宝泉电站机组振动稳定性分析

张 杨，宋 轩，孙一然，刘国峰

（1.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065；2.河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡453000）

0 引言

宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市境内，距电力负荷中心郑州市和新乡市直线距离分别为80 km和45 km。电站枢纽布置由上水库、高压输水道、地下厂房、主变洞室、下水库、尾闸洞及开关站等组成。上水库总库容795.2万m3，发电有效库容634.8万m3，正常蓄水位789.6 m，死水位758.0 m；下水库总库容6 750万m3，调节库容620万m3，正常库容5 509万m3，正常蓄水位260 m，死水位220 m。电站装设4台单机容量为300 MW的单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，总装机容量1 200 MW，年发电量20.1亿kW·h，年抽水用电量26.42亿kW·h，综合循环效率0.77。电站采用联合单元接线，经过4台360 MVA变压器升压之后，由500 kV高压电缆和地面500 kV GIS开关站引出，接入河南电网，担任调峰、调频、填谷、调相以及事故备用等任务，满足河南省电力负荷快速增长的需要。

1 引起机组振动的因素及试验测点的布置

1.1 引起机组振动的因素

从产生振动的原因来看，水轮发电机组的振动多为有阻尼受迫振动，受迫振动的振动特性与干扰力的大小、方向、频率密切相关。引起水轮发电机组振动的干扰力不仅有来自于机组本身转动部分的不平衡力，还有来自水轮机过流部件的水压力脉动和水力不平衡，以及来自于发电机电气部分的电磁力等，这种水力-机械-电气三者干扰力的共同作用与相互影响，使机组振动比一般的振动更为复杂[1]。

引起机组振动的水力振源主要有两个，一是由于过流部件中流场的速度不均匀而产生的压力脉动，是零部件振动的激振源；二是水流流过某些绕流体后，脱流的旋涡所诱发的压力脉动成为振动的激振源[2]。尾水管涡带引起的振动、卡门涡列诱发的振动、叶道涡引起的水力不稳定、导叶数和叶片数耦合引起的振动、过渡过程中的不稳定现象引起的振动等都属于水力原因引起的振动。

引起机组振动的机械原因主要包括机组轴线不正或对中不良、转动部件质量不平衡与转子的弓状回旋、转子的振摆与抖动、导轴承间隙调整不当、机组轴系与支承结构刚度不足、水轮机轴密封调整不当、推力头松动和镜板不平等[3]。

引起机组振动的电磁原因主要是发电机转子四周磁拉力不对称。转子不圆，转子旋转中心与几何中心不一致；定子绕组固定不良，在较高电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动；定子铁心组合缝松动或定子铁心松动所引起的机组振动等都会引起机组的电磁振动。另外，定、转子不均匀气隙引起的作用力，转子线圈短路时引起的力，发电机在不对称工况下引起的力等也会引起电磁振动[4]。

1.2 测点布置

宝泉抽水蓄能电站4号机组的基本参数如表1所示。本文对4号机组进行变转速试验、变励磁试验、变负荷试验，机组各部位测点布置位置如下：

（1）振动测点：上机架+X、+Y、+XZ方向，下机架+X、+Y、+XZ方向，顶盖+X、+Y、+XZ方向各布置1个测点，共计9个测点。

（2）摆度测点：上导、下导、水导的+X、+Y方向各布置1个测点，共计6个测点。

表1 4号机组基本参数

2 变转速试验结果及分析

变转速试验是指在机组无负荷，无励磁的情况下，通过改变导叶开度来改变机组转速，测量各轴承的摆度幅值以及机架、顶盖的振动幅值随转速变化的情况。宝泉抽水蓄能电站4号机组在上库水位为773.04 m，下库水位为256.70 m，机组转速分别为额定转速（nr=500 r/min）的 60%、80%、90%、100%、102%的条件下进行变转速试验。

变转速试验各部振动、摆度峰-峰值的结果如表2～5所示。变转速试验各部振动、摆度峰-峰值随转速的变化趋势如图1～4所示。

表2 上机架振动峰峰值

表3 下机架振动峰峰值

由表2～5、图1～4可以看出：随着机组转速的增大，机组的上机架振动峰-峰值、下机架振动峰-峰值、顶盖振动峰-峰值以及各部轴承摆度峰-峰值的增大幅度也逐渐增大，这符合水轮发电机组稳定性的一般规律。在机组变转速空转时，无电磁力的影响，由于过机流量较小，产生的水流作用力也相对较小，机组运行状态主要受机械不平衡力的影响。

表4 顶盖振动峰峰值

图1 上机架振动峰峰值与转速的关系

图2 下机架振动峰峰值与转速的关系

图3 顶盖振动峰峰值与转速的关系

图4 摆度峰峰值与转速的关系

3 变励磁试验结果及分析

变励磁试验是指在机组无负荷，保持额定转速的情况下，改变励磁电流，测量机组各部振动和轴承摆度随励磁电流变化的情况。宝泉抽水蓄能电站4号机组在上库水位为770.42 m，下库水位为 257.06 m，励磁电流分别为 460 A、530 A、766 A、1035 A的条件下进行变励磁试验。不同励磁电流下机组上机架、下机架、顶盖振动峰-峰值和各部轴承摆度峰-峰值结果如表6～9所示；机组各部位振动峰-峰值、摆度峰-峰值随励磁电流的变化趋势如图5～8所示。

表5 摆度峰峰值

表6 上机架振动峰峰值

表7 下机架振动峰峰值

表8 顶盖振动峰峰值

图5 上机架振动峰峰值与励磁电流的关系

图6 下机架振动峰峰值与励磁电流的关系

图7 顶盖振动峰峰值与励磁电流的关系

由表6～8可知：励磁电流由460 A增大至1 035 A时，上机架+X向、+Y向、+XZ向振动峰-峰值分别增大了 2 μm、3 μm、6 μm；下机架 +X 向、+Y向振动峰-峰值分别增大了3 μm、1 μm，下机架+XZ向振动峰-峰值减小了1 μm；顶盖+Y向、+XZ向振动峰 - 峰值分别增大了 5 μm、3 μm。由图 5～7可知，随着励磁电流的增大，上机架、下机架、顶盖各向振动峰-峰值波动并不是很大。

由表9可知，励磁电流由460 A增大至1035 A时，上导+X向、+Y向摆度峰-峰值分别增大了1 μm、3 μm；下导 +X 向、+Y向摆度峰 - 峰值分别增大了 28 μm、25 μm；水导 +X 向摆度峰 - 峰值减小了9 μm，水导+Y向摆度峰-峰值减小了14 μm。由图8可知，随着励磁电流的增大，摆度峰-峰值波动并不是很大。

综上所述，电磁不平衡力对机组振动的影响很小。

图8 摆度峰峰值与励磁电流的关系

4 变负荷试验结果及分析

变负荷试验是指在保持机组额定转速的情况下，改变机组负荷，测量机组各部振动及轴承摆度随负荷变化的情况。

宝泉抽水蓄能电站4号机组在负荷分别为220.2 MW、244.4 MW、268.2 MW、293.1 MW 的条件下进行变负荷试验，具体试验工况如表10所示。变负荷试验时机组各部位的振动峰-峰值和摆度峰-峰值结果如表11～14所示，机组各部位的振动峰-峰值和摆度峰-峰值随负荷的变化趋势如图9～12所示。

表9 摆度峰峰值

表11 上机架振动峰峰值

表12 下机架振动峰峰值

表13 顶盖振动峰峰值

表14 摆度峰峰值

图9 上机架振动峰峰值与负荷的关系

图10 下机架振动峰峰值与负荷的关系

由表 11～14、图 9～12 可以得出：

（1）机组负荷由220.2 MW逐渐增大至293.1 MW时，机组的振动、摆度的峰峰值变化较小，表明机组的运行状态比较稳定。

（2）根据GB/T 6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动-第5部分：水力发电厂和泵站机组》（等同采用国际标准ISO 10816-5：2000）[5]中“表A3推荐的第3类机器的评价区域边界值”可知，区域A/B位移峰-峰值的边界值是30 μm，新交付使用的机组的振动通常在A区域，振动在B区域可认为机组可以无限制地长期运行。针对宝泉抽水蓄能电站4号机组，在不同负荷条件下，上机架振动峰-峰值的最大值、下机架振动峰-峰值的最大值、顶盖振动峰-峰值的最大值均小于30 μm，机组运行状态良好。

（3）宝泉抽水蓄能电站4号机组额定转速为500 r/min，根据GB/T 11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定-第5部分：水力发电厂和泵站机组》（等同采用国际标准ISO 7919-5: 2005）[6]，由“图A.2水力机器或机组转轴在测量方向上振动位移峰-峰值的推荐评价区域”，不同负荷条件下，转速n=500 r/min时，转轴相对位移峰-峰值在大区A-B上限约为237.5 μm，振动值在大区A-B范围内可认为机组可以无限制长期运行。由图12可知，机组各部轴承摆度随负荷的变化比较平稳；由表14可知，上导+X、上导+Y、下导+X、水导+X、水导+Y的摆度峰-峰值均在大区A-B范围内，下导+Y的摆度峰-峰值在4个负荷工况下均超出大区A-B的上限，负荷为220.2 MW时下导+Y的摆度峰-峰值最大，为 281 μm，超出大区 A-B 的上限约 43.5 μm。根据GB/T 11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定-第5部分：水力发电厂和泵站机组》，对于水泵水轮机，由于转轮设计兼顾了水轮机和水泵转轮的最优设计，因此转轴振动幅值可以比正常规定的值高一些[6]。结合宝泉抽水蓄能电站4号机组的设计及运行情况，根据该电站发电电动机运行规程，下导+Y方向摆度一级报警设定值为400 μm，二级报警设定值为600 μm，所以下导+Y方向摆度峰-峰值满足要求，但建议在运行过程中密切关注下导+Y方向摆度峰-峰值及其变化规律。

5 小结

通过对宝泉抽水蓄能电站4号机组变转速试验、变励磁试验、变负荷试验结果进行深入分析，得出以下结论：

（1）电磁不平衡力对机组振动的影响很小；

（2）随着机组转速的增大，机组的上机架、下机架、顶盖的振动峰-峰值以及各部轴承摆度峰-峰值的增大幅度也逐渐增大，变转速试验时，机组运行状态主要受机械不平衡力的影响；

（3）由变负荷试验可知，机组运行状态比较稳定，上机架、下机架、顶盖的振动峰峰值和上导、下导、水导的摆度峰-峰值均在国家标准或该电站运行规程要求的范围内，状态良好。

对水轮发电机组各部振动及摆度的评价，要结合现行国家标准和相应电站的机组运行规程进行综合分析考量，对宝泉抽水蓄能电站4号机组的振动稳定性分析，可以为本电站机组的运行及其他电站类似机组的稳定性研究提供参考。