小浪底水電站水輪機水力振動監(jiān)測與評估

王忠強，張延智，屈偉強

（黃河水利水電開發(fā)總公司，河南 濟源459017）

大型水輪發(fā)電機組的振動來源主要有機械振動、電磁振動和水力振動。機械振動主要由機組轉(zhuǎn)動帶動軸承的不平衡受力引起，主要影響因素有軸線不對中、軸承各向性能不同、轉(zhuǎn)動或者靜止部件安裝松動、轉(zhuǎn)輪或發(fā)電機等轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量不平衡等，以轉(zhuǎn)頻為特征，可能出現(xiàn)的頻率為轉(zhuǎn)頻及其諧振頻率；電磁振動由發(fā)電機電磁特性引起，主要表現(xiàn)為電機轉(zhuǎn)子的磁拉力不平衡，一般以工頻及其諧振頻率為特征；水力振動主要由水力機械在運轉(zhuǎn)過程中受水壓脈動引起，主要表現(xiàn)為低于轉(zhuǎn)頻的振動，對機組甚至廠房造成的危害較大，相比機械振動和電磁振動，水力振動的測量和評估比較困難，常通過流道測壓管和頂蓋振動評估水力振動情況。

1 小浪底水輪機水力振動特性

小浪底水電廠為河南電網(wǎng)主力調(diào)峰調(diào)頻電源，安裝有6臺300 MW混流式機組，額定工作水頭112 m，額定轉(zhuǎn)速 107.1 r／min，設(shè)計工作水頭范圍 68～141 m。水頭大范圍變化導(dǎo)致工況變化較大，水輪機流道內(nèi)流態(tài)變化復(fù)雜。小浪底水輪機投產(chǎn)初期，在開機過程中因轉(zhuǎn)輪進口水力彈性脈動與主機旋轉(zhuǎn)軸系固有頻率（13 Hz）共振導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪多個葉片開裂，在停機過程中因葉片出水邊與尾水中的反向流作用形成的卡門渦與葉片固有頻率產(chǎn)生共振，進一步加劇了葉片開裂并伴隨停機噪聲，通過開機前進行尾水補氣、葉片出水邊修形、加快開機速度等措施解決了轉(zhuǎn)輪裂紋問題［1］。由此可見水力振動對小浪底水輪機穩(wěn)定性影響較大。

小浪底水輪機模型綜合運轉(zhuǎn)特性曲線如圖1所示，可以看出，為適應(yīng)大范圍水頭變化，水輪機運行范圍類似一個狹長多邊形，水輪機最優(yōu)工況基本集中在中高負荷區(qū)域，中低負荷區(qū)基本處于振動區(qū)，且區(qū)域較廣。為降低振動區(qū)對機組穩(wěn)定性的影響，一方面開機并網(wǎng)后增加導(dǎo)葉開啟速度，快速穿越低負荷振動區(qū)，另一方面為避開自動發(fā)電控制方式（AGC）下負荷頻繁調(diào)節(jié)導(dǎo)致的超調(diào)量進入振動區(qū)，AGC控制策略中對負荷下限增加20 MW余量，這種運行方式持續(xù)至今已近20 a，機組運行穩(wěn)定性良好。但這種方式使得單臺機可運行負荷區(qū)域進一步減小，以水頭132 m為例，可變負荷區(qū)域在220～300 MW之間，對于調(diào)峰調(diào)頻機組來說，單臺機出力范圍受限必然影響調(diào)頻調(diào)峰效果，同時提高開停機頻率。

圖1 小浪底水輪機模型綜合運轉(zhuǎn)特性曲線

2 水輪機水力振動測量方法

為進一步探索真機的允許運行范圍，判斷原型與模型運行曲線是否吻合，確定水力振動邊界，需配置比較齊全的振動和壓力脈動傳感器來評估所有工況下水輪機的穩(wěn)定性。通常尾水管壓力脈動測量選擇尾水管進人門處，其他常見的壓力脈動測量部位包括蝸殼進口、尾水錐管段上下游側(cè)、頂蓋下腔無葉區(qū)等。小浪底水輪機分別在蝸殼進口、頂蓋下腔處、尾水管進人門處及尾水管擴散段設(shè)置壓力脈動傳感器，并將測得信號引入狀態(tài)監(jiān)測盤柜，進行峰峰值、均方根計算及頻譜分析。壓力脈動傳感器配置見表1。

表1 壓力脈動傳感器配置

對于大型水輪發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)和固定結(jié)構(gòu)振動的測量，需根據(jù)預(yù)估的振動頻率范圍，選擇不同類型的振動傳感器，對于低頻振動通常測量振動位移［2］。小浪底機組轉(zhuǎn)頻較低，約為1.8 Hz，分別在頂蓋、機架等部位選擇低頻振動位移傳感器測量支撐部件絕對振動位移，同時為更好地評估異常壓力脈動對尾水管結(jié)構(gòu)造成的影響，借鑒測量和評價非旋轉(zhuǎn)部件機械振動的方法，在尾水管進人門與壓力脈動測點同位置安裝水平方向低頻振動位移傳感器，可以全面評估尾水管異常壓力脈動對尾水管壁的影響。水輪機振動傳感器具體配置見表2。

表2 振動傳感器配置

3 水輪機水力振動測量結(jié)果

為準確判斷真機的水力振動區(qū)，確定真機的振動邊界條件，避免機組長期在振動區(qū)和氣蝕區(qū)運行，參照模型特性曲線，在132 m工作水頭下分別選取200 MW（模型振動區(qū)）、220 MW（模型振動區(qū)邊界）、300 MW（最優(yōu)工況）負荷工況，實測流道各部位水力振動數(shù)值，見表3。

表3 1#機組不同負荷工況下尾水管各部位壓力脈動及振動數(shù)值

將表3數(shù)據(jù)進一步做成柱狀對比圖，如圖2所示。分別對尾水管進人門處壓力脈動和水平振動數(shù)據(jù)進行頻譜對比分析，如圖3（橫坐標表示壓力脈動頻率相對于轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，縱坐標表示壓力脈動峰峰值）、圖4所示（橫坐標表示振動頻率相對于轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，縱坐標表示振動峰峰值）。

圖2 不同負荷下的壓力脈動和振動數(shù)據(jù)對比

從表3以及圖2、圖3、圖4可以看出，3種負荷工況下尾水管進人門處壓力脈動最大值都在0.25倍轉(zhuǎn)頻附近，尾水管進人門處水平振動最大值在低負荷時出現(xiàn)在0.25倍轉(zhuǎn)頻附近，在高負荷時出現(xiàn)在2.25倍轉(zhuǎn)頻處，其他頻率振動分量均較小。一般地，在尾水管壁上測到的渦帶壓力脈動是螺旋形渦帶在測點所在斷面上偏心旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，有兩個顯著特征，一是出現(xiàn)在中間開度區(qū)，其最大幅值出現(xiàn)在50%開度左右，二是頻率約為轉(zhuǎn)頻的1／4［3］，由此可見，以上振動高點屬于典型的渦帶壓力脈動現(xiàn)象，并隨負荷（開度）減小逐漸增大，其中尾水管水平振動值在200 MW負荷時急劇增大，在300 MW負荷時則較小。

圖3 不同負荷下尾水管進人門處壓力脈動頻譜

圖4 不同負荷下尾水管進人門處水平振動頻譜

4 尾水管水力振動分析與評估

分析3種工況下水力振動特性，在300 MW負荷附近時水輪機運行在模型最優(yōu)工況區(qū)，渦帶壓力脈動最小，尾水管壁振動測值最小，機組穩(wěn)定性最好。從水輪機模型特性曲線中可以看出，132 m水頭下，在220 MW負荷時轉(zhuǎn)輪葉片負壓面進口邊渦帶已逐漸形成，在尾水管進人門處測得的壓力脈動和振動位移振幅開始上升，表明尾水管流道內(nèi)空腔氣泡開始增多，紊流形成，單一水體逐漸演變成水汽聯(lián)合體，其固有頻率逐漸接近渦帶壓力脈動頻率（0.25倍轉(zhuǎn)頻），共振條件逐漸具備，共振對尾水管壁影響開始增大。在負荷降至200 MW時，接近模型特性曲線允許運行區(qū)邊緣，水汽聯(lián)合體頻率與渦帶壓力脈動頻率一致，尾水管進人門處壓力脈動峰值繼續(xù)增大約1倍，其他部位脈動壓力和振動幅值也明顯上升，尾水管進人門處振動位移上升最大，相比300 MW負荷工況，振動位移值增大了近50倍，尾水管進人門處出現(xiàn)明顯的水體敲擊管壁產(chǎn)生的強烈噪音，機組運行穩(wěn)定性顯著降低，驗證了水力機組穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵是尾水管壓力脈動導(dǎo)致的振動［4］。

探究尾水管壁同一位置壓力脈動和振動幅值上升不一致的原因，一是壓力脈動測量僅反映尾水管進人門處一個點的水壓變化，遠離測點位置的水壓力脈動無法評估，單一測點不能反映全部尾水管內(nèi)壓力脈動變化情況；二是當(dāng)工況變化導(dǎo)致尾水管存在水汽聯(lián)合體時，由于氣泡的吸收和緩沖，因此越靠近渦流中心越與管壁處壓力不相等，當(dāng)尾水管水汽聯(lián)合體的固有頻率與尾水管壓力脈動頻率一致時，就會形成異常壓力脈動，異常壓力脈動是水輪機中最重要的共振體，其重要特征是對機組固定支持部件的垂直振動影響比較大，如尾水管擴散段以及導(dǎo)葉等水力結(jié)構(gòu)件，同時對轉(zhuǎn)輪葉片的動應(yīng)力也有很大影響［3］。因為尾水管壁為固定鋼結(jié)構(gòu)，具有良好的振動波傳遞效應(yīng)，所以尾水管進人門處振動位移能更靈敏地反映異常壓力脈動導(dǎo)致的尾水管受力情況。

在200 MW負荷下測得的頂蓋和尾水管壓力脈動幅值雖有較大幅度上升，但仍然遠低于文獻［2］中規(guī)定的10 m水頭區(qū)域，考慮到尾水管振動位移和振動噪聲突變，證明在該工況下水輪機運行是不穩(wěn)定的，同時說明，在132 m水頭下模型特性曲線界定的200～220 MW負荷振動過渡區(qū)是可信的，真機測量結(jié)果與模型曲線吻合，模型綜合特性曲線適用于指導(dǎo)真機運行。

5 結(jié) 論

（1）采用低頻振動位移傳感器測量尾水管振動位移來衡量尾水管內(nèi)壓力脈動影響是評估水輪機運行穩(wěn)定性的有效手段，其測得的振動幅值與尾水管噪聲呈現(xiàn)明顯一致性。

（2）相比點狀分布的壓力脈動測值，尾水管振動位移幅值變化與模型水輪機綜合特性曲線劃定的渦帶邊界、允許運行區(qū)域邊界更加吻合，表明尾水管壁振動位移更能準確反映尾水管壓力脈動和流態(tài)變化。

（3）小浪底水輪機模型綜合特性曲線反映的振動區(qū)和允許運行范圍與真機原型基本一致。模型特性曲線可以較好地指導(dǎo)運行人員調(diào)整機組負荷，在自動發(fā)電控制方式（AGC）下，可以用模型曲線界定AGC負荷邊界值。