某小型水電站廠房振動(dòng)原因及對(duì)策初探

呂長斌

摘 要： 通過分析某水電站水輪機(jī)組振動(dòng)危害及其產(chǎn)生原因，進(jìn)行廠房和機(jī)組振動(dòng)測試、聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)測試，通過振動(dòng)測試數(shù)據(jù)分析此類振動(dòng)產(chǎn)生原因并提出應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)及避振措施

【中圖分類號(hào)】TM312 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）20-0174-02

水輪發(fā)電機(jī)組最嚴(yán)重危害之一為振動(dòng)，它不但惡化機(jī)組的運(yùn)行條件，同時(shí)損壞機(jī)組某些部件，進(jìn)一步誘發(fā)安全事故。因水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，水電站急需解決的難題就是如何消除好發(fā)電機(jī)組振動(dòng)，以下剖析某電站機(jī)組的振動(dòng)情況以及危害性，討論利用何種辦法來消除這種水輪機(jī)振動(dòng)。

1 工程概況

湖南省湘西州某水電站的構(gòu)成部分有進(jìn)水閘、引水渠道、發(fā)電廠房與附屬建筑物。電站為引水式，容量2×250kW，水輪機(jī)型號(hào)為ZDT03-LH-180，額定水頭2.8m，水頭的最高值與最低值為3.1m和2.4m，額定流量11.9m3/s。機(jī)組間距6.5m，該廠房采用板梁式機(jī)墩，發(fā)電機(jī)座落在2跨連續(xù)梁上。在機(jī)組空載運(yùn)行和試運(yùn)行期間，在現(xiàn)場聽到一種悶雷般的轟鳴聲，感覺到機(jī)組在劇烈振動(dòng)，為揭示振動(dòng)原因，由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了振動(dòng)測試，包括廠房和機(jī)組振動(dòng)測試、聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)測試，通過振動(dòng)測試數(shù)據(jù)分析振動(dòng)產(chǎn)生原因及應(yīng)對(duì)策略。

2 機(jī)組振動(dòng)分析

2.1 機(jī)組振動(dòng)的危害性。

振動(dòng)不但使機(jī)組的運(yùn)輸速度放慢，且會(huì)誘發(fā)出其它問題，甚至?xí)箼C(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)受阻，主要以下面幾個(gè)層面為主：

1）機(jī)組振動(dòng)時(shí)其部件會(huì)發(fā)生彈性形變和塑性形變，致使某些材料產(chǎn)生疲勞、裂縫與斷裂，還會(huì)破壞連接金屬零部件的焊縫，時(shí)間一長還會(huì)進(jìn)一步加劇，裂紋使零部件變壞且沒法再使用。

2）振動(dòng)會(huì)松動(dòng)機(jī)組不同部位間連接緊固的地方，時(shí)間一長就會(huì)使緊固件本身斷開，甚至?xí)?dòng)相連位置的振動(dòng)，時(shí)間一久就變壞了。

3）振動(dòng)會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件間的摩擦增多。

4）水流壓力的沖擊下會(huì)撕裂尾水管壁，嚴(yán)重時(shí)會(huì)沖掉整塊鋼板。

5）振動(dòng)會(huì)使機(jī)組動(dòng)力供應(yīng)不足，運(yùn)行范圍縮減，減少使用期限。

6）機(jī)組振動(dòng)過程中會(huì)帶動(dòng)基礎(chǔ)廠房部件與引水壓力鋼管發(fā)生共振，共振厲害時(shí)會(huì)損壞整個(gè)設(shè)備，甚至?xí)?duì)廠房形成破壞。

7）振動(dòng)頻繁會(huì)改變機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，不但使機(jī)組的負(fù)荷分配不當(dāng)，還影響到供電質(zhì)量，大幅縮減機(jī)組的使用時(shí)長，進(jìn)而危及到電站的安穩(wěn)運(yùn)行與電力體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 機(jī)組振動(dòng)原因。

水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的原因較多且相當(dāng)繁瑣，一般會(huì)存在各種隱伏的振源，通常是從水力、機(jī)構(gòu)、電力三個(gè)層面來產(chǎn)生振動(dòng)干擾源，三者之間互相制約作用，經(jīng)常會(huì)作用于一起，形成耦合振動(dòng)。

通過 查找設(shè)計(jì)文件，發(fā)電機(jī)層梁、板經(jīng)用廣廈結(jié)構(gòu)17.0版本計(jì)算，其擾力，允許振動(dòng)線位移及當(dāng)量荷載按下表采用。

注意：表中當(dāng)量荷載中，已包括材料的疲勞影響系數(shù)2.0。Wg為機(jī)器轉(zhuǎn)子重（kN）。

想要使廠房結(jié)構(gòu)與動(dòng)力機(jī)器不產(chǎn)生共振，涵蓋總體共振與部分共振，就需要得到廠房結(jié)構(gòu)自振頻率，讓其與機(jī)器干擾頻率比于0.75～1.25之外?？梢罁?jù)實(shí)際測量、試驗(yàn)或理論運(yùn)算法來確定廠房結(jié)構(gòu)自振頻率。

機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分偏心引起的振動(dòng)頻率正常轉(zhuǎn)速時(shí)n1=150次/分，飛逸轉(zhuǎn)速np=428次/分;水力沖擊引起的振動(dòng)頻率n2=2400次/分。廠房自振第一主振型n1=76.8次/分，第二振型n1=86.22次/分，可見廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率與機(jī)器擾頻率之比在0.75～1.25以外。

垂直振幅：A1=0.0063mm<0.15mm

水平橫向和扭轉(zhuǎn)振幅之和：

正常運(yùn)行：A2+A3=0.0013mm<0.20mm;

飛逸時(shí)：? A2P=0.0004mm<0.20mm;

短路時(shí)：A2+A′3=0.0002+0.00039=0.00059mm<0.20mm，

振幅均滿足要求。

廠房結(jié)構(gòu)的共振、振幅和動(dòng)力系數(shù)驗(yàn)算均滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，并使用深圳市勝利高電子科技有限公司生產(chǎn)的VC63B測振儀進(jìn)行了廠房和機(jī)組振動(dòng)測試。

VC63B測振儀的主要參數(shù)如下表：

測量結(jié)果如下：

由設(shè)計(jì)資料和振動(dòng)測試，廠房結(jié)構(gòu)的振幅值滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。

水力誘發(fā)的振動(dòng)。如尾水管中渦帶誘發(fā)振動(dòng)、機(jī)組遠(yuǎn)離最優(yōu)運(yùn)行工況區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)、止漏環(huán)間隙大小不一、蝸殼及導(dǎo)葉引水不均的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖擊、卡門渦列、空腔汽蝕、間隙射流等。經(jīng)查閱施工時(shí)的照片和相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)在施工時(shí)為加快施工進(jìn)度，肘管段設(shè)了鋼板里襯，但是肋板與拉筋不多，未緊密地連接到混凝土，從而在尾水管中形成空腔渦帶引起振動(dòng);經(jīng)四年運(yùn)行，水輪機(jī)的輪葉沒有出現(xiàn)麻點(diǎn)、蜂窩狀蝕坑等現(xiàn)象;電站發(fā)電單機(jī)出力小于100kW則出現(xiàn)振動(dòng)，說明機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況區(qū)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。簡而言之，本電站由水力引起振動(dòng)的原因可為兩類：尾水管中渦帶引起振動(dòng)、機(jī)組偏離最優(yōu)運(yùn)行情況而誘發(fā)的振動(dòng)。

聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)測試于發(fā)電機(jī)層布設(shè)6個(gè)測量點(diǎn)位，使用深圳市勝利高電子科技有限公司生產(chǎn)的VC824數(shù)字噪音計(jì)，發(fā)電機(jī)層噪音平均值為99.3dB，值班室三合一屏正前方噪音平均值為79.5dB。

通過分析研究和振動(dòng)測試，本水輪機(jī)組振動(dòng)的原因主要為水力引起的振動(dòng)，次為機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況區(qū)，再為聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)。

3 機(jī)組振動(dòng)防治方法

3.1 保證結(jié)構(gòu)的剛度和抗振條件

由于框架梁既為結(jié)構(gòu)梁又作為機(jī)墩，首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行精確計(jì)算，其動(dòng)力計(jì)算應(yīng)進(jìn)行共振、振幅和動(dòng)力系數(shù)驗(yàn)算。作為廠房，首先要確保機(jī)墩自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之差和自振頻率之比值應(yīng)高于20%;垂直振幅不大于0.15mm，水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和不超過0.20mm。

單機(jī)容量為500kW～3000kW的小型機(jī)組，環(huán)形梁柱式機(jī)墩和梁柱剛架式機(jī)墩的強(qiáng)度與剛度要求可達(dá)標(biāo)。由于板梁式機(jī)墩的剛度較小，在單機(jī)容量為500kW以下的小型機(jī)組，可以采用板梁式機(jī)墩，必須保證機(jī)墩所在大梁的強(qiáng)度和剛度，在連續(xù)梁中間支座的梁端有必要加腋以保證扭轉(zhuǎn)剛度。

在施工時(shí)為加快施工進(jìn)度而在肘管段主設(shè)定的鋼板里襯，要使用較多的肋板與拉筋，以確保其與混凝土密切相連在一起，以防止尾水管中構(gòu)成空腔渦帶而誘發(fā)振動(dòng)。

3.2 避振運(yùn)行

為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，要預(yù)防機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)與空蝕的運(yùn)行范疇。依據(jù)近四年運(yùn)行記錄得出，發(fā)電機(jī)單機(jī)出力小于100kW則出現(xiàn)振動(dòng)，說明機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況區(qū)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。尋找各種水頭下機(jī)組單機(jī)運(yùn)行的最低流量與當(dāng)時(shí)運(yùn)行情況，聯(lián)合ZDT03-LH-180型水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)曲線，為了保證安全，縮減機(jī)組的振動(dòng)，減小汽蝕，單機(jī)運(yùn)行最低流量要限定于4.5m3/s之上。

3.3 尾水管適時(shí)適量補(bǔ)氣

渦帶壓力脈動(dòng)制約機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵原因?yàn)檎駝?dòng)、擺度、功率擺動(dòng)以及其它附屬條件?？衫孟蛭菜苓M(jìn)口補(bǔ)氣的方法來損壞其中的真空渦帶。水電站機(jī)組運(yùn)離最優(yōu)運(yùn)行情況（通常是40%～70%的額定工況）時(shí)，運(yùn)行人員可對(duì)尾水管真空數(shù)據(jù)隨時(shí)了解，當(dāng)真空度超過限定值時(shí)，需要開啟補(bǔ)氣短管閥門，補(bǔ)充一定量的氣體，讓真空度保持于一定的數(shù)值之內(nèi)。依據(jù)實(shí)踐，當(dāng)?shù)貐^(qū)海拔高度低于1000m以下時(shí)，尾水管真空度最佳值在13.33kPa～20kPa之間。機(jī)組在高負(fù)荷作業(yè)時(shí)會(huì)降低補(bǔ)氣效率，此時(shí)要關(guān)停補(bǔ)氣閥，向尾水管充入適量的氣體可降低尾水管渦帶脈動(dòng)壓力，使機(jī)組不再發(fā)生振動(dòng)。補(bǔ)氣運(yùn)行中要注重真空度不能過低，以防損失較多的水能。

3.4 噪聲防護(hù)

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)層的噪聲限制值為85dB（每日不間斷接觸噪聲8h），機(jī)組控制室、配電柜室（室內(nèi)背景噪聲級(jí)）的噪聲限制值為70dB，經(jīng)過聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)測試，測試數(shù)值均高于標(biāo)準(zhǔn)值，因此運(yùn)行巡視人員應(yīng)使用臨時(shí)噪聲防護(hù)用具。

4 結(jié)語

總而言之，防治好水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)工作，一定要依據(jù)水輪機(jī)的現(xiàn)實(shí)振動(dòng)狀況，將誘發(fā)水輪機(jī)組振動(dòng)的主要原因大體上劃分為水力、電力、機(jī)械三個(gè)層面的要素來探究，剖析振動(dòng)產(chǎn)生的根源、振動(dòng)的特點(diǎn)，給電廠生產(chǎn)管理、運(yùn)行、檢修人員給予一定借鑒，進(jìn)而編制出對(duì)應(yīng)的防治與消振辦法。

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