白市电厂机组振动区过大处理方案研究

朱代华 安元

（五凌电力股份有限公司 湖南长沙 410000）

白市电厂机组振动区过大处理方案研究

朱代华 安元

（五凌电力股份有限公司 湖南长沙 410000）

本文简单介绍白市水电厂机组运行过程中振动区域偏大，在机组投入AGC后无法有效避开机组振动区，为改善以上现象而进行的一系列实验，以此找出解决机组振动区域偏大问题，由此保证了机组的安全稳定运行。

水轮机；振动；过流通道；安全运行

引言

白市水电站位于沅水干流上游河段清水江的下游，坝址位于黔东南苗族侗族自治州天柱县境内，白市水电站枢纽主要由右岸坝后式厂房、河中溢流坝、左岸垂直升船机、两岸非溢流坝及消力池等建筑物组成。坝顶高程304.50m，最大坝高68.00m，坝顶长512.00m。电站正常蓄水位300.0m，相应库容6.14亿m3，死水位294.0m，调节库容为1.74亿m3，汛限水位296.0m，装机3台，单机容量140MW，总装机容量420MW，多年平均年电量12.36亿kW·h。在机组正常蓄水后，机组运行过程中发现机组振动偏大，经过多方面检查发现振动源来自水轮机运行过程中振动偏大所致。

1 问题的出现

贵州清水江水电有限公司白市水电站装机3台14万kW水电机组，2013年4月2台机组相继投产发电，在机组运行过程中由于外部原因，机组上游水位一直未达到正常蓄水位，运行时一直在低水位运行状态。尾水水位由于拖口一直未正常蓄水，也一直未达到正常水位状态。由此导致机组投产后直到2015年3月一直在非正常运行工况下进行运行。

2015年5月11日对三台机组进行振动测试，此次测试上游水位294m、下游水位246.68m。此前分别在上游水位300m、298m、296m进行了机组振动测试，报告认为振动区域较宽（如图1），主要指标体现在顶盖垂直振动上。

图1 机组振动测试图

2 问题的排查

2.1 为了排查振动原因，决定在以下两种状态下进行振动测试对比，来确定主轴补气阀对机组振动的影响

（1）将大轴补气阀保持全开状态；

（2）恢复大轴补气阀原状进行机组振动试验。

2.2 试验现象

#2机组无大轴补气阀状态下，机组进行稳定性试验过程中从电科院测试仪器屏幕显示的顶盖振动峰值来看，机组从空载到3万kW振动值为上升趋势，3万kW达最大值，从4万kW到满负荷呈下降趋势。机组负荷5万～8万kWh，顶盖真空破坏阀动作，7万kWh动作最强，但同1#未拆除大轴补气阀运行状态相比，动作是减轻的。开机瞬间从主轴中心孔有一股灰尘吹出，马上转为吸气状态，3万kW开始有明显间歇吸气声音，5万～8万kW声音逐渐加大，吸气间隔逐渐缩短，8万～10万kW声音减弱，吸气接近连续，10万以上声音基本消失。

有大轴补气阀状态，在机组进行稳定性试验过程中从电科院测试仪器屏幕显示的顶盖振动峰值来看，机组从空载到7万kW振动值是上升趋势，7万kW达最大值而后从7万kW到满负荷呈下降趋势，全部试验范围该振动值未超标。机组负荷5万～8万kWh，顶盖真空破坏阀动作，7万kWh动作最强，但与拆除大轴补气阀运行状态相比，动作稍有加剧。3万kW开始有明显间歇吸气声音，5万～8万kW声音逐渐加大，吸气间隔逐渐缩短，8万～10万kW声音减弱，吸气接近连续，10万以上声音基本消失，整个过程声音不大。

图2为2#机组顶盖垂直振动，拆除大轴补气阀与有大轴补气阀实验数据对比。

图2 2#机组顶盖垂直振动，有补气阀和无补气阀对比图

从2#机试验初步数据看，在机组正常范围内《水轮机基本技术条件》（GB/T15468）规定的45～100%额定出力范围）无补气阀时的试验数据要优于有补气阀的试验数据。机组在7万kW工况顶盖振动值下降9%，8万kW工况下降26.5%、9万kW工况下降74.8%、10万kW工况下降20.8%。

3#机上游水位296m时的实验数据显示，振动较大的工况在40MW、60MW、70MW、80MW，相应工况：

顶盖垂直振动频率为 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

相应蜗壳压力脉动频率 1.44～5.65Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

无叶区压力脉动频率 0.24～2.34Hz、0.3Hz、0.36Hz、0.36Hz；

尾水管压力脉动频率 0.96Hz、0.96Hz、0.35～1.02Hz、0.72Hz。

3#机组上游294m水位工况下进行空气阀对比试验，试验结果与2#机类似，拆除大轴补气阀时机组振动数值相对较小。机组在两个实验过程中振动值没有超标现象，真空破坏阀动作不明显。

2.3 现象分析

（1）在2#机组4万～8万kW运行区间机组大轴补气非常明显，同时机组顶盖真空破坏阀在5万～8万kW运行区间存在频繁动作，同时在此区间机组顶盖垂直振动幅值较大。

3#机组上游294m水位试验，从4万～8万kW运行区间机组同样大轴补气非常明显，但机组顶盖真空破坏阀在此区间动作轻微，同时机组顶盖垂直振动幅值相对2#机组明显要小，机组非常稳定。

顶盖真空破坏阀动作剧烈程度与顶盖垂直振动数值相关，从这个现象分析顶盖垂直振动与转轮上冠与顶盖之间的压力变化有关，这个压力变化可能来自转轮出口的压力脉动，为减轻机组轴向水推力，转轮上冠开有泄压孔，上冠与顶盖之间的压力水通过泄压孔、泄水锥与上冠之间的环腔与转轮叶片出口相通，这一减压措施有可能成为转轮出口压力脉动向顶盖与转轮上冠腔体处传递的途径。

（2）顶盖垂直振动较大时的振动主频率0.34Hz，此时的蜗壳压力脉动、无叶区压力脉动主频率同为0.34Hz。从这个现象看顶盖振动可能与蜗壳压力脉动、无叶区压力脉动有关，顶盖上转轮前到座环部分直接构成水轮机流道，导叶前后的水压脉动会直接作用这部分顶盖上，顶盖振动频率与这两个压力脉动频率一致，因而机组引水流道内的压力脉动很可能是构成顶盖垂直振动的一个主要激振源。

3 处理方案分析

3.1 针对尾水管压力脉动的影响，对于减轻尾水管压力脉动对顶盖振动的影响，有以下两个方面可以考虑

（1）增强补气降低尾水管压力脉动；

（2）隔断传递通道或增加传递阻尼。

3.2 针对蜗壳、无叶区脉动的影响

机组蜗壳与压力钢管流道直接对接，无叶区水流与导叶前水流有很好的连贯性，因而这部分的压力脉动作为顶盖振动源考虑，整个引水流道的压力脉动无法在机组上采取措施来减轻压力脉动和频率的改变；而且这部分顶盖直接构成了流道的一部分，也无法采用隔断传递路径的方式来减轻顶盖的压力脉动。

4 处理方案的实施

考虑拆除大轴补气阀的试验过程中，机组补气噪音较大，相应尾水管测得的压力脉动数值也不高，处理方案优先考虑隔断转轮出口压力脉动向顶盖下传递的路径。

4.1 改变转轮上冠泄压通道

机组顶盖振动较大运行范围真空破坏发动作较剧烈，因而判断转轮上冠与顶盖之间出现有较大的压力脉动，这个压力脉动估计来源于转轮后的压力脉动。该方案考虑将泄水锥内侧开孔、封闭泄水锥与上冠之间的环缝，利用大轴补气阀常开状态保持上冠与顶盖之间的压力稳定。

该方案的实施需要流道排水，对泄水锥竖桶壁开孔及对泄水锥斜锥体与上冠之间的环缝进行封闭，如图3。

图3 泄水锥

4.2 改善尾水管补气

通过机组有无大轴补气阀的试验对比，感觉两者的补气量差别较大。较大补气量有利于7万～10万kW出力时顶盖垂直振动减小。但从实测值来看增大补气量尾水管压力脉动值没有明显差异，如图4。

图4 机组真空补气阀

5 结束语

本文通过机组投运后，发现机组振动偏大，为了解决机组振动区域偏大问题而进行的一系列实验，并在试验后找到解决以上问题的方法，为以后类似问题的处理具有参考价值。

[1]《水轮机基本技术条件》（GB/T15468）

[2]《水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动与脉动现场测试规程》（GB/T17189-2007）.

TV738

A

1004-7344（2016）08-0235-02

2016-3-1

朱代华（1983-），男，助理工程师，本科，主要从事水电站工作。