張米高楊，伍鶴皋，傅 丹，孫世博

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430010）

0 引言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，在電網(wǎng)中的作用和地位日趨顯著。由于水泵水輪機(jī)具有抽水和發(fā)電工況變化頻繁的特點(diǎn)，蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)涉及結(jié)構(gòu)、水力、機(jī)械、電磁等4個(gè)方面，且相互之間存在耦聯(lián)，因此振動(dòng)機(jī)理非常復(fù)雜［1-4］。振動(dòng)問題也是我國在運(yùn)行的抽水蓄能電站廠房的常見問題，如黑麋峰、蒲石河振動(dòng)較嚴(yán)重；宜興、泰安運(yùn)行中有導(dǎo)葉振動(dòng)問題；而張河灣不僅有機(jī)組振動(dòng)問題，還存在廠房振動(dòng)及噪聲較高的問題［5，6］，針對(duì)這些電站的振動(dòng)問題的原因及改進(jìn)方法已有一些研究［7，8］。

目前已有不少關(guān)于廠房振源的研究成果［9-12］，機(jī)械、電磁振動(dòng)的分析與控制已日益成熟，水力振動(dòng)仍然存在動(dòng)靜干涉和相位共振等關(guān)鍵科學(xué)問題值得進(jìn)一步深入研究［13，14］。因?yàn)樗φ駝?dòng)相關(guān)問題涉及較多復(fù)雜問題：如水流流經(jīng)流道時(shí)形成夾有渦帶的湍流、水輪機(jī)流道邊界復(fù)雜、流道各部分脈動(dòng)壓力差異大等［15］，其三維數(shù)值模擬有較大難度，模擬過程不得不基于許多人為假定，這也導(dǎo)致了蓄能電站廠房的振動(dòng)研究目前仍離不開模型實(shí)驗(yàn)和原型觀測(cè)等主要手段，因?yàn)槠淠芨玫乇ＷC結(jié)果的真實(shí)性，對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和反饋。目前已有研究利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探究了廠房振動(dòng)與無葉區(qū)動(dòng)靜干涉之間的聯(lián)系［16］，也有學(xué)者基于優(yōu)化后的算法及實(shí)測(cè)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)建立模型，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)［17］。

本文在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，首先對(duì)振動(dòng)加速度、速度、位移進(jìn)行時(shí)域分析，然后對(duì)不同工況下的振動(dòng)進(jìn)行頻域分析，分析其頻率組成以及頻率組成隨著時(shí)間的變化情況。

1 工程概況與測(cè)試

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站安裝3 臺(tái)單機(jī)容量200 MW 的可逆式水泵水輪機(jī)組，額定水頭308 m，額定轉(zhuǎn)速375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為544 r/min。主廠房寬度24.00 m，機(jī)組間距22.50 m，采用“一機(jī)一縫”布置方式，機(jī)組段之間設(shè)伸縮縫。蝸殼層高7.40 m，水輪機(jī)層高5.00 m，中間層高5.20 m，各層樓板厚度均為1 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

1.2 測(cè)試工況

測(cè)試工況包括25%、50%、75%和100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況（編號(hào)分別為G-25%、G-50%、G-75%和G-100%），25%、50%、75%和100%甩負(fù)荷工況（編號(hào)分別為LR-25%、LR-50%、LR-75%和LR-100%）。

1.3 測(cè)點(diǎn)位置

各層測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖1、2所示，X向?yàn)閺S房縱向，Y向?yàn)閺S房上下游方向，Z向?yàn)殂U直向。蝸殼層測(cè)點(diǎn)位于蝸殼上游區(qū)域，水輪機(jī)層、中間層、發(fā)電機(jī)層測(cè)點(diǎn)分別位于各層樓板的球閥孔附近。測(cè)試的物理量為振動(dòng)加速度，采樣頻率為512 Hz。測(cè)點(diǎn)位置信息如表1所示。選用的傳感器為中國地震局工程力學(xué)研究所研制的941B 型拾振器，采集儀為INV 采集儀，采集系統(tǒng)為DASP采集系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)選擇的采樣頻率為512 Hz。

表1 INV采集儀采集通道信息統(tǒng)計(jì)

圖1 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖2 各層測(cè)點(diǎn)布置圖

1.4 振源分析

該抽水蓄能電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，導(dǎo)葉片數(shù)為20。根據(jù)相關(guān)理論，由水輪機(jī)轉(zhuǎn)速可推斷本電站可能的機(jī)械振源頻率主要為6.25、9.07 Hz；電磁振源頻率主要為6.25、9.07 Hz及其倍頻，以及定子極頻振動(dòng)頻率50 和100 Hz；水力振源主要包括1～2 Hz的低頻渦帶，5～7.5 Hz的中頻渦帶，以及轉(zhuǎn)輪葉片頻率及其倍頻（56.25，112.5，168.75和225 Hz）等［18］。

2 振動(dòng)時(shí)域分析

2.1 振動(dòng)時(shí)域描述

比較各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)域圖發(fā)現(xiàn)，在同一工況下，不同測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖基本相似，水輪機(jī)層鉛直向測(cè)點(diǎn)（2Z測(cè)點(diǎn)）的振動(dòng)較大，故以該測(cè)點(diǎn)為代表分析振動(dòng)時(shí)域特征。對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)分別進(jìn)行一次積分和兩次積分可得到振動(dòng)速度和振動(dòng)位移信號(hào)。100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況（G-100%）和100%甩負(fù)荷工況（LR-100%）下2Z 測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域圖如圖3、圖4所示。從100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的振動(dòng)時(shí)域圖可以看出，振動(dòng)呈現(xiàn)出比較明顯的規(guī)律性。而從100%甩負(fù)荷工況下的振動(dòng)時(shí)域圖可以看出，振動(dòng)在甩負(fù)荷動(dòng)作開始后急劇增大，出現(xiàn)兩個(gè)局部峰值。

圖3 100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下2Z測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域圖

圖4 100%甩負(fù)荷工況下2Z測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域圖

2.2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 振動(dòng)加速度

不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和甩負(fù)荷工況下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值分別如圖5、6所示。

圖5 不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下加速度有效值

圖6 不同甩負(fù)荷工況下加速度有效值

從圖5、6可以看出：

（1）各測(cè)點(diǎn)不同方向的振動(dòng)加速度有效值大致隨著負(fù)荷的增加而先增大后減小，最大值大多出現(xiàn)在75%或100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況；在空間上，中間層測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度最大，水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層次之，而蝸殼層最小；其中各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度最大有效值出現(xiàn)在中間層（3Z）鉛直向，在100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)最大有效值為0.578 m/s2，滿足振動(dòng)加速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）同一層樓板不同方向的振動(dòng)加速度大致具有以下規(guī)律：對(duì)于蝸殼層，縱向最大，上下游方向次之，而鉛直向最??；對(duì)于水輪機(jī)層，鉛直向最大，縱向次之，上下游方向最?。粚?duì)于中間層，大致為鉛直向結(jié)果最大，上下游方向次之，縱向最??；對(duì)于發(fā)電機(jī)層，縱向結(jié)果最大，鉛直向次之，上下游方向最小。

（3）甩負(fù)荷工況下，水輪機(jī)層的振動(dòng)加速度最大，中間層次之，而發(fā)電機(jī)層和蝸殼層較?。欢鴮?duì)于同一層樓板不同方向的振動(dòng)，大致規(guī)律為：鉛直向振動(dòng)加速度最大，上下游向次之，縱向最小。各層樓板3個(gè)方向振動(dòng)加速度有效值的最大值都出現(xiàn)在100%甩負(fù)荷工況時(shí)的水輪機(jī)層樓板上，其值分別為0.984、1.065 和1.339 m/s2，但均小于10 m/s2，滿足振動(dòng)加速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

甩負(fù)荷工況一般持續(xù)時(shí)間較短，大多僅持續(xù)幾秒時(shí)間至20 s，但是由于其產(chǎn)生的振動(dòng)很大，因此為了水電站廠房的安全運(yùn)行，應(yīng)該盡量避免在該工況長期運(yùn)行，以免樓板發(fā)生破壞，或者優(yōu)化甩負(fù)荷操作過程以減小由于甩負(fù)荷產(chǎn)生的過大振動(dòng)。

2.2.2 振動(dòng)速度和位移

不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和不同甩負(fù)荷工況下，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度有效值如圖7、8所示，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移有效值的如圖9、10所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下振動(dòng)速度有效值

圖8 甩負(fù)荷工況下振動(dòng)速度有效值

圖9 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下振動(dòng)位移有效值

圖10 甩負(fù)荷工況下振動(dòng)位移有效值

從圖7～10可以看出，各工況下振動(dòng)速度和振動(dòng)位移較大值基本上都出現(xiàn)在水輪機(jī)層和中間層。其中在100%甩負(fù)荷工況下，2Z和3Z測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度分別達(dá)到了7.2和5.6 mm/s，超過了振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)5 mm/s；2Z 測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移達(dá)到了231.8 μm，也超過了振動(dòng)位移控制標(biāo)準(zhǔn)200 μm。其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和位移滿足其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 振動(dòng)頻域分析

以100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況作為穩(wěn)態(tài)工況的代表工況，以2Z 測(cè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)頻域分析，其振動(dòng)加速度、速度和位移的頻域圖如圖11所示。

圖11 100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下2Z測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖

由圖11 可以看出，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，振動(dòng)相關(guān)量都存在若干個(gè)較為明顯的頻率，但是其頻率組成有所不同。對(duì)于振動(dòng)加速度，其頻率組成以高頻頻率為主，優(yōu)勢(shì)頻率為四倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率225 Hz，部分測(cè)點(diǎn)的兩倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率112.5 Hz 也占比較大。對(duì)于振動(dòng)速度，其頻率的主要組成既包括高頻頻率（112.5和225 Hz），又包括低頻頻率（1和16 Hz）。而對(duì)于振動(dòng)位移，其頻率以1.0～6.0 Hz 的低頻頻率為主，但在中間層和發(fā)電機(jī)層的部分測(cè)點(diǎn)，兩倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率112.5 Hz占比仍然較大。

以100%甩負(fù)荷工況作為非穩(wěn)態(tài)工況的代表工況，以2Z 測(cè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)頻域分析，其振動(dòng)加速度、速度和位移的頻域圖如圖12所示。甩負(fù)荷工況下，對(duì)于振動(dòng)加速度，優(yōu)勢(shì)頻率為150 Hz 為主；振動(dòng)速度和位移以1.0～6.0 Hz 的低頻頻率為主。

圖12 100%甩負(fù)荷工況下2Z測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某抽水蓄能電站地下廠房樓板結(jié)構(gòu)在不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和不同甩負(fù)荷工況下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得出以下結(jié)論。

（1）甩負(fù)荷過程和抽水事故停機(jī)等非穩(wěn)態(tài)過程雖然大多僅持續(xù)幾秒，但由于非穩(wěn)態(tài)過程中轉(zhuǎn)輪葉片頻率快速變化，可能短時(shí)間接近廠房結(jié)構(gòu)某些部位的固有頻率，造成的樓板振動(dòng)比穩(wěn)態(tài)工況大得多，因此建議對(duì)電站機(jī)組開停機(jī)程序進(jìn)行優(yōu)化，把結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信息納入開停機(jī)過程優(yōu)化的控制指標(biāo)。

（2）穩(wěn)態(tài)工況下樓板振動(dòng)頻率組成相對(duì)比較穩(wěn)定，振動(dòng)加速度的頻率以高頻為主，其優(yōu)勢(shì)頻率為兩倍或四倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率；振動(dòng)位移的頻率以低頻為主（1.0～6.0 Hz）；振動(dòng)速度的主要頻率包括上述高頻和低頻。

（3）在不同負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，機(jī)組振動(dòng)荷載對(duì)樓板振動(dòng)影響更為明顯，靠近定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)的中間層樓板振動(dòng)更為明顯。各層樓板的振動(dòng)隨著負(fù)荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，通常在75%負(fù)荷工況振動(dòng)達(dá)到最大。

（4）非穩(wěn)態(tài)工況的頻率組成較為復(fù)雜，且隨時(shí)間不斷變化，振動(dòng)加速度的優(yōu)勢(shì)頻率以高頻為主，振動(dòng)速度和振動(dòng)位移的優(yōu)勢(shì)頻率以低頻為主。振動(dòng)加速度優(yōu)勢(shì)頻率隨時(shí)間的變化與機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程相關(guān)。

（5）在不同甩負(fù)荷工況下，振動(dòng)隨著所甩負(fù)荷的增加而增大，機(jī)組流道內(nèi)水力脈動(dòng)對(duì)樓板的振動(dòng)影響更明顯，因此靠近水力振源的水輪機(jī)層振動(dòng)更為明顯?！?/p>