姜明利，許亮華，喬 木 ，李繼功

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠，吉林 樺甸132013）

1 前言

白山電廠紅石水電站為河床式電站，4 臺軸流定槳式機(jī)組，單機(jī)容量50 MW。電站自投產(chǎn)以來一直存在較為明顯的廠房振動和運(yùn)行噪聲，對電站運(yùn)行管理人員健康和機(jī)組安全運(yùn)行構(gòu)成一定影響。

在2019 年，對電站機(jī)組、廠房和大壩進(jìn)行了噪聲和振動測試。本文根據(jù)振動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，評估機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性、分析電廠廠房振動特性以及大壩的振動特性。

2 電站主要參數(shù)

紅石水電站位于第二松花江干流上，在吉林省樺甸市紅石鎮(zhèn)，距下游豐滿水電站172 km，距上游白山水電站38 km，電站水庫末端與白山電站尾水相接，區(qū)間集水面積1 300 km。紅石水電站裝設(shè)4 臺立式軸流定槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，單臺機(jī)組容量50 MW；水輪機(jī)型號為ZDA190-LH-600，發(fā)電機(jī)型號為SF57-5/9000，額定功率50 MW，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速255 r/min，半傘式結(jié)構(gòu)，沒有下導(dǎo)軸承。

具體參數(shù)如表1。

表1 機(jī)組水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 測點(diǎn)布置

本次測試以3 號機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)為主要研究對象，兼顧4 號機(jī)組廠房結(jié)構(gòu)和副廠房結(jié)構(gòu)，測試試驗(yàn)?zāi)康氖墙Y(jié)構(gòu)振動振源和振動特征，測點(diǎn)主要布置在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，測點(diǎn)布置如下：

3.1 機(jī)組測點(diǎn)（3 號機(jī)組）

（1）頂蓋振動：在水輪機(jī)頂蓋的X（水平）、Y（水平）、XZ（垂直）方向各安裝一個位移式振動傳感器，共計(jì)3 個測點(diǎn)；

（2）壓力脈動：在蝸殼進(jìn)口布置一個測點(diǎn)。

3.2 廠房結(jié)構(gòu)測點(diǎn)（3 號機(jī)組、4 號機(jī)組）

測點(diǎn)說明見表2。

表2 紅石廠房測點(diǎn)位置表

（1）水輪機(jī)層測點(diǎn)：機(jī)組水輪機(jī)層進(jìn)水管上方（上游測點(diǎn)）、水輪機(jī)層尾水管上方（下游測點(diǎn)）。

（2）發(fā)電機(jī)層測點(diǎn)：3 號機(jī)組發(fā)電機(jī)層立柱旁。

3.3 壩頂結(jié)構(gòu)測點(diǎn)

壩頂測點(diǎn)：3、4 號機(jī)組的進(jìn)水口閘門上游和下游壩頂位置和副廠房過道立柱旁，測點(diǎn)說明見表3。

表3 紅石壩頂測點(diǎn)位置表

4 振動特性分析

根據(jù)電站運(yùn)行實(shí)際，進(jìn)行了機(jī)組正常運(yùn)行工況的振動測試。工況包括：3 號機(jī)組50 MW 滿負(fù)荷運(yùn)行（1～4 號機(jī)組停機(jī)）和3～4 號機(jī)組50 MW 滿負(fù)荷運(yùn)行（1～2 號機(jī)組停機(jī)），運(yùn)行水頭25 m。

通過測試數(shù)據(jù)，對機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)振動特性分析如下：

4.1 機(jī)組振動幅值統(tǒng)計(jì)分析

蝸殼進(jìn)口壓力脈動相對值為4.08%～4.176%，數(shù)值較小，在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求范圍內(nèi)，水輪機(jī)頂蓋X 方向水平振動值3.24～3.76 μm，Y 方向水平振動值7.19～7.98 μm，垂直振動值13.06～13.51 μm，滿足GB/T32584-2016《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機(jī)組機(jī)械振動的評定》標(biāo)準(zhǔn)要求，振動幅值均在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求范圍內(nèi)，機(jī)組可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。

表4 蝸殼進(jìn)口壓力脈動和水輪機(jī)頂蓋振動（RMS）

4.1.1 機(jī)組頻率特征分析

紅石電站機(jī)組為立式軸流定槳機(jī)組，機(jī)組轉(zhuǎn)速107.1 r/min，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)5 片，活動導(dǎo)葉數(shù)24 片，機(jī)組轉(zhuǎn)頻為1.785 Hz。以此分析，機(jī)組引起振動的可能頻率特征如下：

a.機(jī)組葉片過流頻率：1.785×5=8.925 Hz；其2倍頻為17.85 Hz，3 倍頻為26.775 Hz，…以此類推。

b.導(dǎo)葉過流頻率：1.785×24=42.84 Hz；其2 倍頻為85.68 Hz，…以此類推。

c.尾水管內(nèi)的低頻渦帶：0.18～0.89 Hz，中高頻渦帶轉(zhuǎn)頻1.785 Hz 左右。

（1）蝸殼進(jìn)口壓力脈動頻譜分析

從蝸殼進(jìn)口壓力脈動頻譜圖（圖1）上看，壓力脈動主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻，壓力脈動的頻譜圖上有3 個主要頻率區(qū)域。

圖1 蝸殼進(jìn)口壓力脈動頻譜圖

1）機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻：轉(zhuǎn)頻（1.78 Hz）、2 倍轉(zhuǎn)頻（3.56 Hz），以及低頻（渦帶頻率）。

2）導(dǎo)葉（24 個導(dǎo)葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉(zhuǎn) 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉(zhuǎn) 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉(zhuǎn) 頻）、44.58 Hz（25 倍轉(zhuǎn)頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉(zhuǎn)頻）、17.85 Hz（10 倍轉(zhuǎn)頻）。

（2）水輪機(jī)頂蓋X 方向水平振動頻譜分析

從頻譜圖上（圖2）看，主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區(qū)域：

圖2 頂蓋振動+X 水平振動頻譜圖

1）機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻：轉(zhuǎn)頻（1.78 Hz）、2 倍轉(zhuǎn)頻（3.56 Hz），以及低頻（渦帶頻率）。

2）導(dǎo)葉（24 個導(dǎo)葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉(zhuǎn) 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉(zhuǎn) 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉(zhuǎn) 頻）、44.58 Hz（25 倍轉(zhuǎn)頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉(zhuǎn)頻）、17.85 Hz（10 倍轉(zhuǎn)頻）。

（3）水輪機(jī)頂蓋Y 方向水平振動頻譜分析

從頻譜圖（圖3）上看，主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區(qū)域：

圖3 頂蓋振動+Y 水平振動頻譜圖

1）機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻：轉(zhuǎn)頻（1.78 Hz）、低頻（渦帶頻率）。

2）導(dǎo)葉（24 個導(dǎo)葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉(zhuǎn) 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉(zhuǎn) 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉(zhuǎn) 頻）、44.58 Hz（25 倍轉(zhuǎn)頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉(zhuǎn)頻）、17.85 Hz（10 倍轉(zhuǎn)頻）。

（4）水輪機(jī)頂蓋XZ 方向垂直振動頻譜分析

從頻譜圖上（圖4）看，主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區(qū)域。

圖4 頂蓋振動+Z1 垂直振動頻譜圖

1）導(dǎo)葉（24 個導(dǎo)葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉(zhuǎn) 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉(zhuǎn) 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉(zhuǎn) 頻）、44.58 Hz（25 倍轉(zhuǎn)頻）。

2）機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻：轉(zhuǎn)頻（1.78 Hz）、低頻（渦帶頻率）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉(zhuǎn)頻）、17.85 Hz（10 倍轉(zhuǎn)頻）。

4.1.2 機(jī)組振動特征分析

通過以上機(jī)組振動統(tǒng)計(jì)和頻譜分析表明：機(jī)組振動主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻，幅值處在正常范圍之內(nèi)，可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 廠房振動響應(yīng)特征分析

4.2.1 廠房振動時程分析

通過對紅石3 號機(jī)組和3 號、4 號雙機(jī)組發(fā)電工況下，廠房振動響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1）從統(tǒng)計(jì)曲線圖（見圖5、圖6）看，雙機(jī)組發(fā)電工況比單機(jī)組發(fā)電工況，各點(diǎn)振動響應(yīng)雖有所增大，但增大幅值并不顯著。

圖5 機(jī)組發(fā)電廠房振動最大加速度統(tǒng)計(jì)

圖6 機(jī)組發(fā)電廠房振動加速度均方根值統(tǒng)計(jì)

（2）發(fā)電機(jī)層振動比水輪機(jī)層振動大，表明通過樓層傳遞振動有放大效應(yīng)。

通過對比3 號-F 和3 號-2 測點(diǎn)，可看出發(fā)電機(jī)層相比水輪機(jī)層，兩層相似位置，水平向振動最大值放大在2 倍左右，豎直向振動最大值放大在4 倍左右。

本次試驗(yàn)測點(diǎn)中振動響應(yīng)最大發(fā)生在3 號機(jī)組發(fā)電機(jī)層豎向。豎向加速度均方根為14.87 gal，最大值為74.358 gal。本次測點(diǎn)發(fā)電機(jī)層測點(diǎn)布置在立柱旁，該測點(diǎn)位置剛度比發(fā)電機(jī)層樓板中間區(qū)域以及廠房墻體上部結(jié)構(gòu)剛度高，據(jù)此推測發(fā)電機(jī)層樓板中間區(qū)域以及廠房墻體上部結(jié)構(gòu)振動加速度最大響應(yīng)會大于74.36 gal。

4.2.2 廠房振動頻譜分析

廠房測點(diǎn)振動響應(yīng)頻譜的優(yōu)勢頻譜（見圖7）主要有：振動響應(yīng)中卓越頻段是41.1～50 Hz，在該頻段存在多個主要峰值主頻，都是轉(zhuǎn)頻的倍頻，分別為：40.1 Hz（23 倍頻）、42.8 Hz（24 倍頻）…49.96 Hz（28倍頻）；在較高頻段的頻率主頻還有99.92 Hz；另外低頻優(yōu)勢主頻主要是0.3～0.4 Hz 左右的峰值主頻，如圖8。

4.2.3 廠房振動特征分析

從頻譜可以看出，廠房振動響應(yīng)主要頻率為轉(zhuǎn)頻倍頻，表明廠房振源高頻部分主要來自機(jī)組壓力脈動，而低頻部分主要由尾水管低頻渦帶產(chǎn)生的脈動壓力引起。廠房振動最大振動發(fā)生在豎直向，振動通過樓層傳播產(chǎn)生2～4 倍放大。雙機(jī)振動相比單機(jī)振動，增大幅度不大。

圖7 3 號水輪機(jī)進(jìn)水管上方測點(diǎn)振動速度頻譜圖

圖8 3 號水輪機(jī)進(jìn)水管上方測點(diǎn)振動速度頻譜圖（0～2 Hz 頻段）

4.3 壩頂振動響應(yīng)特征分析

4.3.1 壩頂振動時程分析

通過對紅石3 號機(jī)組發(fā)電和3 號、4 號機(jī)組雙機(jī)組發(fā)電工況下壩頂廠房振動響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從統(tǒng)計(jì)曲線圖（見圖9、圖10）看，雙機(jī)組發(fā)電工況比單機(jī)組發(fā)電工況的各點(diǎn)振動響應(yīng)略有增大。壩頂測點(diǎn)最大振動加速度響應(yīng)Z 向18.3 gal，X 向16.3 gal、Y 向13.6 gal。

4.3.2 壩頂振動頻譜分析

對壩頂測點(diǎn)振動響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，頻譜圖見圖11。

從頻譜上看，壩頂3 號閘門上下游兩個測點(diǎn)：3號-D 和3 號-U 的頻譜比較相似，壩頂順流向卓越頻率為41.1 Hz（ 23 倍機(jī)組轉(zhuǎn)頻），壩頂豎直向峰值主頻為44.7 Hz（25 倍機(jī)組轉(zhuǎn)頻）；壩頂縱向的振動頻譜的諧頻特征不明顯，卓越頻段為5～28 Hz 之間。4 號閘門測點(diǎn)頻譜特征與3 號閘門測點(diǎn)頻譜相似。

圖9 機(jī)組發(fā)電壩頂振動加速度均方根值統(tǒng)計(jì)

圖10 機(jī)組發(fā)電壩頂振動最大加速度統(tǒng)計(jì)

圖11 壩頂進(jìn)水閘門上游3 號-U 測點(diǎn)振動速度頻譜圖

4.3.3 壩頂振動特征分析

壩頂振動響應(yīng)主頻基本上都是機(jī)組轉(zhuǎn)頻倍頻，表明壩頂振動主要振源仍然來自于廠房機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的水力脈動。

4.4 副廠房振動頻譜分析

4.4.1 副廠房振動時程分析

副廠房測點(diǎn)位置處的水平向最大加速度5.0 gal、豎直向3.7 gal，屬于有感振動，本次副廠房振動測試位置在結(jié)構(gòu)拐角的立柱旁，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，該位置測點(diǎn)得到的振動響應(yīng)相比樓板其它部位會小，不排除樓板其它部位有可能存在較大振動響應(yīng)。

4.4.2 壩頂振動頻譜分析

副廠房過道測點(diǎn)的振動頻譜X 向和Z 向峰值頻率為8.99 Hz（ 5 倍轉(zhuǎn)頻），Y 向振動峰值頻率為5.68 Hz，見圖12。

圖12 副廠房拐角立柱旁過道測點(diǎn)振動速度頻譜圖

4.4.3 副廠房振動特征分析

從振動響應(yīng)值上看，或從頻譜上可以看出副廠房測點(diǎn)水平向振動響應(yīng)的峰值主頻在人體敏感共振頻率區(qū)域范圍，人體會比較敏感。根據(jù)GB/T50868-2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》，建筑物內(nèi)人體舒適度的容許振動加速度標(biāo)準(zhǔn)判斷，實(shí)測副廠房過道處測點(diǎn)振動未超過人體舒適度的容許值。不排除機(jī)組運(yùn)行時，副廠房人員其它工作位置的樓板區(qū)域振動可能比立柱旁過道測點(diǎn)的振動更大。

5 結(jié)論

通過對本次振動測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對機(jī)組、廠房結(jié)構(gòu)、壩頂、副廠房振動時程、頻譜進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

5.1 機(jī)組與結(jié)構(gòu)幅值特征

（1）紅石電站3 號機(jī)組振動，滿足GB/T32584-2016《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機(jī)組機(jī)械振動的評定》標(biāo)準(zhǔn)要求，振動幅值均在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求范圍內(nèi)。

（2）廠房、大壩、副廠房結(jié)構(gòu)振動，根據(jù)聯(lián)邦德國（DIN4150）推薦建筑物振動控制標(biāo)準(zhǔn)、以及日本學(xué)者畑中元弘歸納的不同研究者提出的建筑物振動允許界限，判斷均屬于安全范圍內(nèi)。

（3）紅石雙機(jī)組發(fā)電工況比單機(jī)組發(fā)電工況振動響應(yīng)增幅并不太明顯。

（4）振動通過廠房結(jié)構(gòu)傳遞由下至上有2～4 倍放大，廠房結(jié)構(gòu)振動最大發(fā)生在發(fā)電機(jī)層。

5.2 脈動壓力主頻特征

（1）蝸殼進(jìn)口壓力脈動主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻。

（2）機(jī)組振動振源來自水力脈動，包括進(jìn)水口脈動和尾水管脈動，振動主頻為轉(zhuǎn)頻、導(dǎo)葉過流頻率、葉片過流頻率以及尾水管渦帶頻率。

（3）壩頂振動振源來自進(jìn)水口脈動，振動主頻為轉(zhuǎn)頻、導(dǎo)葉過流頻率、葉片過流頻率。

（4）副廠房結(jié)構(gòu)振動速度和加速度在10 Hz 以下人體敏感頻率區(qū)存在頻譜卓越主頻，會引起人體產(chǎn)生有較強(qiáng)振感。

總之，紅石電站機(jī)組振動和廠房結(jié)構(gòu)振動屬于安全范圍內(nèi)，不影響安全生產(chǎn)；廠房結(jié)構(gòu)、壩頂區(qū)域振動振源為機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的水力脈動。

另外受本次測試試驗(yàn)測點(diǎn)限制，不能排除機(jī)組運(yùn)行時樓板結(jié)構(gòu)存在振動較大部位，若要評價(jià)樓板振動特征以及人體感受，需要另外對人員工作區(qū)域樓板布置測點(diǎn)，做更為準(zhǔn)確的樓板振動測試。