張 楊，宋 軒，孫一然，劉國(guó)峰

（1.中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710065；2.河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000）

0 引言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市境內(nèi)，距電力負(fù)荷中心鄭州市和新鄉(xiāng)市直線距離分別為80 km和45 km。電站樞紐布置由上水庫(kù)、高壓輸水道、地下廠房、主變洞室、下水庫(kù)、尾閘洞及開(kāi)關(guān)站等組成。上水庫(kù)總庫(kù)容795.2萬(wàn)m3，發(fā)電有效庫(kù)容634.8萬(wàn)m3，正常蓄水位789.6 m，死水位758.0 m；下水庫(kù)總庫(kù)容6 750萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容620萬(wàn)m3，正常庫(kù)容5 509萬(wàn)m3，正常蓄水位260 m，死水位220 m。電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW，年發(fā)電量20.1億kW·h，年抽水用電量26.42億kW·h，綜合循環(huán)效率0.77。電站采用聯(lián)合單元接線，經(jīng)過(guò)4臺(tái)360 MVA變壓器升壓之后，由500 kV高壓電纜和地面500 kV GIS開(kāi)關(guān)站引出，接入河南電網(wǎng)，擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、填谷、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)，滿足河南省電力負(fù)荷快速增長(zhǎng)的需要。

1 引起機(jī)組振動(dòng)的因素及試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置

1.1 引起機(jī)組振動(dòng)的因素

從產(chǎn)生振動(dòng)的原因來(lái)看，水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)多為有阻尼受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)的振動(dòng)特性與干擾力的大小、方向、頻率密切相關(guān)。引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的干擾力不僅有來(lái)自于機(jī)組本身轉(zhuǎn)動(dòng)部分的不平衡力，還有來(lái)自水輪機(jī)過(guò)流部件的水壓力脈動(dòng)和水力不平衡，以及來(lái)自于發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力等，這種水力-機(jī)械-電氣三者干擾力的共同作用與相互影響，使機(jī)組振動(dòng)比一般的振動(dòng)更為復(fù)雜[1]。

引起機(jī)組振動(dòng)的水力振源主要有兩個(gè)，一是由于過(guò)流部件中流場(chǎng)的速度不均勻而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，是零部件振動(dòng)的激振源；二是水流流過(guò)某些繞流體后，脫流的旋渦所誘發(fā)的壓力脈動(dòng)成為振動(dòng)的激振源[2]。尾水管渦帶引起的振動(dòng)、卡門(mén)渦列誘發(fā)的振動(dòng)、葉道渦引起的水力不穩(wěn)定、導(dǎo)葉數(shù)和葉片數(shù)耦合引起的振動(dòng)、過(guò)渡過(guò)程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象引起的振動(dòng)等都屬于水力原因引起的振動(dòng)。

引起機(jī)組振動(dòng)的機(jī)械原因主要包括機(jī)組軸線不正或?qū)χ胁涣?、轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡與轉(zhuǎn)子的弓狀回旋、轉(zhuǎn)子的振擺與抖動(dòng)、導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不當(dāng)、機(jī)組軸系與支承結(jié)構(gòu)剛度不足、水輪機(jī)軸密封調(diào)整不當(dāng)、推力頭松動(dòng)和鏡板不平等[3]。

引起機(jī)組振動(dòng)的電磁原因主要是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子四周磁拉力不對(duì)稱。轉(zhuǎn)子不圓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不一致；定子繞組固定不良，在較高電磁負(fù)荷作用下使繞組及機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)；定子鐵心組合縫松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng)等都會(huì)引起機(jī)組的電磁振動(dòng)。另外，定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時(shí)引起的力，發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱工況下引起的力等也會(huì)引起電磁振動(dòng)[4]。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組的基本參數(shù)如表1所示。本文對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組各部位測(cè)點(diǎn)布置位置如下：

（1）振動(dòng)測(cè)點(diǎn)：上機(jī)架+X、+Y、+XZ方向，下機(jī)架+X、+Y、+XZ方向，頂蓋+X、+Y、+XZ方向各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（2）擺度測(cè)點(diǎn)：上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)的+X、+Y方向各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表1 4號(hào)機(jī)組基本參數(shù)

2 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果及分析

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)是指在機(jī)組無(wú)負(fù)荷，無(wú)勵(lì)磁的情況下，通過(guò)改變導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)改變機(jī)組轉(zhuǎn)速，測(cè)量各軸承的擺度幅值以及機(jī)架、頂蓋的振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速變化的情況。寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組在上庫(kù)水位為773.04 m，下庫(kù)水位為256.70 m，機(jī)組轉(zhuǎn)速分別為額定轉(zhuǎn)速（nr=500 r/min）的 60%、80%、90%、100%、102%的條件下進(jìn)行變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)各部振動(dòng)、擺度峰-峰值的結(jié)果如表2～5所示。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)各部振動(dòng)、擺度峰-峰值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖1～4所示。

表2 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值

表3 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值

由表2～5、圖1～4可以看出：隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大，機(jī)組的上機(jī)架振動(dòng)峰-峰值、下機(jī)架振動(dòng)峰-峰值、頂蓋振動(dòng)峰-峰值以及各部軸承擺度峰-峰值的增大幅度也逐漸增大，這符合水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的一般規(guī)律。在機(jī)組變轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)電磁力的影響，由于過(guò)機(jī)流量較小，產(chǎn)生的水流作用力也相對(duì)較小，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)主要受機(jī)械不平衡力的影響。

表4 頂蓋振動(dòng)峰峰值

圖1 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖2 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖3 頂蓋振動(dòng)峰峰值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖4 擺度峰峰值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3 變勵(lì)磁試驗(yàn)結(jié)果及分析

變勵(lì)磁試驗(yàn)是指在機(jī)組無(wú)負(fù)荷，保持額定轉(zhuǎn)速的情況下，改變勵(lì)磁電流，測(cè)量機(jī)組各部振動(dòng)和軸承擺度隨勵(lì)磁電流變化的情況。寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組在上庫(kù)水位為770.42 m，下庫(kù)水位為 257.06 m，勵(lì)磁電流分別為 460 A、530 A、766 A、1035 A的條件下進(jìn)行變勵(lì)磁試驗(yàn)。不同勵(lì)磁電流下機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋振動(dòng)峰-峰值和各部軸承擺度峰-峰值結(jié)果如表6～9所示；機(jī)組各部位振動(dòng)峰-峰值、擺度峰-峰值隨勵(lì)磁電流的變化趨勢(shì)如圖5～8所示。

表5 擺度峰峰值

表6 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值

表7 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值

表8 頂蓋振動(dòng)峰峰值

圖5 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值與勵(lì)磁電流的關(guān)系

圖6 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值與勵(lì)磁電流的關(guān)系

圖7 頂蓋振動(dòng)峰峰值與勵(lì)磁電流的關(guān)系

由表6～8可知：勵(lì)磁電流由460 A增大至1 035 A時(shí)，上機(jī)架+X向、+Y向、+XZ向振動(dòng)峰-峰值分別增大了 2 μm、3 μm、6 μm；下機(jī)架 +X 向、+Y向振動(dòng)峰-峰值分別增大了3 μm、1 μm，下機(jī)架+XZ向振動(dòng)峰-峰值減小了1 μm；頂蓋+Y向、+XZ向振動(dòng)峰 - 峰值分別增大了 5 μm、3 μm。由圖 5～7可知，隨著勵(lì)磁電流的增大，上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋各向振動(dòng)峰-峰值波動(dòng)并不是很大。

由表9可知，勵(lì)磁電流由460 A增大至1035 A時(shí)，上導(dǎo)+X向、+Y向擺度峰-峰值分別增大了1 μm、3 μm；下導(dǎo) +X 向、+Y向擺度峰 - 峰值分別增大了 28 μm、25 μm；水導(dǎo) +X 向擺度峰 - 峰值減小了9 μm，水導(dǎo)+Y向擺度峰-峰值減小了14 μm。由圖8可知，隨著勵(lì)磁電流的增大，擺度峰-峰值波動(dòng)并不是很大。

綜上所述，電磁不平衡力對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響很小。

圖8 擺度峰峰值與勵(lì)磁電流的關(guān)系

4 變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

變負(fù)荷試驗(yàn)是指在保持機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的情況下，改變機(jī)組負(fù)荷，測(cè)量機(jī)組各部振動(dòng)及軸承擺度隨負(fù)荷變化的情況。

寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組在負(fù)荷分別為220.2 MW、244.4 MW、268.2 MW、293.1 MW 的條件下進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工況如表10所示。變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)機(jī)組各部位的振動(dòng)峰-峰值和擺度峰-峰值結(jié)果如表11～14所示，機(jī)組各部位的振動(dòng)峰-峰值和擺度峰-峰值隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)如圖9～12所示。

表9 擺度峰峰值

表11 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值

表12 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值

表13 頂蓋振動(dòng)峰峰值

表14 擺度峰峰值

圖9 上機(jī)架振動(dòng)峰峰值與負(fù)荷的關(guān)系

圖10 下機(jī)架振動(dòng)峰峰值與負(fù)荷的關(guān)系

由表 11～14、圖 9～12 可以得出：

（1）機(jī)組負(fù)荷由220.2 MW逐漸增大至293.1 MW時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)、擺度的峰峰值變化較小，表明機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定。

（2）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》（等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816-5：2000）[5]中“表A3推薦的第3類(lèi)機(jī)器的評(píng)價(jià)區(qū)域邊界值”可知，區(qū)域A/B位移峰-峰值的邊界值是30 μm，新交付使用的機(jī)組的振動(dòng)通常在A區(qū)域，振動(dòng)在B區(qū)域可認(rèn)為機(jī)組可以無(wú)限制地長(zhǎng)期運(yùn)行。針對(duì)寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組，在不同負(fù)荷條件下，上機(jī)架振動(dòng)峰-峰值的最大值、下機(jī)架振動(dòng)峰-峰值的最大值、頂蓋振動(dòng)峰-峰值的最大值均小于30 μm，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。

（3）寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，根據(jù)GB/T 11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定-第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》（等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7919-5: 2005）[6]，由“圖A.2水力機(jī)器或機(jī)組轉(zhuǎn)軸在測(cè)量方向上振動(dòng)位移峰-峰值的推薦評(píng)價(jià)區(qū)域”，不同負(fù)荷條件下，轉(zhuǎn)速n=500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)軸相對(duì)位移峰-峰值在大區(qū)A-B上限約為237.5 μm，振動(dòng)值在大區(qū)A-B范圍內(nèi)可認(rèn)為機(jī)組可以無(wú)限制長(zhǎng)期運(yùn)行。由圖12可知，機(jī)組各部軸承擺度隨負(fù)荷的變化比較平穩(wěn)；由表14可知，上導(dǎo)+X、上導(dǎo)+Y、下導(dǎo)+X、水導(dǎo)+X、水導(dǎo)+Y的擺度峰-峰值均在大區(qū)A-B范圍內(nèi)，下導(dǎo)+Y的擺度峰-峰值在4個(gè)負(fù)荷工況下均超出大區(qū)A-B的上限，負(fù)荷為220.2 MW時(shí)下導(dǎo)+Y的擺度峰-峰值最大，為 281 μm，超出大區(qū) A-B 的上限約 43.5 μm。根據(jù)GB/T 11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定-第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》，對(duì)于水泵水輪機(jī)，由于轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)兼顧了水輪機(jī)和水泵轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)設(shè)計(jì)，因此轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅值可以比正常規(guī)定的值高一些[6]。結(jié)合寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，根據(jù)該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程，下導(dǎo)+Y方向擺度一級(jí)報(bào)警設(shè)定值為400 μm，二級(jí)報(bào)警設(shè)定值為600 μm，所以下導(dǎo)+Y方向擺度峰-峰值滿足要求，但建議在運(yùn)行過(guò)程中密切關(guān)注下導(dǎo)+Y方向擺度峰-峰值及其變化規(guī)律。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論：

（1）電磁不平衡力對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響很小；

（2）隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大，機(jī)組的上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋的振動(dòng)峰-峰值以及各部軸承擺度峰-峰值的增大幅度也逐漸增大，變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)主要受機(jī)械不平衡力的影響；

（3）由變負(fù)荷試驗(yàn)可知，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋的振動(dòng)峰峰值和上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)的擺度峰-峰值均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或該電站運(yùn)行規(guī)程要求的范圍內(nèi)，狀態(tài)良好。

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組各部振動(dòng)及擺度的評(píng)價(jià)，要結(jié)合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)電站的機(jī)組運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行綜合分析考量，對(duì)寶泉抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性分析，可以為本電站機(jī)組的運(yùn)行及其他電站類(lèi)似機(jī)組的穩(wěn)定性研究提供參考。