白市電廠機(jī)組振動(dòng)區(qū)過(guò)大處理方案研究

朱代華 安元

（五凌電力股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

白市電廠機(jī)組振動(dòng)區(qū)過(guò)大處理方案研究

朱代華 安元

（五凌電力股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

本文簡(jiǎn)單介紹白市水電廠機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)區(qū)域偏大，在機(jī)組投入AGC后無(wú)法有效避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)，為改善以上現(xiàn)象而進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)，以此找出解決機(jī)組振動(dòng)區(qū)域偏大問(wèn)題，由此保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

水輪機(jī)；振動(dòng)；過(guò)流通道；安全運(yùn)行

引言

白市水電站位于沅水干流上游河段清水江的下游，壩址位于黔東南苗族侗族自治州天柱縣境內(nèi)，白市水電站樞紐主要由右岸壩后式廠房、河中溢流壩、左岸垂直升船機(jī)、兩岸非溢流壩及消力池等建筑物組成。壩頂高程304.50m，最大壩高68.00m，壩頂長(zhǎng)512.00m。電站正常蓄水位300.0m，相應(yīng)庫(kù)容6.14億m3，死水位294.0m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1.74億m3，汛限水位296.0m，裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量140MW，總裝機(jī)容量420MW，多年平均年電量12.36億kW·h。在機(jī)組正常蓄水后，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)偏大，經(jīng)過(guò)多方面檢查發(fā)現(xiàn)振動(dòng)源來(lái)自水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)偏大所致。

1 問(wèn)題的出現(xiàn)

貴州清水江水電有限公司白市水電站裝機(jī)3臺(tái)14萬(wàn)kW水電機(jī)組，2013年4月2臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中由于外部原因，機(jī)組上游水位一直未達(dá)到正常蓄水位，運(yùn)行時(shí)一直在低水位運(yùn)行狀態(tài)。尾水水位由于拖口一直未正常蓄水，也一直未達(dá)到正常水位狀態(tài)。由此導(dǎo)致機(jī)組投產(chǎn)后直到2015年3月一直在非正常運(yùn)行工況下進(jìn)行運(yùn)行。

2015年5月11日對(duì)三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，此次測(cè)試上游水位294m、下游水位246.68m。此前分別在上游水位300m、298m、296m進(jìn)行了機(jī)組振動(dòng)測(cè)試，報(bào)告認(rèn)為振動(dòng)區(qū)域較寬（如圖1），主要指標(biāo)體現(xiàn)在頂蓋垂直振動(dòng)上。

圖1 機(jī)組振動(dòng)測(cè)試圖

2 問(wèn)題的排查

2.1 為了排查振動(dòng)原因，決定在以下兩種狀態(tài)下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試對(duì)比，來(lái)確定主軸補(bǔ)氣閥對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

（1）將大軸補(bǔ)氣閥保持全開(kāi)狀態(tài)；

（2）恢復(fù)大軸補(bǔ)氣閥原狀進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

#2機(jī)組無(wú)大軸補(bǔ)氣閥狀態(tài)下，機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)過(guò)程中從電科院測(cè)試儀器屏幕顯示的頂蓋振動(dòng)峰值來(lái)看，機(jī)組從空載到3萬(wàn)kW振動(dòng)值為上升趨勢(shì)，3萬(wàn)kW達(dá)最大值，從4萬(wàn)kW到滿負(fù)荷呈下降趨勢(shì)。機(jī)組負(fù)荷5萬(wàn)～8萬(wàn)kWh，頂蓋真空破壞閥動(dòng)作，7萬(wàn)kWh動(dòng)作最強(qiáng)，但同1#未拆除大軸補(bǔ)氣閥運(yùn)行狀態(tài)相比，動(dòng)作是減輕的。開(kāi)機(jī)瞬間從主軸中心孔有一股灰塵吹出，馬上轉(zhuǎn)為吸氣狀態(tài)，3萬(wàn)kW開(kāi)始有明顯間歇吸氣聲音，5萬(wàn)～8萬(wàn)kW聲音逐漸加大，吸氣間隔逐漸縮短，8萬(wàn)～10萬(wàn)kW聲音減弱，吸氣接近連續(xù)，10萬(wàn)以上聲音基本消失。

有大軸補(bǔ)氣閥狀態(tài)，在機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)過(guò)程中從電科院測(cè)試儀器屏幕顯示的頂蓋振動(dòng)峰值來(lái)看，機(jī)組從空載到7萬(wàn)kW振動(dòng)值是上升趨勢(shì)，7萬(wàn)kW達(dá)最大值而后從7萬(wàn)kW到滿負(fù)荷呈下降趨勢(shì)，全部試驗(yàn)范圍該振動(dòng)值未超標(biāo)。機(jī)組負(fù)荷5萬(wàn)～8萬(wàn)kWh，頂蓋真空破壞閥動(dòng)作，7萬(wàn)kWh動(dòng)作最強(qiáng)，但與拆除大軸補(bǔ)氣閥運(yùn)行狀態(tài)相比，動(dòng)作稍有加劇。3萬(wàn)kW開(kāi)始有明顯間歇吸氣聲音，5萬(wàn)～8萬(wàn)kW聲音逐漸加大，吸氣間隔逐漸縮短，8萬(wàn)～10萬(wàn)kW聲音減弱，吸氣接近連續(xù)，10萬(wàn)以上聲音基本消失，整個(gè)過(guò)程聲音不大。

圖2為2#機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)，拆除大軸補(bǔ)氣閥與有大軸補(bǔ)氣閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2 2#機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)，有補(bǔ)氣閥和無(wú)補(bǔ)氣閥對(duì)比圖

從2#機(jī)試驗(yàn)初步數(shù)據(jù)看，在機(jī)組正常范圍內(nèi)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》（GB/T15468）規(guī)定的45～100%額定出力范圍）無(wú)補(bǔ)氣閥時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)要優(yōu)于有補(bǔ)氣閥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。機(jī)組在7萬(wàn)kW工況頂蓋振動(dòng)值下降9%，8萬(wàn)kW工況下降26.5%、9萬(wàn)kW工況下降74.8%、10萬(wàn)kW工況下降20.8%。

3#機(jī)上游水位296m時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，振動(dòng)較大的工況在40MW、60MW、70MW、80MW，相應(yīng)工況：

頂蓋垂直振動(dòng)頻率為 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

相應(yīng)蝸殼壓力脈動(dòng)頻率 1.44～5.65Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻率 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

尾水管壓力脈動(dòng)頻率 0.96Hz、0.96Hz、0.35～1.02Hz、0.72Hz。

3#機(jī)組上游294m水位工況下進(jìn)行空氣閥對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與2#機(jī)類似，拆除大軸補(bǔ)氣閥時(shí)機(jī)組振動(dòng)數(shù)值相對(duì)較小。機(jī)組在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)值沒(méi)有超標(biāo)現(xiàn)象，真空破壞閥動(dòng)作不明顯。

2.3 現(xiàn)象分析

（1）在2#機(jī)組4萬(wàn)～8萬(wàn)kW運(yùn)行區(qū)間機(jī)組大軸補(bǔ)氣非常明顯，同時(shí)機(jī)組頂蓋真空破壞閥在5萬(wàn)～8萬(wàn)kW運(yùn)行區(qū)間存在頻繁動(dòng)作，同時(shí)在此區(qū)間機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)幅值較大。

3#機(jī)組上游294m水位試驗(yàn)，從4萬(wàn)～8萬(wàn)kW運(yùn)行區(qū)間機(jī)組同樣大軸補(bǔ)氣非常明顯，但機(jī)組頂蓋真空破壞閥在此區(qū)間動(dòng)作輕微，同時(shí)機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)幅值相對(duì)2#機(jī)組明顯要小，機(jī)組非常穩(wěn)定。

頂蓋真空破壞閥動(dòng)作劇烈程度與頂蓋垂直振動(dòng)數(shù)值相關(guān)，從這個(gè)現(xiàn)象分析頂蓋垂直振動(dòng)與轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的壓力變化有關(guān)，這個(gè)壓力變化可能來(lái)自轉(zhuǎn)輪出口的壓力脈動(dòng)，為減輕機(jī)組軸向水推力，轉(zhuǎn)輪上冠開(kāi)有泄壓孔，上冠與頂蓋之間的壓力水通過(guò)泄壓孔、泄水錐與上冠之間的環(huán)腔與轉(zhuǎn)輪葉片出口相通，這一減壓措施有可能成為轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)向頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠腔體處傳遞的途徑。

（2）頂蓋垂直振動(dòng)較大時(shí)的振動(dòng)主頻率0.34Hz，此時(shí)的蝸殼壓力脈動(dòng)、無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻率同為0.34Hz。從這個(gè)現(xiàn)象看頂蓋振動(dòng)可能與蝸殼壓力脈動(dòng)、無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)有關(guān)，頂蓋上轉(zhuǎn)輪前到座環(huán)部分直接構(gòu)成水輪機(jī)流道，導(dǎo)葉前后的水壓脈動(dòng)會(huì)直接作用這部分頂蓋上，頂蓋振動(dòng)頻率與這兩個(gè)壓力脈動(dòng)頻率一致，因而機(jī)組引水流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)很可能是構(gòu)成頂蓋垂直振動(dòng)的一個(gè)主要激振源。

3 處理方案分析

3.1 針對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的影響，對(duì)于減輕尾水管壓力脈動(dòng)對(duì)頂蓋振動(dòng)的影響，有以下兩個(gè)方面可以考慮

（1）增強(qiáng)補(bǔ)氣降低尾水管壓力脈動(dòng)；

（2）隔斷傳遞通道或增加傳遞阻尼。

3.2 針對(duì)蝸殼、無(wú)葉區(qū)脈動(dòng)的影響

機(jī)組蝸殼與壓力鋼管流道直接對(duì)接，無(wú)葉區(qū)水流與導(dǎo)葉前水流有很好的連貫性，因而這部分的壓力脈動(dòng)作為頂蓋振動(dòng)源考慮，整個(gè)引水流道的壓力脈動(dòng)無(wú)法在機(jī)組上采取措施來(lái)減輕壓力脈動(dòng)和頻率的改變；而且這部分頂蓋直接構(gòu)成了流道的一部分，也無(wú)法采用隔斷傳遞路徑的方式來(lái)減輕頂蓋的壓力脈動(dòng)。

4 處理方案的實(shí)施

考慮拆除大軸補(bǔ)氣閥的試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組補(bǔ)氣噪音較大，相應(yīng)尾水管測(cè)得的壓力脈動(dòng)數(shù)值也不高，處理方案優(yōu)先考慮隔斷轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)向頂蓋下傳遞的路徑。

4.1 改變轉(zhuǎn)輪上冠泄壓通道

機(jī)組頂蓋振動(dòng)較大運(yùn)行范圍真空破壞發(fā)動(dòng)作較劇烈，因而判斷轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間出現(xiàn)有較大的壓力脈動(dòng)，這個(gè)壓力脈動(dòng)估計(jì)來(lái)源于轉(zhuǎn)輪后的壓力脈動(dòng)。該方案考慮將泄水錐內(nèi)側(cè)開(kāi)孔、封閉泄水錐與上冠之間的環(huán)縫，利用大軸補(bǔ)氣閥常開(kāi)狀態(tài)保持上冠與頂蓋之間的壓力穩(wěn)定。

該方案的實(shí)施需要流道排水，對(duì)泄水錐豎桶壁開(kāi)孔及對(duì)泄水錐斜錐體與上冠之間的環(huán)縫進(jìn)行封閉，如圖3。

圖3 泄水錐

4.2 改善尾水管補(bǔ)氣

通過(guò)機(jī)組有無(wú)大軸補(bǔ)氣閥的試驗(yàn)對(duì)比，感覺(jué)兩者的補(bǔ)氣量差別較大。較大補(bǔ)氣量有利于7萬(wàn)～10萬(wàn)kW出力時(shí)頂蓋垂直振動(dòng)減小。但從實(shí)測(cè)值來(lái)看增大補(bǔ)氣量尾水管壓力脈動(dòng)值沒(méi)有明顯差異，如圖4。

圖4 機(jī)組真空補(bǔ)氣閥

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)組投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)偏大，為了解決機(jī)組振動(dòng)區(qū)域偏大問(wèn)題而進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)，并在試驗(yàn)后找到解決以上問(wèn)題的方法，為以后類似問(wèn)題的處理具有參考價(jià)值。

[1]《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》（GB/T15468）

[2]《水力機(jī)械（水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)）振動(dòng)與脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（GB/T17189-2007）.

TV738

A

1004-7344（2016）08-0235-02

2016-3-1

朱代華（1983-），男，助理工程師，本科，主要從事水電站工作。