抽水蓄能电站厂房楼板振动测试分析研究

张米高杨，伍鹤皋，傅 丹，孙世博

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；2.长江勘测规划设计研究院，武汉430010）

0 引言

抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，在电网中的作用和地位日趋显著。由于水泵水轮机具有抽水和发电工况变化频繁的特点，蓄能电站厂房结构的振动涉及结构、水力、机械、电磁等4个方面，且相互之间存在耦联，因此振动机理非常复杂［1-4］。振动问题也是我国在运行的抽水蓄能电站厂房的常见问题，如黑麋峰、蒲石河振动较严重；宜兴、泰安运行中有导叶振动问题；而张河湾不仅有机组振动问题，还存在厂房振动及噪声较高的问题［5，6］，针对这些电站的振动问题的原因及改进方法已有一些研究［7，8］。

目前已有不少关于厂房振源的研究成果［9-12］，机械、电磁振动的分析与控制已日益成熟，水力振动仍然存在动静干涉和相位共振等关键科学问题值得进一步深入研究［13，14］。因为水力振动相关问题涉及较多复杂问题：如水流流经流道时形成夹有涡带的湍流、水轮机流道边界复杂、流道各部分脉动压力差异大等［15］，其三维数值模拟有较大难度，模拟过程不得不基于许多人为假定，这也导致了蓄能电站厂房的振动研究目前仍离不开模型实验和原型观测等主要手段，因为其能更好地保证结果的真实性，对数值分析结果进行验证和反馈。目前已有研究利用实测数据探究了厂房振动与无叶区动静干涉之间的联系［16］，也有学者基于优化后的算法及实测机组振动数据建立模型，对厂房结构振动响应进行预测［17］。

本文在现场测试的基础上，首先对振动加速度、速度、位移进行时域分析，然后对不同工况下的振动进行频域分析，分析其频率组成以及频率组成随着时间的变化情况。

1 工程概况与测试

1.1 工程概况

某抽水蓄能电站安装3 台单机容量200 MW 的可逆式水泵水轮机组，额定水头308 m，额定转速375 r/min，飞逸转速为544 r/min。主厂房宽度24.00 m，机组间距22.50 m，采用“一机一缝”布置方式，机组段之间设伸缩缝。蜗壳层高7.40 m，水轮机层高5.00 m，中间层高5.20 m，各层楼板厚度均为1 000 mm，混凝土强度等级为C30。

1.2 测试工况

测试工况包括25%、50%、75%和100%负荷稳态运行工况（编号分别为G-25%、G-50%、G-75%和G-100%），25%、50%、75%和100%甩负荷工况（编号分别为LR-25%、LR-50%、LR-75%和LR-100%）。

1.3 测点位置

各层测点位置示意图如图1、2所示，X向为厂房纵向，Y向为厂房上下游方向，Z向为铅直向。蜗壳层测点位于蜗壳上游区域，水轮机层、中间层、发电机层测点分别位于各层楼板的球阀孔附近。测试的物理量为振动加速度，采样频率为512 Hz。测点位置信息如表1所示。选用的传感器为中国地震局工程力学研究所研制的941B 型拾振器，采集仪为INV 采集仪，采集系统为DASP采集系统，测试时选择的采样频率为512 Hz。

表1 INV采集仪采集通道信息统计

图1 测点位置示意图

图2 各层测点布置图

1.4 振源分析

该抽水蓄能电站水轮机转轮叶片数为9，导叶片数为20。根据相关理论，由水轮机转速可推断本电站可能的机械振源频率主要为6.25、9.07 Hz；电磁振源频率主要为6.25、9.07 Hz及其倍频，以及定子极频振动频率50 和100 Hz；水力振源主要包括1～2 Hz的低频涡带，5～7.5 Hz的中频涡带，以及转轮叶片频率及其倍频（56.25，112.5，168.75和225 Hz）等［18］。

2 振动时域分析

2.1 振动时域描述

比较各个测点的振动加速度时域图发现，在同一工况下，不同测点的时域图基本相似，水轮机层铅直向测点（2Z测点）的振动较大，故以该测点为代表分析振动时域特征。对振动加速度信号分别进行一次积分和两次积分可得到振动速度和振动位移信号。100%负荷稳态运行工况（G-100%）和100%甩负荷工况（LR-100%）下2Z 测点的振动时域图如图3、图4所示。从100%负荷稳态运行工况下的振动时域图可以看出，振动呈现出比较明显的规律性。而从100%甩负荷工况下的振动时域图可以看出，振动在甩负荷动作开始后急剧增大，出现两个局部峰值。

图3 100%负荷稳态运行工况下2Z测点振动时域图

图4 100%甩负荷工况下2Z测点振动时域图

2.2 振动测试结果分析

2.2.1 振动加速度

不同负荷稳态运行和甩负荷工况下各测点振动加速度有效值分别如图5、6所示。

图5 不同负荷稳态运行工况下加速度有效值

图6 不同甩负荷工况下加速度有效值

从图5、6可以看出：

（1）各测点不同方向的振动加速度有效值大致随着负荷的增加而先增大后减小，最大值大多出现在75%或100%负荷稳态运行工况；在空间上，中间层测点的振动加速度最大，水轮机层和发电机层次之，而蜗壳层最小；其中各测点的振动加速度最大有效值出现在中间层（3Z）铅直向，在100%负荷稳态运行工况时最大有效值为0.578 m/s2，满足振动加速度控制标准。

（2）同一层楼板不同方向的振动加速度大致具有以下规律：对于蜗壳层，纵向最大，上下游方向次之，而铅直向最小；对于水轮机层，铅直向最大，纵向次之，上下游方向最小；对于中间层，大致为铅直向结果最大，上下游方向次之，纵向最小；对于发电机层，纵向结果最大，铅直向次之，上下游方向最小。

（3）甩负荷工况下，水轮机层的振动加速度最大，中间层次之，而发电机层和蜗壳层较小；而对于同一层楼板不同方向的振动，大致规律为：铅直向振动加速度最大，上下游向次之，纵向最小。各层楼板3个方向振动加速度有效值的最大值都出现在100%甩负荷工况时的水轮机层楼板上，其值分别为0.984、1.065 和1.339 m/s2，但均小于10 m/s2，满足振动加速度控制标准。

甩负荷工况一般持续时间较短，大多仅持续几秒时间至20 s，但是由于其产生的振动很大，因此为了水电站厂房的安全运行，应该尽量避免在该工况长期运行，以免楼板发生破坏，或者优化甩负荷操作过程以减小由于甩负荷产生的过大振动。

2.2.2 振动速度和位移

不同负荷稳态运行工况和不同甩负荷工况下，各测点的振动速度有效值如图7、8所示，各测点振动位移有效值的如图9、10所示。

图7 稳态运行工况下振动速度有效值

图8 甩负荷工况下振动速度有效值

图9 稳态运行工况下振动位移有效值

图10 甩负荷工况下振动位移有效值

从图7～10可以看出，各工况下振动速度和振动位移较大值基本上都出现在水轮机层和中间层。其中在100%甩负荷工况下，2Z和3Z测点的振动速度分别达到了7.2和5.6 mm/s，超过了振动速度控制标准5 mm/s；2Z 测点的振动位移达到了231.8 μm，也超过了振动位移控制标准200 μm。其他测点振动速度和位移满足其对应的振动控制标准。

3 振动频域分析

以100%负荷稳态运行工况作为稳态工况的代表工况，以2Z 测点作为特征点进行振动频域分析，其振动加速度、速度和位移的频域图如图11所示。

图11 100%负荷稳态运行工况下2Z测点振动频谱图

由图11 可以看出，稳态运行工况下，振动相关量都存在若干个较为明显的频率，但是其频率组成有所不同。对于振动加速度，其频率组成以高频频率为主，优势频率为四倍转轮叶片频率225 Hz，部分测点的两倍转轮叶片频率112.5 Hz 也占比较大。对于振动速度，其频率的主要组成既包括高频频率（112.5和225 Hz），又包括低频频率（1和16 Hz）。而对于振动位移，其频率以1.0～6.0 Hz 的低频频率为主，但在中间层和发电机层的部分测点，两倍转轮叶片频率112.5 Hz占比仍然较大。

以100%甩负荷工况作为非稳态工况的代表工况，以2Z 测点作为特征点进行振动频域分析，其振动加速度、速度和位移的频域图如图12所示。甩负荷工况下，对于振动加速度，优势频率为150 Hz 为主；振动速度和位移以1.0～6.0 Hz 的低频频率为主。

图12 100%甩负荷工况下2Z测点振动频谱图

4 结论

本文通过对某抽水蓄能电站地下厂房楼板结构在不同负荷稳态运行和不同甩负荷工况下的现场实测振动数据进行时域和频域分析，得出以下结论。

（1）甩负荷过程和抽水事故停机等非稳态过程虽然大多仅持续几秒，但由于非稳态过程中转轮叶片频率快速变化，可能短时间接近厂房结构某些部位的固有频率，造成的楼板振动比稳态工况大得多，因此建议对电站机组开停机程序进行优化，把结构振动监测信息纳入开停机过程优化的控制指标。

（2）稳态工况下楼板振动频率组成相对比较稳定，振动加速度的频率以高频为主，其优势频率为两倍或四倍转轮叶片频率；振动位移的频率以低频为主（1.0～6.0 Hz）；振动速度的主要频率包括上述高频和低频。

（3）在不同负荷稳态运行工况下，机组振动荷载对楼板振动影响更为明显，靠近定子基础和下机架基础的中间层楼板振动更为明显。各层楼板的振动随着负荷的增大呈现先增大后减小的趋势，通常在75%负荷工况振动达到最大。

（4）非稳态工况的频率组成较为复杂，且随时间不断变化，振动加速度的优势频率以高频为主，振动速度和振动位移的优势频率以低频为主。振动加速度优势频率随时间的变化与机组转速变化过程相关。

（5）在不同甩负荷工况下，振动随着所甩负荷的增加而增大，机组流道内水力脉动对楼板的振动影响更明显，因此靠近水力振源的水轮机层振动更为明显。□