秘魯查格亞水電站機(jī)組穩(wěn)定性分析評價(jià)

吳 凡

（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌443000）

秘魯查格亞水電站距離首都利馬415km，位于安第斯山脈中部以東Huallaga河流域，裝機(jī)容量45.6萬kW，為徑流式日調(diào)節(jié)電站，年利用小時數(shù)5509h，年設(shè)計(jì)發(fā)電量25.19億kW·h，壩址以上流域面積7150km2，壩址多年平均流量164.35m3/s，機(jī)組滿發(fā)流量153.16m3/s，大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程1204m，最大壩高211m，壩頂長度274m，正常蓄水位1196m，庫容3.55億m3，調(diào)節(jié)庫容225萬m3，于2011年5月開工建設(shè)，2016年9月投入商業(yè)運(yùn)營。電站包括2臺22.5萬kW的立式混流水輪機(jī)組和1臺0.6萬kW的臥式混流水輪機(jī)組，針對新投運(yùn)的電站機(jī)電設(shè)備，本研究對機(jī)組振動與穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)全面的現(xiàn)場測試和分析評價(jià)。

1 技術(shù)參數(shù)

電站的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1，本文的分析研究基于瑞典SKF公司2017年底對電站2臺立式混流水輪機(jī)組進(jìn)行的振動測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場振動測試設(shè)備及軟件如表2。

表1 振動測試相關(guān)機(jī)組技術(shù)參數(shù)

表2 振動測試設(shè)備及軟件

2 傳感器布置

本次振動及穩(wěn)定性測試在上、下、水導(dǎo)軸承，推力軸承，定子鐵心，定子基座，上機(jī)架，下機(jī)架，頂蓋，以及發(fā)電機(jī)蓋板處共布置了19支傳感器，相應(yīng)傳感器布置位置如圖1，不同類型傳感器分布如表3、表4。

圖1 傳感器布置示意圖

表3 Bentley傳感器清單

表4 SKF傳感器清單

3 分析依據(jù)

本文的振動測試及穩(wěn)定性分析評價(jià)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，鑒于GB/T 6075.5-2002在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組，在技術(shù)內(nèi)容上與ISO 10816.5-2000 Mechanical vibration - Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts Part 5:Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants 相同，GB/T 11348.5-2008旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組，在技術(shù)內(nèi)容上與ISO 7919.5-2005 Mechanical vibration - Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts Part 5:Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants相同，本文統(tǒng)一采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6075.5-2002、GB/T11348.5-2008，結(jié)合GB/T 7894-2009水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件以及GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范，完成機(jī)組的振動分析及穩(wěn)定性評價(jià)。

對照GB/T 6075.5-2002，查格亞的立式混流機(jī)組為第3類機(jī)組，其軸承座全部安裝在基礎(chǔ)上，對于其軸承座絕對振動的測量，通常用慣性傳感器測量振動速度均方根值Vrms，單位為mm/s，或者通過積分后得到振動位移峰峰值Sp-p，單位為μm，若忽略支架的振動響應(yīng)，也可將位移傳感器固定在剛性支架上直接測量振動位移峰峰值Sp-p，通常測量上游方向以及與之成90°夾角的方向，如果分別用振動速度和位移劃定區(qū)域邊界值，評價(jià)時應(yīng)采用更嚴(yán)格的測量量[1]，標(biāo)準(zhǔn)如表 5、表 6。

表5 GB/T 6075.5-2002對機(jī)組軸承座最大振動幅值的區(qū)域劃分

表6 GB/T 6075.5-2002推薦的第3類機(jī)器的評價(jià)區(qū)域邊界值

根據(jù)GB/T 11348.5-2008，鑒于立式水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸振動軌跡的特殊性，推薦測量值為相對振動位移最大值Smax，由于大多數(shù)測量系統(tǒng)以測量方向上的振動位移峰峰值Sp-p顯示，所以位移幅值評定準(zhǔn)則由兩種測量值確定，分析評價(jià)時盡量避開低負(fù)荷和超負(fù)荷的非正常運(yùn)行工況以及開機(jī)和停機(jī)過程中的瞬態(tài)運(yùn)行工況，盡量選擇穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下主要承載軸承處沿徑向方向測得的轉(zhuǎn)軸振動值[2]，標(biāo)準(zhǔn)如表7。

表7 GB/T 11348.5-2008對機(jī)組轉(zhuǎn)軸最大振動幅值的區(qū)域劃分

根據(jù)查格亞機(jī)組技術(shù)參數(shù)和本次振動測試的試驗(yàn)設(shè)備，對于機(jī)組轉(zhuǎn)軸的振動，即擺度測量評價(jià)采用振動位移峰峰值Sp-p，對應(yīng)于圖2大區(qū)A-B與大區(qū)C-D的邊界值為245μm，區(qū)域A與區(qū)域B的邊界值為145μm，區(qū)域C與區(qū)域D的邊界值為480μm。

綜合上述軸承座振動和轉(zhuǎn)軸振動國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6075.5-2002、GB/T 11348.5-2008，本文的振動測試及穩(wěn)定性分析評價(jià)限值如表8。

圖2 GB/T 11348.5-2008對機(jī)組轉(zhuǎn)軸振動位移的推薦評價(jià)區(qū)域界限

表8 本文采用的振動測試及穩(wěn)定性分析評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

另外，GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范以及GB/T 7894-2009水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件對立式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中的各部位振動雙振幅值有相應(yīng)限值[3-4]如表9，查格亞機(jī)組轉(zhuǎn)速為300r/min，電網(wǎng)頻率為60Hz，對應(yīng)于表中的限值分別為頂蓋水平振動50μm，頂蓋垂直振動60μm，軸承支架垂直振動50μm，軸承支架水平振動70μm，定子鐵心基座水平振動20μm，定子鐵心振動（120Hz）參照表中100Hz雙振幅值取30μm。

表9 GB/T 8564-2003立式水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動允許值，Sp-p，mm

4 測試過程

1號機(jī)組振動測試于2017年12月6日進(jìn)行，具體為14:42開始，16:34結(jié)束，持續(xù)時間112min，涵蓋了機(jī)組開機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載、同期并網(wǎng)、帶不同負(fù)荷的全過程，負(fù)荷工況下選擇了50%、60%、70%、80%、90%、100%的不同測點(diǎn)。2號機(jī)組振動測試于2017年12月5日～6日進(jìn)行，具體為22:32開始，00:26結(jié)束，持續(xù)時間114min，涵蓋了機(jī)組帶不同負(fù)荷、解列、空載、空轉(zhuǎn)、停機(jī)的全過程，負(fù)荷工況下選擇了100%、90%、80%、70%、60%、50% 的 不 同 測 點(diǎn)。具體測試時點(diǎn)如表10、表11，測試工況曲線如圖3。

表10 1號機(jī)組振動測試工況列表

表11 2號機(jī)組振動測試工況列表

5 分析評價(jià)

1號機(jī)組現(xiàn)場測試部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄如表12。

數(shù)據(jù)分析如下：

（1）1號機(jī)組軸承擺度較好，70%負(fù)荷以下擺度主頻為轉(zhuǎn)頻5Hz和渦帶頻率1.25Hz，70%負(fù)荷以上擺度主頻為轉(zhuǎn)頻5Hz，根據(jù)本次測試初步判斷1號機(jī)組渦帶區(qū)位于40%～55%負(fù)荷區(qū)，當(dāng)機(jī)組處于50%負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時，水導(dǎo)擺度頻譜中產(chǎn)生1.25Hz（0.25倍轉(zhuǎn)頻）的頻率分量，峰峰值超過245μm，擺度數(shù)據(jù)如圖4、圖5。除渦帶區(qū)外，機(jī)組擺度位于GB/T11348.5-2008標(biāo)準(zhǔn)A區(qū)，可以長期運(yùn)行。

表12 1號機(jī)組現(xiàn)場測試部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄，擺度峰峰值μm，速度均方根值mm/s

圖3 機(jī)組振動測試工況曲線

圖4 水導(dǎo)擺度峰峰值數(shù)據(jù)（測點(diǎn)VECMA001、VECMA002）

（2）定子鐵心振動最大值為1.15mm/s，勵磁后主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為4.32μm，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894-2009對于鐵心振動限值30μm的要求，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值A(chǔ)區(qū)，可以長期運(yùn)行。頂蓋振動最大值為1.58mm/s，位于60%負(fù)荷工況，主頻為0.625Hz，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值A(chǔ)區(qū)，可以長期運(yùn)行。下機(jī)架振動最大值為3.77mm/s，位于60%額定負(fù)荷工況，其余負(fù)荷區(qū)域振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值B區(qū)以內(nèi)，可以長期運(yùn)行。推力軸承振動最大值為2.58mm/s，位于100%負(fù)荷工況，其余負(fù)荷區(qū)域振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值A(chǔ)區(qū)，可以長期運(yùn)行。

（3）發(fā)電機(jī)蓋板振動最大值為9.58mm/s，位于空載工況，其余工況振動位于6.87～9.58mm/s之間，主頻為120Hz，振動數(shù)據(jù)如圖6。由于發(fā)電機(jī)蓋板沒有相應(yīng)振動標(biāo)準(zhǔn)，對比國內(nèi)機(jī)組發(fā)電機(jī)上蓋板振動，該發(fā)電機(jī)蓋板振動較大，可能原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)上蓋板剛度較差，固有頻率與發(fā)電機(jī)120Hz極頻相近而發(fā)生共振，建議通過增加上蓋板剛度，改變上蓋板固有頻率等常規(guī)技術(shù)手段加以處理。

2號機(jī)組現(xiàn)場測試部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄如表13。

表13 2號機(jī)組現(xiàn)場測試部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄，擺度峰峰值μm，速度均方根值mm/s

數(shù)據(jù)分析如下：

圖5 水導(dǎo)擺度頻譜數(shù)據(jù)（測點(diǎn)VECMA001、VECMA002）

圖6 發(fā)電機(jī)蓋板及定子基座2振動數(shù)據(jù)（測點(diǎn)Acc_cover、Acc_s_fr2）

（1）2號機(jī)組軸承擺度較1號機(jī)偏大，同1號機(jī)組，2號機(jī)組70%負(fù)荷以下擺度主頻為轉(zhuǎn)頻5Hz和渦帶頻率1.25Hz，70%負(fù)荷以上擺度主頻為轉(zhuǎn)頻5Hz，根據(jù)本次測試初步判斷2號機(jī)組渦帶區(qū)位于45%～60%負(fù)荷區(qū)，當(dāng)機(jī)組處于50%、60%負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時，水導(dǎo)擺度頻譜中產(chǎn)生1.25Hz（0.25倍轉(zhuǎn)頻）的頻率分量，峰峰值超過245μm，擺度數(shù)據(jù)如圖7、圖8。除渦帶區(qū)外，機(jī)組擺度位于GB/T 11348.5-2008標(biāo)準(zhǔn)B區(qū)，可以長期運(yùn)行。

圖7 水導(dǎo)擺度峰峰值數(shù)據(jù)（測點(diǎn)VECMA001、VECMA002）

圖8 水導(dǎo)擺度頻譜數(shù)據(jù)（測點(diǎn)VECMA001、VECMA002）

（2）定子鐵心振動最大值為2.08mm/s，勵磁后主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為7.8μm，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894-2009對于鐵心振動限值30μm的要求，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值B區(qū)以內(nèi)，可以長期運(yùn)行。頂蓋振動最大值為1.91mm/s，位于空轉(zhuǎn)工況，主頻為0.625Hz，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值A(chǔ)區(qū)，可以長期運(yùn)行。下機(jī)架振動最大值為2.73mm/s，位于空載工況，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值B區(qū)以內(nèi)，可以長期運(yùn)行。推力軸承振動最大值為2.20mm/s，位于空載工況，振動位于GB/T 6075.5-2002標(biāo)準(zhǔn)振動限值A(chǔ)區(qū)，可以長期運(yùn)行。

（3）發(fā)電機(jī)蓋板振動最大值為13.88mm/s，位于50%負(fù)荷工況，其余工況振動位于4.65～13.41mm/s之間，主頻為120Hz，振動數(shù)據(jù)如圖9。由于發(fā)電機(jī)蓋板沒有相應(yīng)振動標(biāo)準(zhǔn)，對比國內(nèi)機(jī)組發(fā)電機(jī)上蓋板振動，該發(fā)電機(jī)蓋板振動較大，可能原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)上蓋板剛度較差，固有頻率與發(fā)電機(jī)120Hz極頻相近而發(fā)生共振，建議通過增加上蓋板剛度，改變上蓋板固有頻率等常規(guī)技術(shù)手段加以處理。

（4）發(fā)電機(jī)定子基座振動最大值為10.03mm/s，位于60%負(fù)荷工況，主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為37.7μm，超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894-2009對于定子基座振動限值20μm的要求，振動數(shù)據(jù)如圖9，此時機(jī)組處于非常規(guī)工況，需要限制機(jī)組在此負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行。

圖9 發(fā)電機(jī)蓋板及定子基座2振動數(shù)據(jù)（測點(diǎn) Acc_cover、Acc_s_fr2）

6 結(jié)論

綜合上述的振動測試和穩(wěn)定性分析，1號機(jī)組處于良好運(yùn)行狀態(tài)，但在50%負(fù)荷區(qū)域由于1.25Hz頻率的產(chǎn)生而導(dǎo)致水導(dǎo)擺度增大，此區(qū)域通常與水流擾動有關(guān)，稱為渦帶振動區(qū)[5]（RLZ），此區(qū)域與1號機(jī)組帶部分負(fù)荷時呈現(xiàn)的渦流現(xiàn)象相吻合，故應(yīng)限制1號機(jī)組在50%負(fù)荷區(qū)域以下運(yùn)行。2號機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但在50%、60%負(fù)荷區(qū)域由于1.25Hz頻率的產(chǎn)生而導(dǎo)致水導(dǎo)擺度增大，此渦帶振動區(qū)（RLZ）同樣與2號機(jī)組帶部分負(fù)荷時呈現(xiàn)的渦流現(xiàn)象相吻合。同時2號機(jī)組在60%負(fù)荷區(qū)域由于120Hz的極頻振動導(dǎo)致定子基座振動超標(biāo)，屬于機(jī)組的非正常運(yùn)行工況，故應(yīng)限制2號機(jī)組在60%負(fù)荷區(qū)域以下運(yùn)行。