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        某水電站轉輪改造后廠房振動的現場測試分析

        時間:2021-09-18作者:畢智偉 趙補石 魏加富
        本文導讀:這是一篇關于某水電站轉輪改造后廠房振動的現場測試分析的文章,由于水電站機組和廠房結構的振動既有結構的相互影響,又有流體與固體結構的耦合振動。因此,本文針對該水電站機組及廠房劇烈振動的原因進行了試驗分析,并提出相應改造建議。

          摘    要: 某水電站轉輪改造后出現機組振動增大,并逐漸引起劇烈的廠房振動,嚴重影響電站的安全運行,通過機組穩定性測試、廠房局部結構振動測試與原型模態試驗,分析機組運行狀態,確定旋轉裝配體、下機架和電站主/副廠房面板固有頻率和振型,計算其固有頻率與轉輪葉片倍頻的偏差,判斷是否存在共振風險,為機組后續改造方案的制定提供了依據。

          關鍵詞 :     水電站;機組振動;廠房振動;模態試驗;轉輪改造;

          Abstract: The vibration of generating units increases after the runner transformation of a certain hydropower station,which gradually causes severe vibration of the powerhouse,and seriously affects the safe operation of the power station.Through unit stability test,and the local structure vibration modal test and prototype test,unit's operation state was analyzed to determine the natural frequency and mode shapes of rotating assembly,bottom bracket,and main/auxiliary powerhouse panel and compute the deviation of natural frequency and runner's blade frequency doubling.Whether there is a resonance risk was judged,which provide evidence for the following reformation scheme of generating unit.

          Keyword: hydropower station; unit vibration; powerhouse vibration; modal test; runner transformation;

          1、 概況

          某水電站位于湖南省東安縣石期市鎮境內,是湘江干流上第一座徑流式電站,安裝6臺軸流轉槳式水輪發電機組,于1980年投產發電。2015~2016年相繼對電站6臺機組進行了增容改造,即對機組發電機、水輪機、主變、過流部件等均進行了更換。但電站6臺機組增容改造后均出現不同程度的機組振動增大問題,廠房局部結構破壞。水輪發電機組的穩定性與廠房結構振動問題是影響機組及其相關系統安全、穩定、高效運行的基礎性問題[1],在我國己投產的水電站如白市[2]、二灘[3]、巖灘[4]等均出現過不同程度的水力機組振動和穩定性問題,振動不僅會降低機組效率、縮短檢修周期和機組壽命,甚至會引起廠房結構和引水管道的振動[5],導致機組出現誤動、事故停機,嚴重影響電站安全和經濟效益。由于水電站機組和廠房結構的振動既有結構的相互影響,又有流體與固體結構的耦合振動[6,7]。因此,本文針對該水電站機組及廠房劇烈振動的原因進行了試驗分析,并提出相應改造建議。
         

        某水電站轉輪改造后廠房振動的現場測試分析
         

          2 、電站主要技術參數及運行情況

          機組改造前后主要技術參數及變化情況見表1,此次改造目的為提高效率和出力,將轉輪由4葉片改為5葉片。電站6臺機組增容改造后均出現不同程度的振動增大問題,經多次分析與消缺測試,問題并未得到有效解決。隨著運行時間的增加,運行工況逐漸惡化,各臺機組出現連軸螺栓松動,水導軸承磨損嚴重、間隙增大、溫升過高,轉輪室不銹鋼里襯氣蝕問題(最大深達15mm),水工建筑物則出現劇烈振動,并伴隨有機組溜負荷現象。水電站中控室及保護屏柜布置在主廠房的中間靠上游側位置,由于機組及廠房振動不斷加劇,副廠房局部墻體開裂產生結構破壞,主廠房兩條伸縮縫出現不同程度的漏水,下機架垂直振動存在嚴重超標,電站不得不限制機組運行負荷,機組出力嚴重不足,尤其是#1、#5機組因轉輪漏油而停機處理,嚴重影響電站發電效益,且威脅著電站的安全運行。

          表1 機組主要參數
        表1 機組主要參數

          經初步分析,機組壓力脈動[8]是造成振動的主要原因,體現在新轉輪與原有流道及導葉不匹配、尾水管擴散段的脫流及返流。對此,提出通過尾水管結構修型改造或更換轉輪以解決機組及廠房劇烈振動問題,其中更換轉輪方案包括繼續使用5葉片或改回4葉片。因此,判斷發電機轉子及下機架和廠房固有頻率與葉片旋轉頻率是否產生共振,對改造方案的確定尤為重要。

          3 、現場測試分析

          3.1、 機組穩定性分析

          為全面掌握機組穩定性狀態,2017年對電站#1機組開展變轉速、變勵磁和變負荷測試。試驗時,上游水位117.2m,下游水位104.5m,水頭為12.7 m。變轉速試驗結果表明,隨著轉速上升,機組振動擺度無明顯上升情況,機組也無明顯的機械不平衡力;變勵磁試驗結果表明,隨著勵磁電壓的上升,機組振動擺度變幅較小,機組無明顯的電磁不平衡力;變負荷試驗結果見表2。由表2可知,隨著負荷的上升,機組擺度有升有降,振動測點測試值上升明顯,機組運行穩定性狀態惡化;額定負荷工況時下機架垂直振動嚴重超限。

          表2 變負荷試驗結果
        表2 變負荷試驗結果

          在3 540kW工況下機組各測點頻譜分析結果見表3。由表3可知,3 540kW工況下機組振動、擺度及壓力脈動測點主頻基本為15.625 Hz。根據表1機組基本參數可知,機組轉頻為3.125Hz,當前轉輪葉片數為5片,引起轉輪葉片壓力脈動頻率為15.625Hz,2倍轉輪葉片壓力脈動頻率為31.25Hz。因此,造成下機架垂直振動隨負荷變化明顯上升的原因是5倍轉頻分量即轉輪葉片頻率分量上升引起的。

          表3 3 540kW工況下各測點頻譜分析
        表3 3 540kW工況下各測點頻譜分析

          機組穩定性測試結果表明,額定負荷工況,機組振動、擺度、壓力脈動測點5倍轉頻分量明顯,該頻率與蝸殼進口壓力脈動和尾水管進口壓力脈動主頻相同,水力因素是造成機組異常振動的主要原因。

          3.2 、廠房局部結構振動分析

          根據實際觀察,廠房振動強烈時,副廠房會議室振動最為明顯,2019年現場測量了機組高負荷運行工況下的廠房局部振動情況,結果顯示會議室樓板振動主頻為31.25 Hz,即會議室振動主頻與2倍轉輪葉片頻率相同。同時,根據表3機組穩定性測試頻譜分析結果顯示,頂蓋垂直振動和尾水管進口壓力脈動測點存在31.25 Hz的倍頻分量,由此可知,廠房振動主要為流體與廠房結構之間的耦合振動,廠房振動響應主要貢獻來源于活動導葉和轉輪間的壓力脈動。

          3.3、 轉子和下機架模態試驗分析

          模態試驗采用錘擊法用脈沖錘(力錘)對發電機轉子、下機架進行敲擊,產生一寬頻帶的激勵,以獲取發電機轉子、下機架的固有頻率、振型。根據現場情況,確定固定信號采集點,用力錘對各節點依次進行錘擊,同時采集固定點和錘擊信號,初步評價信號質量,對信噪比不佳、錘擊力度不滿足要求的點重新錘擊進行信號采集,直至滿足信號分析要求。完成全部節點的錘擊激振信號的采集后,分析各測點之間的傳遞函數,計算獲取結構的固有頻率和振型。

          3.3.1、 轉子模態測試

          將發電機轉子簡化為單平面結構,采用移動錘擊、固定點采集,對發電機轉子進行模態試驗。轉子共8個支臂,沿每個支臂方向設置試驗節點4個,試驗節點總數為32個。通過測試,獲得了發電機轉子前3階固有頻率和振型,測試結果見表4,發電機轉子振型見圖1。

          表4 發電機轉動部件模態測試結果
        表4 發電機轉動部件模態測試結果

          圖1 發電機轉子振型
        圖1 發電機轉子振型

          Fig.1 The mode of generator rotor

          3.3.2 、下機架模態測試

          將下機架簡化為單平面結構,模態試驗網格與轉子模態試驗網格相同。通過測試,獲得下機架前3階固有頻率和振型,測試結果見表5。

          表5 下機架模態測試結果
        表5 下機架模態測試結果

          3.3.3、 機組共振分析

          根據表3中機組發電機振動,上機架水平振動、下機架水平振動、下機架垂直振動和定子機座水平振動的主頻基本為15.625 Hz,因此發電機轉子及下機架不存在發生共振的可能性。

          3.4 、廠房模態測試分析

          電站采用“兩機一縫”的廠房結構型式,其中#1與#2、#3與#4、#5與#6機組各一個廠房段,3個廠房段在#2與#3機組、#4與#5機組之間設置結構縫。通過開展廠房面板模態試驗,掌握廠房面板的固有頻率和振型。廠房面板模態試驗采用環境激勵方法對副廠房面板及主廠房發電機層樓板進行模態試驗。

          (1)副廠房面板模態試驗。模態試驗將副廠房面板簡化為單平面結構,總試驗節點數28個,F場設置2個垂直振動測點,1個測點為固定測點,另1個測點為移動測點,對副廠房面板進行模態試驗。

          (2)主廠房發電機層樓板模態試驗。模態試驗將主廠房發電機層樓板簡化為單平面結構,總試驗節點數16個,F場設置2個垂直振動測點,1個測點為固定測點,另1個測點為移動測點,對廠房發電機層樓板進行模態測試。

          3.4.1、 副廠房面板模態測試

          現場對中控室及會議室段的副廠房面板進行模態測試,通過測試得到副廠房面板前3階固有頻率見表6,副廠房振型見圖2。

          表6 副廠房面板模態試驗結果
        表6 副廠房面板模態試驗結果

          圖2 副廠房面板振型
        圖2 副廠房面板振型

          Fig.2 Vibration mode of factory panel

          3.4.2 、主廠房發電機層樓板模態測試

          現場在#4機組段開展主廠房發電機層廠房面板模態試驗,通過測試分析主廠房發電機層廠房面板的集總傳遞函數曲線,得到主廠房發電機層樓板前3階固有頻率見表7,副廠房振型見圖3。

          表7 主廠房發電機層樓板模態試驗結果
        表7 主廠房發電機層樓板模態試驗結果

          圖3 主廠房發電機層樓板振型
        圖3 主廠房發電機層樓板振型

          Fig.3 Plate vibration mode of generator layer in main workshop

          3.4.3、 廠房共振分析

          根據主/副廠房模態試驗結果,副廠房1階固有頻率為32.9 Hz,與2倍轉輪葉片頻率差值5.28%,主廠房發電機層樓板1階固有頻率為31.0Hz,與2倍轉輪葉片頻率差值0.8%,主/副廠房均存在共振風險。如文獻[9]所述,壓力脈動可經尾水管和蝸殼傳播至廠房混凝土結構,結合副廠房會議室振動測量結果,2倍轉輪葉片頻率將引起較大的廠房振動,考慮到廠房存在共振風險,尾水管流道修型不能解決共振問題,電站后續機組改造中,應優先考慮更換為4葉片轉輪方案。

          4 、結論

          a.水力因素即轉輪葉片倍頻引起的脈動是造成該機組異常振動的主要原因,廠房振動響應主要源于活動導葉和轉輪間的壓力脈動。

          b.原型模態試驗結果表明,發電機轉子及下機架不存在發生共振的可能性,該電站副廠房面板及主廠房發電機層樓板固有頻率與2倍轉輪葉片頻率接近,易引發共振。

          參考文獻

          [1]尚銀磊,李德玉,歐陽金惠。大型水電站廠房振動問題研究綜述[J] .中國水利水電科學研究院學報, 2016, 14(1):48-52,59.
          [2]曾平,彭衛群,黃波,等。水電廠廠房振動原因分析[J] .湖南電力, 2019,39(6):91-94.
          [3]楊弘,畢威。二灘水電站地房結構和機組振動分析[J] .中國電業 (技術版 ) , 2011(2):35-39.
          [4]黃自和.巖灘電站機組振動分析及轉輪改造[J]。企業科技與發展, 2011(21):46-49.
          [5]黃波,譚新奇,魏加富,等.水電站廠房樓板自振特性研究[J] .水電能源科學, 2020 ,38(6):100-103.
          [6]張存惠,馬震岳,周述達,等.大型水電站廠房結構流固耦合分析[J] .水力發電學報, 2012,31(6):192-197.
          [7]羅成昌,李華,杜申偉.三峽電站廠房振動及測試[J] .水電能源科學, 2012,30(10):94-96.
          [8]中華人民共和國水利部.中小型水輪發電機組啟動試驗規程: SL 746-2016[S] .北京:中國水利水電出版社,2016.
          [9]陳婧,驟岳, 劉志明,等.水輪機壓力脈動誘發廠房振動分析[J] .水力發電, 2004,30(5);:24-27.

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