某小型水电站厂房振动原因及对策初探

吕长斌

摘 要： 通过分析某水电站水轮机组振动危害及其产生原因，进行厂房和机组振动测试、声学环境振动测试，通过振动测试数据分析此类振动产生原因并提出应对策略。

关键词： 振动及避振措施

【中图分类号】TM312 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）20-0174-02

水轮发电机组最严重危害之一为振动，它不但恶化机组的运行条件，同时损坏机组某些部件，进一步诱发安全事故。因水轮发电机组在运行过程中不可避免地产生振动，水电站急需解决的难题就是如何消除好发电机组振动，以下剖析某电站机组的振动情况以及危害性，讨论利用何种办法来消除这种水轮机振动。

1 工程概况

湖南省湘西州某水电站的构成部分有进水闸、引水渠道、发电厂房与附属建筑物。电站为引水式，容量2×250kW，水轮机型号为ZDT03-LH-180，额定水头2.8m，水头的最高值与最低值为3.1m和2.4m，额定流量11.9m3/s。机组间距6.5m，该厂房采用板梁式机墩，发电机座落在2跨连续梁上。在机组空载运行和试运行期间，在现场听到一种闷雷般的轰鸣声，感觉到机组在剧烈振动，为揭示振动原因，由设计单位进行了振动测试，包括厂房和机组振动测试、声学环境振动测试，通过振动测试数据分析振動产生原因及应对策略。

2 机组振动分析

2.1 机组振动的危害性。

振动不但使机组的运输速度放慢，且会诱发出其它问题，甚至会使机组运转受阻，主要以下面几个层面为主：

1）机组振动时其部件会发生弹性形变和塑性形变，致使某些材料产生疲劳、裂缝与断裂，还会破坏连接金属零部件的焊缝，时间一长还会进一步加剧，裂纹使零部件变坏且没法再使用。

2）振动会松动机组不同部位间连接紧固的地方，时间一长就会使紧固件本身断开，甚至会带动相连位置的振动，时间一久就变坏了。

3）振动会使机组转动部件间的摩擦增多。

4）水流压力的冲击下会撕裂尾水管壁，严重时会冲掉整块钢板。

5）振动会使机组动力供应不足，运行范围缩减，减少使用期限。

6）机组振动过程中会带动基础厂房部件与引水压力钢管发生共振，共振厉害时会损坏整个设备，甚至会对厂房形成破坏。

7）振动频繁会改变机组的运行参数，不但使机组的负荷分配不当，还影响到供电质量，大幅缩减机组的使用时长，进而危及到电站的安稳运行与电力体系的正常运转。

2.2 机组振动原因。

水轮发电机组产生振动的原因较多且相当繁琐，一般会存在各种隐伏的振源，通常是从水力、机构、电力三个层面来产生振动干扰源，三者之间互相制约作用，经常会作用于一起，形成耦合振动。

通过 查找设计文件，发电机层梁、板经用广厦结构17.0版本计算，其扰力，允许振动线位移及当量荷载按下表采用。

注意：表中当量荷载中，已包括材料的疲劳影响系数2.0。Wg为机器转子重（kN）。

想要使厂房结构与动力机器不产生共振，涵盖总体共振与部分共振，就需要得到厂房结构自振频率，让其与机器干扰频率比于0.75～1.25之外。可依据实际测量、试验或理论运算法来确定厂房结构自振频率。

机组转动部分偏心引起的振动频率正常转速时n1=150次/分，飞逸转速np=428次/分;水力冲击引起的振动频率n2=2400次/分。厂房自振第一主振型n1=76.8次/分，第二振型n1=86.22次/分，可见厂房结构的自振频率与机器扰频率之比在0.75～1.25以外。

垂直振幅：A1=0.0063mm<0.15mm

水平横向和扭转振幅之和：

正常运行：A2+A3=0.0013mm<0.20mm;

飞逸时：  A2P=0.0004mm<0.20mm;

短路时：A2+A′3=0.0002+0.00039=0.00059mm<0.20mm，

振幅均满足要求。

厂房结构的共振、振幅和动力系数验算均满足现行标准的要求。为验证设计参数，并使用深圳市胜利高电子科技有限公司生产的VC63B测振仪进行了厂房和机组振动测试。

VC63B测振仪的主要参数如下表：

测量结果如下：

由设计资料和振动测试，厂房结构的振幅值满足现行标准的要求。

水力诱发的振动。如尾水管中涡带诱发振动、机组远离最优运行工况区运转、止漏环间隙大小不一、蜗壳及导叶引水不均的转轮进口水流冲击、卡门涡列、空腔汽蚀、间隙射流等。经查阅施工时的照片和相关资料，发现在施工时为加快施工进度，肘管段设了钢板里衬，但是肋板与拉筋不多，未紧密地连接到混凝土，从而在尾水管中形成空腔涡带引起振动;经四年运行，水轮机的轮叶没有出现麻点、蜂窝状蚀坑等现象;电站发电单机出力小于100kW则出现振动，说明机组偏离最佳运行工况区运行会出现振动。简而言之，本电站由水力引起振动的原因可为两类：尾水管中涡带引起振动、机组偏离最优运行情况而诱发的振动。

声学环境振动测试于发电机层布设6个测量点位，使用深圳市胜利高电子科技有限公司生产的VC824数字噪音计，发电机层噪音平均值为99.3dB，值班室三合一屏正前方噪音平均值为79.5dB。

通过分析研究和振动测试，本水轮机组振动的原因主要为水力引起的振动，次为机组偏离最佳运行工况区，再为声学环境振动。

3 机组振动防治方法

3.1 保证结构的刚度和抗振条件

由于框架梁既为结构梁又作为机墩，首先在结构设计上需要进行精确计算，其动力计算应进行共振、振幅和动力系数验算。作为厂房，首先要确保机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比值应高于20%;垂直振幅不大于0.15mm，水平横向与扭转振幅之和不超过0.20mm。

单机容量为500kW～3000kW的小型机组，环形梁柱式机墩和梁柱刚架式机墩的强度与刚度要求可达标。由于板梁式机墩的刚度较小，在单机容量为500kW以下的小型机组，可以采用板梁式机墩，必须保证机墩所在大梁的强度和刚度，在连续梁中间支座的梁端有必要加腋以保证扭转刚度。

在施工时为加快施工进度而在肘管段主设定的钢板里衬，要使用较多的肋板与拉筋，以确保其与混凝土密切相连在一起，以防止尾水管中构成空腔涡带而诱发振动。

3.2 避振运行

为了达到经济运行条件，要预防机组产生振动与空蚀的运行范畴。依据近四年运行记录得出，发电机单机出力小于100kW则出现振动，说明机组偏离最佳运行工况区运行会出现振动。寻找各种水头下机组单机运行的最低流量与当时运行情况，联合ZDT03-LH-180型水轮机运转特点曲线，为了保证安全，缩减机组的振动，减小汽蚀，单机运行最低流量要限定于4.5m3/s之上。

3.3 尾水管适时适量补气

涡带压力脉动制约机组运行的关键原因为振动、摆度、功率摆动以及其它附属条件。可利用向尾水管进口补气的方法来损坏其中的真空涡带。水电站机组运离最优运行情况（通常是40%～70%的额定工况）时，运行人员可对尾水管真空数据随时了解，当真空度超过限定值时，需要开启补气短管阀门，补充一定量的气体，让真空度保持于一定的数值之内。依据实践，当地区海拔高度低于1000m以下时，尾水管真空度最佳值在13.33kPa～20kPa之間。机组在高负荷作业时会降低补气效率，此时要关停补气阀，向尾水管充入适量的气体可降低尾水管涡带脉动压力，使机组不再发生振动。补气运行中要注重真空度不能过低，以防损失较多的水能。

3.4 噪声防护

按照相关标准，发电机层的噪声限制值为85dB（每日不间断接触噪声8h），机组控制室、配电柜室（室内背景噪声级）的噪声限制值为70dB，经过声学环境振动测试，测试数值均高于标准值，因此运行巡视人员应使用临时噪声防护用具。

4 结语

总而言之，防治好水轮发电机振动工作，一定要依据水轮机的现实振动状况，将诱发水轮机组振动的主要原因大体上划分为水力、电力、机械三个层面的要素来探究，剖析振动产生的根源、振动的特点，给电厂生产管理、运行、检修人员给予一定借鉴，进而编制出对应的防治与消振办法。

参考文献

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