(xù)運(yùn)行。一般來說,在有適當(dāng)機(jī)會采取補(bǔ)救措施后,機(jī)器在這種狀態(tài)下可以運(yùn)行有限的一段時間;
區(qū)域D:通常認(rèn)為在此區(qū)域的振動已經(jīng)非常嚴(yán)重,足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。
表5 不同負(fù)荷下測點(diǎn)頻率
表5的頻率分析看出,在小負(fù)荷區(qū)域(1/4~1/3額定負(fù)荷區(qū)域)水導(dǎo)擺度為2.5Hz,該頻率為機(jī)組水輪機(jī)尾水管內(nèi)渦帶頻率,說明水導(dǎo)擺度受到水輪機(jī)尾水管中渦帶的影響,其他負(fù)荷情況下,水導(dǎo)擺度頻率為7.1Hz(機(jī)組轉(zhuǎn)頻),這種頻率的變化,符合水泵水輪機(jī)一般運(yùn)行的規(guī)律。
頂蓋振動的頻率主頻都是128.5Hz,為機(jī)組水輪機(jī)葉片過流頻率的2倍,這是機(jī)組動靜干涉的結(jié)果,這也符合水泵水輪機(jī)一般運(yùn)行的規(guī)律(見圖7)。
變負(fù)荷試驗(yàn)工況,上庫水位731.97m,下庫水位283.83m,毛水頭448.14m(試驗(yàn)過程,水位變化不大)。
圖7 不同負(fù)荷下的頂蓋振動頻譜圖
表6 壓力脈動隨負(fù)荷變化/kPa
表7 相對壓力脈動隨負(fù)荷變化/%
圖8 壓力脈動隨機(jī)組負(fù)荷變化曲線
根據(jù)表6、表7以及圖8可以看出,機(jī)組各測點(diǎn)壓力脈動幅值以及壓力脈動相對值都比較正常,脈動數(shù)值在合理的范圍,能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的要求。
選取變負(fù)荷和抽水工況下的擺度、振動及壓力脈動的主要頻譜成分進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)列表如表8。
表8 負(fù)荷工況下各測點(diǎn)主頻/Hz
從表8的數(shù)據(jù),可以看出:
(1)水導(dǎo)擺度在小負(fù)荷工況下,擺度主頻2.5~2.6Hz,這是水輪機(jī)渦帶頻率的表現(xiàn);其他工況下,水導(dǎo)擺度主頻7.1Hz,為機(jī)組轉(zhuǎn)頻;
(2)水輪機(jī)頂蓋振動的主頻是128.6Hz,是機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2倍;
(3)蝸殼進(jìn)口壓力脈動主頻是128.6Hz,是機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2倍;
(4)尾水錐管進(jìn)口和頂蓋下壓力脈動在小負(fù)荷工況主頻是2.5~2.6Hz,這是水輪機(jī)渦帶頻率的表現(xiàn);其他工況下主頻基本為轉(zhuǎn)頻;
(5)無葉區(qū)壓力脈動的主要頻率是64.3Hz、128.6Hz以及7.1Hz,是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率、2倍葉片通流頻率,以及機(jī)組轉(zhuǎn)頻;
(6)水輪機(jī)頂蓋振動和壓力脈動信號中存在比較明顯的128.5Hz成分,是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動靜干涉影響的結(jié)果。
在負(fù)荷試驗(yàn)過程中,我們還在水輪機(jī)室進(jìn)人門及尾水管進(jìn)人門處,距離進(jìn)人門1m,距離地面1m的位置,布置2個噪聲傳感器,對這2個地方的噪聲進(jìn)行測試,數(shù)據(jù)情況如表9。
表9 噪音數(shù)據(jù)及頻率表格
從表9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,機(jī)組在各個試驗(yàn)工況水輪機(jī)進(jìn)人門處的噪聲均比尾水管進(jìn)人門處的噪聲大,抽水工況噪音比發(fā)電工況噪音偏小,機(jī)組運(yùn)行過程中整體噪聲水平偏高。
對噪聲頻譜(圖9)分析可以看出,各個試驗(yàn)工況(不同負(fù)荷發(fā)電工況和抽水工況)噪聲的主要頻率都是128.5Hz,為2倍的機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率。
圖9 噪聲頻譜圖
試驗(yàn)中,同時對廠房水輪機(jī)層樓板、母線層樓板,以及水輪機(jī)層和母線層之間的立柱、樓梯等安裝振動傳感器,測試結(jié)果表明,機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電工況下,無論是廠房局部結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移響應(yīng),其主頻均為128.5Hz,為2倍的機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率。
整個試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出,頂蓋的振動在100%轉(zhuǎn)速和變勵磁情況下振動數(shù)值偏大,水導(dǎo)擺度在100%轉(zhuǎn)速和變勵磁情況下擺度值偏大,但是在整個負(fù)荷工況的振動數(shù)值均在A區(qū),頂蓋振動狀態(tài)良好,水導(dǎo)擺度在整個負(fù)荷工況擺度值均在A區(qū)和B區(qū),水導(dǎo)擺度狀態(tài)良好。
壓力脈動情況,在整個負(fù)荷工況,壓力脈動數(shù)值整體良好,均在合理的范圍內(nèi)。
變負(fù)荷工況的頻率分析,可以看出,在小負(fù)荷運(yùn)行時,頂蓋的振動和水導(dǎo)擺度會受到尾水管內(nèi)渦帶的影響。
在變負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的大部分區(qū)域,水輪機(jī)頂蓋振動、蝸殼進(jìn)口壓力脈動、頂蓋下壓力脈動主頻都是128.5Hz,為2倍的水輪機(jī)葉片通流頻率;廠房局部結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移響應(yīng),其主頻均為128.5Hz,為2倍的機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率;水輪機(jī)進(jìn)人門及尾水管進(jìn)人門處的噪聲,主頻也是128.5Hz,為2倍的機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率。
充分表明廠房結(jié)構(gòu)的主要振源、噪聲的振源、以及頂蓋振動的振源,均為機(jī)組流道內(nèi)的脈動壓力,尤其是2倍葉片過流頻率成份的脈動壓力。