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某水电站转轮改造后厂房振动的现场测试分析

时间:2021-09-18作者:毕智伟 赵补石 魏加富
本文导读:这是一篇关于某水电站转轮改造后厂房振动的现场测试分析的文章,由于水电站机组和厂房结构的振动既有结构的相互影响,又有流体与固体结构的耦合振动。因此,本文针对该水电站机组及厂房剧烈振动的原因进行了试验分析,并提出相应改造建议。

  摘    要: 某水电站转轮改造后出现机组振动增大,并逐渐引起剧烈的厂房振动,严重影响电站的安全运行,通过机组稳定性测试、厂房局部结构振动测试与原型模态试验,分析机组运行状态,确定旋转装配体、下机架和电站主/副厂房面板固有频率和振型,计算其固有频率与转轮叶片倍频的偏差,判断是否存在共振风险,为机组后续改造方案的制定提供了依据。

  关键词 :     水电站;机组振动;厂房振动;模态试验;转轮改造;

  Abstract: The vibration of generating units increases after the runner transformation of a certain hydropower station,which gradually causes severe vibration of the powerhouse,and seriously affects the safe operation of the power station.Through unit stability test,and the local structure vibration modal test and prototype test,unit's operation state was analyzed to determine the natural frequency and mode shapes of rotating assembly,bottom bracket,and main/auxiliary powerhouse panel and compute the deviation of natural frequency and runner's blade frequency doubling.Whether there is a resonance risk was judged,which provide evidence for the following reformation scheme of generating unit.

  Keyword: hydropower station; unit vibration; powerhouse vibration; modal test; runner transformation;

  1、 概况

  某水电站位于湖南省东安县石期市镇境内,是湘江干流上第一座径流式电站,安装6台轴流转桨式水轮发电机组,于1980年投产发电。2015~2016年相继对电站6台机组进行了增容改造,即对机组发电机、水轮机、主变、过流部件等均进行了更换。但电站6台机组增容改造后均出现不同程度的机组振动增大问题,厂房局部结构破坏。水轮发电机组的稳定性与厂房结构振动问题是影响机组及其相关系统安全、稳定、高效运行的基础性问题[1],在我国己投产的水电站如白市[2]、二滩[3]、岩滩[4]等均出现过不同程度的水力机组振动和稳定性问题,振动不仅会降低机组效率、缩短检修周期和机组寿命,甚至会引起厂房结构和引水管道的振动[5],导致机组出现误动、事故停机,严重影响电站安全和经济效益。由于水电站机组和厂房结构的振动既有结构的相互影响,又有流体与固体结构的耦合振动[6,7]。因此,本文针对该水电站机组及厂房剧烈振动的原因进行了试验分析,并提出相应改造建议。
 

某水电站转轮改造后厂房振动的现场测试分析
 

  2 、电站主要技术参数及运行情况

  机组改造前后主要技术参数及变化情况见表1,此次改造目的为提高效率和出力,将转轮由4叶片改为5叶片。电站6台机组增容改造后均出现不同程度的振动增大问题,经多次分析与消缺测试,问题并未得到有效解决。随着运行时间的增加,运行工况逐渐恶化,各台机组出现连轴螺栓松动,水导轴承磨损严重、间隙增大、温升过高,转轮室不锈钢里衬气蚀问题(最大深达15mm),水工建筑物则出现剧烈振动,并伴随有机组溜负荷现象。水电站中控室及保护屏柜布置在主厂房的中间靠上游侧位置,由于机组及厂房振动不断加剧,副厂房局部墙体开裂产生结构破坏,主厂房两条伸缩缝出现不同程度的漏水,下机架垂直振动存在严重超标,电站不得不限制机组运行负荷,机组出力严重不足,尤其是#1、#5机组因转轮漏油而停机处理,严重影响电站发电效益,且威胁着电站的安全运行。

  表1 机组主要参数
表1 机组主要参数

  经初步分析,机组压力脉动[8]是造成振动的主要原因,体现在新转轮与原有流道及导叶不匹配、尾水管扩散段的脱流及返流。对此,提出通过尾水管结构修型改造或更换转轮以解决机组及厂房剧烈振动问题,其中更换转轮方案包括继续使用5叶片或改回4叶片。因此,判断发电机转子及下机架和厂房固有频率与叶片旋转频率是否产生共振,对改造方案的确定尤为重要。

  3 、现场测试分析

  3.1、 机组稳定性分析

  为全面掌握机组稳定性状态,2017年对电站#1机组开展变转速、变励磁和变负荷测试。试验时,上游水位117.2m,下游水位104.5m,水头为12.7 m。变转速试验结果表明,随着转速上升,机组振动摆度无明显上升情况,机组也无明显的机械不平衡力;变励磁试验结果表明,随着励磁电压的上升,机组振动摆度变幅较小,机组无明显的电磁不平衡力;变负荷试验结果见表2。由表2可知,随着负荷的上升,机组摆度有升有降,振动测点测试值上升明显,机组运行稳定性状态恶化;额定负荷工况时下机架垂直振动严重超限。

  表2 变负荷试验结果
表2 变负荷试验结果

  在3 540kW工况下机组各测点频谱分析结果见表3。由表3可知,3 540kW工况下机组振动、摆度及压力脉动测点主频基本为15.625 Hz。根据表1机组基本参数可知,机组转频为3.125Hz,当前转轮叶片数为5片,引起转轮叶片压力脉动频率为15.625Hz,2倍转轮叶片压力脉动频率为31.25Hz。因此,造成下机架垂直振动随负荷变化明显上升的原因是5倍转频分量即转轮叶片频率分量上升引起的。

  表3 3 540kW工况下各测点频谱分析
表3 3 540kW工况下各测点频谱分析

  机组稳定性测试结果表明,额定负荷工况,机组振动、摆度、压力脉动测点5倍转频分量明显,该频率与蜗壳进口压力脉动和尾水管进口压力脉动主频相同,水力因素是造成机组异常振动的主要原因。

  3.2 、厂房局部结构振动分析

  根据实际观察,厂房振动强烈时,副厂房会议室振动最为明显,2019年现场测量了机组高负荷运行工况下的厂房局部振动情况,结果显示会议室楼板振动主频为31.25 Hz,即会议室振动主频与2倍转轮叶片频率相同。同时,根据表3机组稳定性测试频谱分析结果显示,顶盖垂直振动和尾水管进口压力脉动测点存在31.25 Hz的倍频分量,由此可知,厂房振动主要为流体与厂房结构之间的耦合振动,厂房振动响应主要贡献来源于活动导叶和转轮间的压力脉动。

  3.3、 转子和下机架模态试验分析

  模态试验采用锤击法用脉冲锤(力锤)对发电机转子、下机架进行敲击,产生一宽频带的激励,以获取发电机转子、下机架的固有频率、振型。根据现场情况,确定固定信号采集点,用力锤对各节点依次进行锤击,同时采集固定点和锤击信号,初步评价信号质量,对信噪比不佳、锤击力度不满足要求的点重新锤击进行信号采集,直至满足信号分析要求。完成全部节点的锤击激振信号的采集后,分析各测点之间的传递函数,计算获取结构的固有频率和振型。

  3.3.1、 转子模态测试

  将发电机转子简化为单平面结构,采用移动锤击、固定点采集,对发电机转子进行模态试验。转子共8个支臂,沿每个支臂方向设置试验节点4个,试验节点总数为32个。通过测试,获得了发电机转子前3阶固有频率和振型,测试结果见表4,发电机转子振型见图1。

  表4 发电机转动部件模态测试结果
表4 发电机转动部件模态测试结果

  图1 发电机转子振型
图1 发电机转子振型

  Fig.1 The mode of generator rotor

  3.3.2 、下机架模态测试

  将下机架简化为单平面结构,模态试验网格与转子模态试验网格相同。通过测试,获得下机架前3阶固有频率和振型,测试结果见表5。

  表5 下机架模态测试结果
表5 下机架模态测试结果

  3.3.3、 机组共振分析

  根据表3中机组发电机振动,上机架水平振动、下机架水平振动、下机架垂直振动和定子机座水平振动的主频基本为15.625 Hz,因此发电机转子及下机架不存在发生共振的可能性。

  3.4 、厂房模态测试分析

  电站采用“两机一缝”的厂房结构型式,其中#1与#2、#3与#4、#5与#6机组各一个厂房段,3个厂房段在#2与#3机组、#4与#5机组之间设置结构缝。通过开展厂房面板模态试验,掌握厂房面板的固有频率和振型。厂房面板模态试验采用环境激励方法对副厂房面板及主厂房发电机层楼板进行模态试验。

  (1)副厂房面板模态试验。模态试验将副厂房面板简化为单平面结构,总试验节点数28个。现场设置2个垂直振动测点,1个测点为固定测点,另1个测点为移动测点,对副厂房面板进行模态试验。

  (2)主厂房发电机层楼板模态试验。模态试验将主厂房发电机层楼板简化为单平面结构,总试验节点数16个。现场设置2个垂直振动测点,1个测点为固定测点,另1个测点为移动测点,对厂房发电机层楼板进行模态测试。

  3.4.1、 副厂房面板模态测试

  现场对中控室及会议室段的副厂房面板进行模态测试,通过测试得到副厂房面板前3阶固有频率见表6,副厂房振型见图2。

  表6 副厂房面板模态试验结果
表6 副厂房面板模态试验结果

  图2 副厂房面板振型
图2 副厂房面板振型

  Fig.2 Vibration mode of factory panel

  3.4.2 、主厂房发电机层楼板模态测试

  现场在#4机组段开展主厂房发电机层厂房面板模态试验,通过测试分析主厂房发电机层厂房面板的集总传递函数曲线,得到主厂房发电机层楼板前3阶固有频率见表7,副厂房振型见图3。

  表7 主厂房发电机层楼板模态试验结果
表7 主厂房发电机层楼板模态试验结果

  图3 主厂房发电机层楼板振型
图3 主厂房发电机层楼板振型

  Fig.3 Plate vibration mode of generator layer in main workshop

  3.4.3、 厂房共振分析

  根据主/副厂房模态试验结果,副厂房1阶固有频率为32.9 Hz,与2倍转轮叶片频率差值5.28%,主厂房发电机层楼板1阶固有频率为31.0Hz,与2倍转轮叶片频率差值0.8%,主/副厂房均存在共振风险。如文献[9]所述,压力脉动可经尾水管和蜗壳传播至厂房混凝土结构,结合副厂房会议室振动测量结果,2倍转轮叶片频率将引起较大的厂房振动,考虑到厂房存在共振风险,尾水管流道修型不能解决共振问题,电站后续机组改造中,应优先考虑更换为4叶片转轮方案。

  4 、结论

  a.水力因素即转轮叶片倍频引起的脉动是造成该机组异常振动的主要原因,厂房振动响应主要源于活动导叶和转轮间的压力脉动。

  b.原型模态试验结果表明,发电机转子及下机架不存在发生共振的可能性,该电站副厂房面板及主厂房发电机层楼板固有频率与2倍转轮叶片频率接近,易引发共振。

  参考文献

  [1]尚银磊,李德玉,欧阳金惠。大型水电站厂房振动问题研究综述[J] .中国水利水电科学研究院学报, 2016, 14(1):48-52,59.
  [2]曾平,彭卫群,黄波,等。水电厂厂房振动原因分析[J] .湖南电力, 2019,39(6):91-94.
  [3]杨弘,毕威。二滩水电站地房结构和机组振动分析[J] .中国电业 (技术版 ) , 2011(2):35-39.
  [4]黄自和.岩滩电站机组振动分析及转轮改造[J]。企业科技与发展, 2011(21):46-49.
  [5]黄波,谭新奇,魏加富,等.水电站厂房楼板自振特性研究[J] .水电能源科学, 2020 ,38(6):100-103.
  [6]张存惠,马震岳,周述达,等.大型水电站厂房结构流固耦合分析[J] .水力发电学报, 2012,31(6):192-197.
  [7]罗成昌,李华,杜申伟.三峡电站厂房振动及测试[J] .水电能源科学, 2012,30(10):94-96.
  [8]中华人民共和国水利部.中小型水轮发电机组启动试验规程: SL 746-2016[S] .北京:中国水利水电出版社,2016.
  [9]陈婧,骤岳, 刘志明,等.水轮机压力脉动诱发厂房振动分析[J] .水力发电, 2004,30(5);:24-27.

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