抽水蓄能電站廠房樓板振動測試分析研究

張米高楊，伍鶴皋，傅 丹，孫世博

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢430072；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢430010）

0 引言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，在電網(wǎng)中的作用和地位日趨顯著。由于水泵水輪機具有抽水和發(fā)電工況變化頻繁的特點，蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)的振動涉及結(jié)構(gòu)、水力、機械、電磁等4個方面，且相互之間存在耦聯(lián)，因此振動機理非常復(fù)雜［1-4］。振動問題也是我國在運行的抽水蓄能電站廠房的常見問題，如黑麋峰、蒲石河振動較嚴重；宜興、泰安運行中有導(dǎo)葉振動問題；而張河灣不僅有機組振動問題，還存在廠房振動及噪聲較高的問題［5，6］，針對這些電站的振動問題的原因及改進方法已有一些研究［7，8］。

目前已有不少關(guān)于廠房振源的研究成果［9-12］，機械、電磁振動的分析與控制已日益成熟，水力振動仍然存在動靜干涉和相位共振等關(guān)鍵科學(xué)問題值得進一步深入研究［13，14］。因為水力振動相關(guān)問題涉及較多復(fù)雜問題：如水流流經(jīng)流道時形成夾有渦帶的湍流、水輪機流道邊界復(fù)雜、流道各部分脈動壓力差異大等［15］，其三維數(shù)值模擬有較大難度，模擬過程不得不基于許多人為假定，這也導(dǎo)致了蓄能電站廠房的振動研究目前仍離不開模型實驗和原型觀測等主要手段，因為其能更好地保證結(jié)果的真實性，對數(shù)值分析結(jié)果進行驗證和反饋。目前已有研究利用實測數(shù)據(jù)探究了廠房振動與無葉區(qū)動靜干涉之間的聯(lián)系［16］，也有學(xué)者基于優(yōu)化后的算法及實測機組振動數(shù)據(jù)建立模型，對廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行預(yù)測［17］。

本文在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，首先對振動加速度、速度、位移進行時域分析，然后對不同工況下的振動進行頻域分析，分析其頻率組成以及頻率組成隨著時間的變化情況。

1 工程概況與測試

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站安裝3 臺單機容量200 MW 的可逆式水泵水輪機組，額定水頭308 m，額定轉(zhuǎn)速375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為544 r/min。主廠房寬度24.00 m，機組間距22.50 m，采用“一機一縫”布置方式，機組段之間設(shè)伸縮縫。蝸殼層高7.40 m，水輪機層高5.00 m，中間層高5.20 m，各層樓板厚度均為1 000 mm，混凝土強度等級為C30。

1.2 測試工況

測試工況包括25%、50%、75%和100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況（編號分別為G-25%、G-50%、G-75%和G-100%），25%、50%、75%和100%甩負荷工況（編號分別為LR-25%、LR-50%、LR-75%和LR-100%）。

1.3 測點位置

各層測點位置示意圖如圖1、2所示，X向為廠房縱向，Y向為廠房上下游方向，Z向為鉛直向。蝸殼層測點位于蝸殼上游區(qū)域，水輪機層、中間層、發(fā)電機層測點分別位于各層樓板的球閥孔附近。測試的物理量為振動加速度，采樣頻率為512 Hz。測點位置信息如表1所示。選用的傳感器為中國地震局工程力學(xué)研究所研制的941B 型拾振器，采集儀為INV 采集儀，采集系統(tǒng)為DASP采集系統(tǒng)，測試時選擇的采樣頻率為512 Hz。

表1 INV采集儀采集通道信息統(tǒng)計

圖1 測點位置示意圖

圖2 各層測點布置圖

1.4 振源分析

該抽水蓄能電站水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，導(dǎo)葉片數(shù)為20。根據(jù)相關(guān)理論，由水輪機轉(zhuǎn)速可推斷本電站可能的機械振源頻率主要為6.25、9.07 Hz；電磁振源頻率主要為6.25、9.07 Hz及其倍頻，以及定子極頻振動頻率50 和100 Hz；水力振源主要包括1～2 Hz的低頻渦帶，5～7.5 Hz的中頻渦帶，以及轉(zhuǎn)輪葉片頻率及其倍頻（56.25，112.5，168.75和225 Hz）等［18］。

2 振動時域分析

2.1 振動時域描述

比較各個測點的振動加速度時域圖發(fā)現(xiàn)，在同一工況下，不同測點的時域圖基本相似，水輪機層鉛直向測點（2Z測點）的振動較大，故以該測點為代表分析振動時域特征。對振動加速度信號分別進行一次積分和兩次積分可得到振動速度和振動位移信號。100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況（G-100%）和100%甩負荷工況（LR-100%）下2Z 測點的振動時域圖如圖3、圖4所示。從100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況下的振動時域圖可以看出，振動呈現(xiàn)出比較明顯的規(guī)律性。而從100%甩負荷工況下的振動時域圖可以看出，振動在甩負荷動作開始后急劇增大，出現(xiàn)兩個局部峰值。

圖3 100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況下2Z測點振動時域圖

圖4 100%甩負荷工況下2Z測點振動時域圖

2.2 振動測試結(jié)果分析

2.2.1 振動加速度

不同負荷穩(wěn)態(tài)運行和甩負荷工況下各測點振動加速度有效值分別如圖5、6所示。

圖5 不同負荷穩(wěn)態(tài)運行工況下加速度有效值

圖6 不同甩負荷工況下加速度有效值

從圖5、6可以看出：

（1）各測點不同方向的振動加速度有效值大致隨著負荷的增加而先增大后減小，最大值大多出現(xiàn)在75%或100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況；在空間上，中間層測點的振動加速度最大，水輪機層和發(fā)電機層次之，而蝸殼層最小；其中各測點的振動加速度最大有效值出現(xiàn)在中間層（3Z）鉛直向，在100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況時最大有效值為0.578 m/s2，滿足振動加速度控制標準。

（2）同一層樓板不同方向的振動加速度大致具有以下規(guī)律：對于蝸殼層，縱向最大，上下游方向次之，而鉛直向最小；對于水輪機層，鉛直向最大，縱向次之，上下游方向最??；對于中間層，大致為鉛直向結(jié)果最大，上下游方向次之，縱向最小；對于發(fā)電機層，縱向結(jié)果最大，鉛直向次之，上下游方向最小。

（3）甩負荷工況下，水輪機層的振動加速度最大，中間層次之，而發(fā)電機層和蝸殼層較?。欢鴮τ谕粚訕前宀煌较虻恼駝?，大致規(guī)律為：鉛直向振動加速度最大，上下游向次之，縱向最小。各層樓板3個方向振動加速度有效值的最大值都出現(xiàn)在100%甩負荷工況時的水輪機層樓板上，其值分別為0.984、1.065 和1.339 m/s2，但均小于10 m/s2，滿足振動加速度控制標準。

甩負荷工況一般持續(xù)時間較短，大多僅持續(xù)幾秒時間至20 s，但是由于其產(chǎn)生的振動很大，因此為了水電站廠房的安全運行，應(yīng)該盡量避免在該工況長期運行，以免樓板發(fā)生破壞，或者優(yōu)化甩負荷操作過程以減小由于甩負荷產(chǎn)生的過大振動。

2.2.2 振動速度和位移

不同負荷穩(wěn)態(tài)運行工況和不同甩負荷工況下，各測點的振動速度有效值如圖7、8所示，各測點振動位移有效值的如圖9、10所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)運行工況下振動速度有效值

圖8 甩負荷工況下振動速度有效值

圖9 穩(wěn)態(tài)運行工況下振動位移有效值

圖10 甩負荷工況下振動位移有效值

從圖7～10可以看出，各工況下振動速度和振動位移較大值基本上都出現(xiàn)在水輪機層和中間層。其中在100%甩負荷工況下，2Z和3Z測點的振動速度分別達到了7.2和5.6 mm/s，超過了振動速度控制標準5 mm/s；2Z 測點的振動位移達到了231.8 μm，也超過了振動位移控制標準200 μm。其他測點振動速度和位移滿足其對應(yīng)的振動控制標準。

3 振動頻域分析

以100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況作為穩(wěn)態(tài)工況的代表工況，以2Z 測點作為特征點進行振動頻域分析，其振動加速度、速度和位移的頻域圖如圖11所示。

圖11 100%負荷穩(wěn)態(tài)運行工況下2Z測點振動頻譜圖

由圖11 可以看出，穩(wěn)態(tài)運行工況下，振動相關(guān)量都存在若干個較為明顯的頻率，但是其頻率組成有所不同。對于振動加速度，其頻率組成以高頻頻率為主，優(yōu)勢頻率為四倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率225 Hz，部分測點的兩倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率112.5 Hz 也占比較大。對于振動速度，其頻率的主要組成既包括高頻頻率（112.5和225 Hz），又包括低頻頻率（1和16 Hz）。而對于振動位移，其頻率以1.0～6.0 Hz 的低頻頻率為主，但在中間層和發(fā)電機層的部分測點，兩倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率112.5 Hz占比仍然較大。

以100%甩負荷工況作為非穩(wěn)態(tài)工況的代表工況，以2Z 測點作為特征點進行振動頻域分析，其振動加速度、速度和位移的頻域圖如圖12所示。甩負荷工況下，對于振動加速度，優(yōu)勢頻率為150 Hz 為主；振動速度和位移以1.0～6.0 Hz 的低頻頻率為主。

圖12 100%甩負荷工況下2Z測點振動頻譜圖

4 結(jié)論

本文通過對某抽水蓄能電站地下廠房樓板結(jié)構(gòu)在不同負荷穩(wěn)態(tài)運行和不同甩負荷工況下的現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，得出以下結(jié)論。

（1）甩負荷過程和抽水事故停機等非穩(wěn)態(tài)過程雖然大多僅持續(xù)幾秒，但由于非穩(wěn)態(tài)過程中轉(zhuǎn)輪葉片頻率快速變化，可能短時間接近廠房結(jié)構(gòu)某些部位的固有頻率，造成的樓板振動比穩(wěn)態(tài)工況大得多，因此建議對電站機組開停機程序進行優(yōu)化，把結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測信息納入開停機過程優(yōu)化的控制指標。

（2）穩(wěn)態(tài)工況下樓板振動頻率組成相對比較穩(wěn)定，振動加速度的頻率以高頻為主，其優(yōu)勢頻率為兩倍或四倍轉(zhuǎn)輪葉片頻率；振動位移的頻率以低頻為主（1.0～6.0 Hz）；振動速度的主要頻率包括上述高頻和低頻。

（3）在不同負荷穩(wěn)態(tài)運行工況下，機組振動荷載對樓板振動影響更為明顯，靠近定子基礎(chǔ)和下機架基礎(chǔ)的中間層樓板振動更為明顯。各層樓板的振動隨著負荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，通常在75%負荷工況振動達到最大。

（4）非穩(wěn)態(tài)工況的頻率組成較為復(fù)雜，且隨時間不斷變化，振動加速度的優(yōu)勢頻率以高頻為主，振動速度和振動位移的優(yōu)勢頻率以低頻為主。振動加速度優(yōu)勢頻率隨時間的變化與機組轉(zhuǎn)速變化過程相關(guān)。

（5）在不同甩負荷工況下，振動隨著所甩負荷的增加而增大，機組流道內(nèi)水力脈動對樓板的振動影響更明顯，因此靠近水力振源的水輪機層振動更為明顯?！?/p>