唐擁軍，樊玉林

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161）

1 研究背景

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚(yú)鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距石家莊市區(qū)距離為53 km，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的抽水蓄能機(jī)組，電站接入河北南網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。自機(jī)組投入運(yùn)行后，電站廠房樓板一直存在著強(qiáng)烈的振動(dòng)并伴有高頻噪聲，這不僅對(duì)廠房結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用，還可能會(huì)影響儀器設(shè)備的正常運(yùn)行、導(dǎo)致設(shè)備損壞和錯(cuò)誤動(dòng)作，對(duì)設(shè)備安全存在很大的隱患。后來(lái)在經(jīng)過(guò)詳盡的測(cè)試分析和有限元仿真計(jì)算后，確認(rèn)是水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)造成了局部廠房結(jié)構(gòu)的共振，考慮到改變廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率很困難以及現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)較大，于是決定采用更換轉(zhuǎn)輪的方式來(lái)消除過(guò)大的廠房振動(dòng)。轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不變，通過(guò)減小無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的幅值即激振能量的方式來(lái)消除過(guò)大的廠房振動(dòng)。2017年首臺(tái)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的更換。在轉(zhuǎn)輪更換改造后進(jìn)行了相關(guān)調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)廠房振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題得到成功解決，不過(guò)在準(zhǔn)備甩75%負(fù)荷試驗(yàn)的升負(fù)荷過(guò)程出現(xiàn)了異常振動(dòng)和嗡嗡蜂鳴聲。常規(guī)混流式水輪機(jī)曾多次出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似現(xiàn)象，例如云南大朝山和三峽右岸電站等，機(jī)組在一定負(fù)荷區(qū)間也出現(xiàn)異常振動(dòng)和高頻蜂鳴聲，后經(jīng)診斷為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊卡門(mén)渦頻率與轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率相近而誘發(fā)的共振現(xiàn)象[1-3]，這威脅機(jī)組的安全。為快速故障定位及制定下一步調(diào)試試驗(yàn)工作計(jì)劃，需及時(shí)對(duì)出現(xiàn)異常振動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行分析。本文對(duì)出現(xiàn)的異常振動(dòng)現(xiàn)象在時(shí)域、頻域及時(shí)頻聯(lián)合進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)后續(xù)處理的效果進(jìn)行了介紹。

2 機(jī)組調(diào)試

2.1 機(jī)組基本參數(shù)機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)

2.2 甩負(fù)荷試驗(yàn)簡(jiǎn)介甩負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)康闹皇怯脕?lái)檢查過(guò)渡過(guò)程的水力特性是否滿足合同要求，此外檢查甩負(fù)荷過(guò)程是否存在異常振動(dòng)現(xiàn)象。主要關(guān)注參數(shù)有機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率和尾水管真空等[4-5]。

3號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置有有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開(kāi)度、球閥開(kāi)度、蝸殼進(jìn)口壓力、無(wú)葉區(qū)壓力、頂蓋壓力、轉(zhuǎn)輪出口壓力、尾水管壓力、三部導(dǎo)軸承處主軸擺度、機(jī)組振動(dòng)等。

甩負(fù)荷試驗(yàn)按照甩25%、50%、75%和100%額定負(fù)荷的順序進(jìn)行。甩25%與50%額定負(fù)荷過(guò)程未出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，而在上庫(kù)水位804.1 m，下庫(kù)水位472.3 m，毛水頭331.8 m條件下，準(zhǔn)備進(jìn)行甩75%負(fù)荷試驗(yàn)的升負(fù)荷過(guò)程中出現(xiàn)了異常振動(dòng)現(xiàn)象，詳細(xì)情況如下所述。

2.3 異常振動(dòng)現(xiàn)象3號(hào)機(jī)組先在100 MW負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行了一段時(shí)間，然后升負(fù)荷準(zhǔn)備進(jìn)行甩75%負(fù)荷試驗(yàn)，當(dāng)負(fù)荷升至180 MW穩(wěn)定一段時(shí)間后出現(xiàn)了異常振動(dòng)和嗡嗡蜂鳴聲，在180MW負(fù)荷觀察近兩分鐘時(shí)間，隨后降負(fù)荷至100 MW左右，為了確認(rèn)當(dāng)前水頭下異常振動(dòng)出現(xiàn)的負(fù)荷點(diǎn)及大致負(fù)荷范圍，再次緩慢升負(fù)荷（考慮到180 MW負(fù)荷振動(dòng)劇烈，升負(fù)荷未超過(guò)180 MW），當(dāng)負(fù)荷升至170 MW穩(wěn)定一段時(shí)間后再次出現(xiàn)了異常振動(dòng)和噪聲。升降負(fù)荷過(guò)程有功功率與壓力量時(shí)域變化波形如圖1所示，可見(jiàn)從120 MW緩慢升負(fù)荷的過(guò)程中，壓力脈動(dòng)先隨著負(fù)荷的增大而減小，在負(fù)荷大于160 MW后壓力脈動(dòng)出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)增大幅度最為明顯。頂蓋水平與垂直振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)如圖2所示，在160 MW、170 MW和180 MW的3個(gè)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷工況點(diǎn)均出現(xiàn)了振動(dòng)突然增大的現(xiàn)象，且180 MW負(fù)荷工況振動(dòng)最為強(qiáng)烈，其中頂蓋水平振動(dòng)有效值為2.3 mm/s，頂蓋垂直振動(dòng)有效值為4.8 mm/s，于是停機(jī)對(duì)上述升降負(fù)荷過(guò)程信號(hào)進(jìn)行分析。

圖1 升降負(fù)荷過(guò)程有功功率與壓力量時(shí)域變化波形

3 異常振動(dòng)問(wèn)題分析與處理

3.1 分析方法簡(jiǎn)介對(duì)異常振動(dòng)信號(hào)（包括壓力脈動(dòng)與機(jī)組振動(dòng)）進(jìn)行時(shí)域、頻域及時(shí)域聯(lián)合分析，得到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域幅值、頻域幅值譜和時(shí)頻聯(lián)合分布信息。結(jié)合機(jī)械、水力和電氣因素對(duì)抽蓄機(jī)組振動(dòng)的影響方式及特性，從而確定產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因。

3.2 異常振動(dòng)原因分析抽水蓄能機(jī)組的振動(dòng)主要由水力、機(jī)械和電氣三種因素共同作用而產(chǎn)生的[6]。上述異常振動(dòng)現(xiàn)象只在負(fù)荷大于160 MW后出現(xiàn)，由此可知不是機(jī)械和電氣因素引起的，而是水力因素造成的，且與過(guò)機(jī)流量存在關(guān)系。水力因素主要有尾水管渦帶、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪迷宮間隙壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉出口脫流、葉片過(guò)流不均以及卡門(mén)渦列等[7]，頻率成分表現(xiàn)為1/5～1/3倍轉(zhuǎn)頻（轉(zhuǎn)頻為333.3/60=5.55 Hz）、轉(zhuǎn)頻及其倍頻、葉片過(guò)流頻率（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=9×5.55=49.95 Hz）及其倍頻和導(dǎo)葉過(guò)流頻率（導(dǎo)葉數(shù)×轉(zhuǎn)頻=20×5.55=111.1 Hz）及其倍頻，卡門(mén)渦頻率不是定值，可用如下公式計(jì)算得到[8]：

圖2 升降負(fù)荷過(guò)程有功功率與頂蓋振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)

式中： f為卡門(mén)渦頻率；Sr為斯特勞哈數(shù)，對(duì)于混流式水輪機(jī)常取值0.22～0.25；v為卡門(mén)渦脫離處的相對(duì)流速；d為卡門(mén)渦脫離處的特征尺寸，通常為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的厚度加邊界層的厚度。

下面先對(duì)升降負(fù)荷過(guò)程中無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)與轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，如圖3和圖4所示，由圖3可知，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主要頻率成分為50 Hz的葉片過(guò)流頻率及其2倍和3倍頻，在100 MW～120MW負(fù)荷范圍還有比較雜亂的小于50 Hz的頻率成分。在發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，突然出現(xiàn)了202 Hz、196.5 Hz、152.2 Hz和168.8 Hz這4個(gè)異常頻率成分，且202 Hz幅值最大、196.5 Hz幅值次之。由圖4可知，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)主要頻率成分為25 Hz左右及其3倍、5倍和7倍頻以及100 Hz的2倍葉片過(guò)流頻率。在100 MW～120 MW負(fù)荷范圍還有比較雜亂的小于25 Hz的頻率成分。在發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，突然出現(xiàn)了202 Hz、196.5 Hz、163.2 Hz、152.2 Hz和168.8 Hz這5個(gè)異常頻率成分，且202Hz幅值最大、196.5 Hz幅值次之，這與無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)相一致。不過(guò)，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)中的202 Hz幅值比無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)中的要大，轉(zhuǎn)輪出口202 Hz分量幅值為0.12 MPa，無(wú)葉區(qū)的為0.046 MPa，這表明振源位于轉(zhuǎn)輪出口附近，很可能位于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊。

180 MW負(fù)荷工況，頂蓋水平與垂直振動(dòng)的頻域幅值譜如圖5所示，頂蓋水平與垂直振動(dòng)主要頻率成分也為202 Hz、196.5 Hz、152.2 Hz、168.8 Hz和163.2 Hz。這與轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)非常一致。

根據(jù)上述分析，可以判定異常振動(dòng)是由轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門(mén)渦頻率與轉(zhuǎn)輪的固有頻率相接近而引發(fā)的水力共振現(xiàn)象[9]。這對(duì)于160MW至180 MW之間非穩(wěn)態(tài)工況（運(yùn)行時(shí)間短，小于10秒）未出現(xiàn)異常振動(dòng)可以給出合理解釋?zhuān)嚎ㄩT(mén)渦頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率相近，卡門(mén)渦對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片做正功，由于時(shí)間短，做功能量未能激發(fā)共振，而此時(shí)負(fù)荷增大或減小，卡門(mén)渦頻率變化，相位也發(fā)生變化，使得做功方向發(fā)生變化，葉片上的振動(dòng)能量不增反減，從而未出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)時(shí)頻分布

圖4 轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)時(shí)頻分布

圖5 頂蓋振動(dòng)頻域幅值譜

為了進(jìn)一步證實(shí)上述分析判斷，后來(lái)在發(fā)生異常振動(dòng)的工況下進(jìn)行了高壓補(bǔ)氣測(cè)試，通過(guò)無(wú)葉區(qū)壓力測(cè)壓管路補(bǔ)氣后異常振動(dòng)消失，這是因?yàn)楦邏簹怏w對(duì)卡門(mén)渦形成了破壞作用。此外，轉(zhuǎn)輪制造廠家利用有限元計(jì)算了轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率，其中有兩階固有頻率與196.5 Hz和202 Hz相接近，如下圖6所示，最大振動(dòng)區(qū)域位于葉片出水邊中部。綜上可見(jiàn)上述分析判斷是正確的。

圖6 轉(zhuǎn)輪固有頻率計(jì)算結(jié)果

圖7 處理后頂蓋振動(dòng)頻域幅值譜

3.3 處理及效果后來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進(jìn)行了修型處理，修型后頂蓋振動(dòng)頻域幅值譜如下圖7所示，202 Hz與196.5 Hz異常振動(dòng)頻率成分幅值大幅減小，異常振動(dòng)現(xiàn)象消失。卡門(mén)渦誘發(fā)的共振問(wèn)題得到成功解決。

4 結(jié)論

（1）張河灣抽蓄電站3號(hào)機(jī)組在更換水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪后進(jìn)行了一系列的調(diào)試試驗(yàn)，在準(zhǔn)備甩75%負(fù)荷試驗(yàn)升負(fù)荷的過(guò)程中，出現(xiàn)了異常振動(dòng)和嗡嗡蜂鳴聲。異常振動(dòng)主要頻率成分為202 Hz和196.5 Hz，180 MW負(fù)荷工況振動(dòng)最為強(qiáng)烈，其中頂蓋水平振動(dòng)有效值達(dá)到了2.3 mm/s，頂蓋垂直振動(dòng)有效值達(dá)到了4.8 mm/s，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)分析異常振動(dòng)是轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門(mén)渦頻率與轉(zhuǎn)輪的固有頻率相接近而引發(fā)的水力共振現(xiàn)象，在對(duì)葉片出水邊進(jìn)行修型處理后，卡門(mén)渦共振問(wèn)題得到成功解決。

（2）張河灣抽蓄電站對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化改造后，過(guò)大廠房振動(dòng)和高頻噪聲問(wèn)題得到了成功解決，不過(guò)發(fā)生了卡門(mén)渦引發(fā)的水力共振現(xiàn)象，這在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外的抽水蓄能電站均為首次。這對(duì)大型水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)有著重要的借鑒作用。水泵水輪機(jī)具有運(yùn)行水頭高、轉(zhuǎn)速快和雙向旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，通過(guò)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低水壓脈動(dòng)從而提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，然而，應(yīng)注意避免發(fā)生卡門(mén)渦共振等次生問(wèn)題。

（3）對(duì)于過(guò)渡過(guò)程，采用時(shí)頻聯(lián)合分析非常具有優(yōu)越性，它可以直觀地顯示信號(hào)的時(shí)頻分布情況。抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁，工況轉(zhuǎn)換多，因此，對(duì)抽水蓄能機(jī)組而言，采用時(shí)域、頻域和時(shí)頻聯(lián)合分析是評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和診斷分析故障原因行之有效的方法。