姜明利，莊堅(jiān)菱，楊躍超，孫銘君

（1.中國(guó)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）

1 前言

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(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動(dòng)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(shí)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(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫(kù)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(zhǎng)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(zhǎng)約1104.4m。仙游電站也是國(guó)內(nèi)首家全部使用高水頭、高轉(zhuǎn)速國(guó)產(chǎn)化機(jī)組的抽水蓄能電站，機(jī)組完全由我國(guó)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(guò)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(dòng)問(wèn)題，對(duì)電站安全穩(wěn)定運(yùn)行以及對(duì)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(cè)試和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組水輪機(jī)頂蓋的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)分析提供數(shù)據(jù)支持。

2017年9月24日～30日，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)合電站3號(hào)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(dòng)測(cè)試，測(cè)試工況包括變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)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(dòng)測(cè)試，進(jìn)行了水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)和水導(dǎo)擺度，以及壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。

2 電站主要參數(shù)

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(guò)流頻率為64.29Hz，2倍葉片過(guò)流頻率為128.58Hz。

3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試工況

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

在水輪機(jī)頂蓋上布置3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)：在+X方向頂蓋水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和垂直振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)，在+Y方向布置頂蓋水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1個(gè)。

同時(shí)在水輪層布置2個(gè)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(gè)方向各布置1個(gè)電渦流傳感器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)如下：蝸殼進(jìn)口1個(gè)測(cè)點(diǎn)、活動(dòng)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前（無(wú)葉區(qū)）2個(gè)測(cè)點(diǎn)、頂蓋下1個(gè)測(cè)點(diǎn)、尾水錐管進(jìn)口1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)。壓力脈動(dòng)傳感器安裝在水輪機(jī)層水力測(cè)量盤的測(cè)壓管上。

3.2 測(cè)試工況

測(cè)試工況主要包括變轉(zhuǎn)速工況、變勵(lì)磁工況、變負(fù)荷工況和抽水工況。每個(gè)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(duì)轉(zhuǎn)速為15%、20%、40%、50%、60%、80%、90%、100% 工況下的振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)。

變勵(lì)磁工況：分別記錄機(jī)組在相對(duì)機(jī)端電壓為25%、50%、75%、100%工況下的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)和擺度數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 不同工況下，頂蓋振動(dòng)及水導(dǎo)擺度變化情況

對(duì)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(shì)曲線：

（1）變轉(zhuǎn)速工況

表2 不同轉(zhuǎn)速下的頂蓋振動(dòng)及水導(dǎo)擺度

從表2、圖1、圖2可以看出，頂蓋振動(dòng)幅值在相對(duì)轉(zhuǎn)速80%～100%時(shí)出現(xiàn)急劇增大的情況，并且三個(gè)方向的振動(dòng)趨勢(shì)相同，在100%轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大值。在100%轉(zhuǎn)速時(shí)，頂蓋振動(dòng)偏大，水導(dǎo)擺度值也有些偏大。

圖1 頂蓋振動(dòng)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(shí)，擺度值偏大。

（2）變勵(lì)磁工況

表3 不同機(jī)端電壓下的頂蓋振動(dòng)及水導(dǎo)擺度

圖3 頂蓋振動(dòng)隨勵(lì)磁變化曲線

圖4 水導(dǎo)擺度隨勵(lì)磁變化曲線

在變勵(lì)磁工況下，水輪機(jī)頂蓋的振動(dòng)情況看，頂蓋三個(gè)方向的振動(dòng)幅值，隨勵(lì)磁的變化，基本沒(méi)有大的變動(dòng)，說(shuō)明磁拉力情況較好，不平衡磁拉力較小；水導(dǎo)擺度值隨勵(lì)磁變化，變化很小，基本不受勵(lì)磁的影響。

整個(gè)變勵(lì)磁工況，頂蓋的振動(dòng)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(dòng)和水導(dǎo)擺度

圖5 頂蓋振動(dòng)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(dòng)混頻幅值表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，振動(dòng)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(cè)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(shì)，小負(fù)荷區(qū)域擺度較大，測(cè)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(dòng)數(shù)值總體良好，水導(dǎo)擺度數(shù)值總體良好。

振動(dòng)和擺度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)如下：

1）額定轉(zhuǎn)速428.6r/min時(shí)，振動(dòng)（擺度）位移峰峰值：A/B為 143μm，B/C為 239μm，C/D 為473μm；振動(dòng)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(dòng)的測(cè)量和評(píng)定》第五部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組，關(guān)于振動(dòng)（擺度）區(qū)域的評(píng)價(jià)如下：

大區(qū)A-B：振動(dòng)在此大區(qū)內(nèi)的機(jī)器被認(rèn)為可以無(wú)限制長(zhǎng)期運(yùn)行；

大區(qū)C-D：振動(dòng)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(dòng)值是否允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。在所有工況下，需要通過(guò)比較軸的相對(duì)振動(dòng)值與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)徑向間隙和油膜厚度來(lái)做出評(píng)價(jià)。

3）根據(jù)GB/T 6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)》第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組，關(guān)于振動(dòng)區(qū)域的評(píng)價(jià)如下：

區(qū)域A：新交付使用的機(jī)器的振動(dòng)通常應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)；

區(qū)域B：通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)器可以無(wú)限制的長(zhǎng)期運(yùn)行；

區(qū)域C：通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域的機(jī)器不宜長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，在有適當(dāng)機(jī)會(huì)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(shí)間；

區(qū)域D：通常認(rèn)為在此區(qū)域的振動(dòng)已經(jīng)非常嚴(yán)重，足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。

4.2 不同負(fù)荷情況下的頻率情況

表5 不同負(fù)荷下測(cè)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(shuō)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(dòng)的頻率主頻都是128.5Hz，為機(jī)組水輪機(jī)葉片過(guò)流頻率的2倍，這是機(jī)組動(dòng)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）。

4.3 壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化情況

變負(fù)荷試驗(yàn)工況，上庫(kù)水位731.97m，下庫(kù)水位283.83m，毛水頭448.14m（試驗(yàn)過(guò)程，水位變化不大）。

圖7 不同負(fù)荷下的頂蓋振動(dòng)頻譜圖

表6 壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化/kPa

表7 相對(duì)壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化/%

圖8 壓力脈動(dòng)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(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值以及壓力脈動(dòng)相對(duì)值都比較正常，脈動(dòng)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。

4.4 壓力脈動(dòng)頻譜分析

選取變負(fù)荷和抽水工況下的擺度、振動(dòng)及壓力脈動(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)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(dòng)和壓力脈動(dòng)信號(hào)中存在比較明顯的128.5Hz成分，是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)靜干涉影響的結(jié)果。

4.5 噪聲測(cè)試

在負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)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(gè)噪聲傳感器，對(duì)這2個(gè)地方的噪聲進(jìn)行測(cè)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(gè)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(guò)程中整體噪聲水平偏高。

對(duì)噪聲頻譜（圖9）分析可以看出，各個(gè)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

4.6 廠房振動(dòng)

試驗(yàn)中，同時(shí)對(duì)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(dòng)傳感器，測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電工況下，無(wú)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。

5 結(jié)論

整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，頂蓋的振動(dòng)在100%轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁情況下振動(dòng)數(shù)值偏大，水導(dǎo)擺度在100%轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁情況下擺度值偏大，但是在整個(gè)負(fù)荷工況的振動(dòng)數(shù)值均在A區(qū)，頂蓋振動(dòng)狀態(tài)良好，水導(dǎo)擺度在整個(gè)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(dòng)情況，在整個(gè)負(fù)荷工況，壓力脈動(dòng)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(shí)，頂蓋的振動(dòng)和水導(dǎo)擺度會(huì)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(dòng)、蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)、頂蓋下壓力脈動(dòng)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(dòng)的振源，均為機(jī)組流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力，尤其是2倍葉片過(guò)流頻率成份的脈動(dòng)壓力。