張 楊，宋 軒，孫一然，劉國峰

（1.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065；2.河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000）

0 引言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市境內，距電力負荷中心鄭州市和新鄉(xiāng)市直線距離分別為80 km和45 km。電站樞紐布置由上水庫、高壓輸水道、地下廠房、主變洞室、下水庫、尾閘洞及開關站等組成。上水庫總庫容795.2萬m3，發(fā)電有效庫容634.8萬m3，正常蓄水位789.6 m，死水位758.0 m；下水庫總庫容6 750萬m3，調節(jié)庫容620萬m3，正常庫容5 509萬m3，正常蓄水位260 m，死水位220 m。電站裝設4臺單機容量為300 MW的單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，總裝機容量1 200 MW，年發(fā)電量20.1億kW·h，年抽水用電量26.42億kW·h，綜合循環(huán)效率0.77。電站采用聯(lián)合單元接線，經過4臺360 MVA變壓器升壓之后，由500 kV高壓電纜和地面500 kV GIS開關站引出，接入河南電網，擔任調峰、調頻、填谷、調相以及事故備用等任務，滿足河南省電力負荷快速增長的需要。

1 引起機組振動的因素及試驗測點的布置

1.1 引起機組振動的因素

從產生振動的原因來看，水輪發(fā)電機組的振動多為有阻尼受迫振動，受迫振動的振動特性與干擾力的大小、方向、頻率密切相關。引起水輪發(fā)電機組振動的干擾力不僅有來自于機組本身轉動部分的不平衡力，還有來自水輪機過流部件的水壓力脈動和水力不平衡，以及來自于發(fā)電機電氣部分的電磁力等，這種水力-機械-電氣三者干擾力的共同作用與相互影響，使機組振動比一般的振動更為復雜[1]。

引起機組振動的水力振源主要有兩個，一是由于過流部件中流場的速度不均勻而產生的壓力脈動，是零部件振動的激振源；二是水流流過某些繞流體后，脫流的旋渦所誘發(fā)的壓力脈動成為振動的激振源[2]。尾水管渦帶引起的振動、卡門渦列誘發(fā)的振動、葉道渦引起的水力不穩(wěn)定、導葉數和葉片數耦合引起的振動、過渡過程中的不穩(wěn)定現象引起的振動等都屬于水力原因引起的振動。

引起機組振動的機械原因主要包括機組軸線不正或對中不良、轉動部件質量不平衡與轉子的弓狀回旋、轉子的振擺與抖動、導軸承間隙調整不當、機組軸系與支承結構剛度不足、水輪機軸密封調整不當、推力頭松動和鏡板不平等[3]。

引起機組振動的電磁原因主要是發(fā)電機轉子四周磁拉力不對稱。轉子不圓，轉子旋轉中心與幾何中心不一致；定子繞組固定不良，在較高電磁負荷作用下使繞組及機組產生振動；定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動所引起的機組振動等都會引起機組的電磁振動。另外，定、轉子不均勻氣隙引起的作用力，轉子線圈短路時引起的力，發(fā)電機在不對稱工況下引起的力等也會引起電磁振動[4]。

1.2 測點布置

寶泉抽水蓄能電站4號機組的基本參數如表1所示。本文對4號機組進行變轉速試驗、變勵磁試驗、變負荷試驗，機組各部位測點布置位置如下：

（1）振動測點：上機架+X、+Y、+XZ方向，下機架+X、+Y、+XZ方向，頂蓋+X、+Y、+XZ方向各布置1個測點，共計9個測點。

（2）擺度測點：上導、下導、水導的+X、+Y方向各布置1個測點，共計6個測點。

表1 4號機組基本參數

2 變轉速試驗結果及分析

變轉速試驗是指在機組無負荷，無勵磁的情況下，通過改變導葉開度來改變機組轉速，測量各軸承的擺度幅值以及機架、頂蓋的振動幅值隨轉速變化的情況。寶泉抽水蓄能電站4號機組在上庫水位為773.04 m，下庫水位為256.70 m，機組轉速分別為額定轉速（nr=500 r/min）的 60%、80%、90%、100%、102%的條件下進行變轉速試驗。

變轉速試驗各部振動、擺度峰-峰值的結果如表2～5所示。變轉速試驗各部振動、擺度峰-峰值隨轉速的變化趨勢如圖1～4所示。

表2 上機架振動峰峰值

表3 下機架振動峰峰值

由表2～5、圖1～4可以看出：隨著機組轉速的增大，機組的上機架振動峰-峰值、下機架振動峰-峰值、頂蓋振動峰-峰值以及各部軸承擺度峰-峰值的增大幅度也逐漸增大，這符合水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的一般規(guī)律。在機組變轉速空轉時，無電磁力的影響，由于過機流量較小，產生的水流作用力也相對較小，機組運行狀態(tài)主要受機械不平衡力的影響。

表4 頂蓋振動峰峰值

圖1 上機架振動峰峰值與轉速的關系

圖2 下機架振動峰峰值與轉速的關系

圖3 頂蓋振動峰峰值與轉速的關系

圖4 擺度峰峰值與轉速的關系

3 變勵磁試驗結果及分析

變勵磁試驗是指在機組無負荷，保持額定轉速的情況下，改變勵磁電流，測量機組各部振動和軸承擺度隨勵磁電流變化的情況。寶泉抽水蓄能電站4號機組在上庫水位為770.42 m，下庫水位為 257.06 m，勵磁電流分別為 460 A、530 A、766 A、1035 A的條件下進行變勵磁試驗。不同勵磁電流下機組上機架、下機架、頂蓋振動峰-峰值和各部軸承擺度峰-峰值結果如表6～9所示；機組各部位振動峰-峰值、擺度峰-峰值隨勵磁電流的變化趨勢如圖5～8所示。

表5 擺度峰峰值

表6 上機架振動峰峰值

表7 下機架振動峰峰值

表8 頂蓋振動峰峰值

圖5 上機架振動峰峰值與勵磁電流的關系

圖6 下機架振動峰峰值與勵磁電流的關系

圖7 頂蓋振動峰峰值與勵磁電流的關系

由表6～8可知：勵磁電流由460 A增大至1 035 A時，上機架+X向、+Y向、+XZ向振動峰-峰值分別增大了 2 μm、3 μm、6 μm；下機架 +X 向、+Y向振動峰-峰值分別增大了3 μm、1 μm，下機架+XZ向振動峰-峰值減小了1 μm；頂蓋+Y向、+XZ向振動峰 - 峰值分別增大了 5 μm、3 μm。由圖 5～7可知，隨著勵磁電流的增大，上機架、下機架、頂蓋各向振動峰-峰值波動并不是很大。

由表9可知，勵磁電流由460 A增大至1035 A時，上導+X向、+Y向擺度峰-峰值分別增大了1 μm、3 μm；下導 +X 向、+Y向擺度峰 - 峰值分別增大了 28 μm、25 μm；水導 +X 向擺度峰 - 峰值減小了9 μm，水導+Y向擺度峰-峰值減小了14 μm。由圖8可知，隨著勵磁電流的增大，擺度峰-峰值波動并不是很大。

綜上所述，電磁不平衡力對機組振動的影響很小。

圖8 擺度峰峰值與勵磁電流的關系

4 變負荷試驗結果及分析

變負荷試驗是指在保持機組額定轉速的情況下，改變機組負荷，測量機組各部振動及軸承擺度隨負荷變化的情況。

寶泉抽水蓄能電站4號機組在負荷分別為220.2 MW、244.4 MW、268.2 MW、293.1 MW 的條件下進行變負荷試驗，具體試驗工況如表10所示。變負荷試驗時機組各部位的振動峰-峰值和擺度峰-峰值結果如表11～14所示，機組各部位的振動峰-峰值和擺度峰-峰值隨負荷的變化趨勢如圖9～12所示。

表9 擺度峰峰值

表11 上機架振動峰峰值

表12 下機架振動峰峰值

表13 頂蓋振動峰峰值

表14 擺度峰峰值

圖9 上機架振動峰峰值與負荷的關系

圖10 下機架振動峰峰值與負荷的關系

由表 11～14、圖 9～12 可以得出：

（1）機組負荷由220.2 MW逐漸增大至293.1 MW時，機組的振動、擺度的峰峰值變化較小，表明機組的運行狀態(tài)比較穩(wěn)定。

（2）根據GB/T 6075.5-2002《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動-第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》（等同采用國際標準ISO 10816-5：2000）[5]中“表A3推薦的第3類機器的評價區(qū)域邊界值”可知，區(qū)域A/B位移峰-峰值的邊界值是30 μm，新交付使用的機組的振動通常在A區(qū)域，振動在B區(qū)域可認為機組可以無限制地長期運行。針對寶泉抽水蓄能電站4號機組，在不同負荷條件下，上機架振動峰-峰值的最大值、下機架振動峰-峰值的最大值、頂蓋振動峰-峰值的最大值均小于30 μm，機組運行狀態(tài)良好。

（3）寶泉抽水蓄能電站4號機組額定轉速為500 r/min，根據GB/T 11348.5-2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定-第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》（等同采用國際標準ISO 7919-5: 2005）[6]，由“圖A.2水力機器或機組轉軸在測量方向上振動位移峰-峰值的推薦評價區(qū)域”，不同負荷條件下，轉速n=500 r/min時，轉軸相對位移峰-峰值在大區(qū)A-B上限約為237.5 μm，振動值在大區(qū)A-B范圍內可認為機組可以無限制長期運行。由圖12可知，機組各部軸承擺度隨負荷的變化比較平穩(wěn)；由表14可知，上導+X、上導+Y、下導+X、水導+X、水導+Y的擺度峰-峰值均在大區(qū)A-B范圍內，下導+Y的擺度峰-峰值在4個負荷工況下均超出大區(qū)A-B的上限，負荷為220.2 MW時下導+Y的擺度峰-峰值最大，為 281 μm，超出大區(qū) A-B 的上限約 43.5 μm。根據GB/T 11348.5-2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定-第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》，對于水泵水輪機，由于轉輪設計兼顧了水輪機和水泵轉輪的最優(yōu)設計，因此轉軸振動幅值可以比正常規(guī)定的值高一些[6]。結合寶泉抽水蓄能電站4號機組的設計及運行情況，根據該電站發(fā)電電動機運行規(guī)程，下導+Y方向擺度一級報警設定值為400 μm，二級報警設定值為600 μm，所以下導+Y方向擺度峰-峰值滿足要求，但建議在運行過程中密切關注下導+Y方向擺度峰-峰值及其變化規(guī)律。

5 小結

通過對寶泉抽水蓄能電站4號機組變轉速試驗、變勵磁試驗、變負荷試驗結果進行深入分析，得出以下結論：

（1）電磁不平衡力對機組振動的影響很??；

（2）隨著機組轉速的增大，機組的上機架、下機架、頂蓋的振動峰-峰值以及各部軸承擺度峰-峰值的增大幅度也逐漸增大，變轉速試驗時，機組運行狀態(tài)主要受機械不平衡力的影響；

（3）由變負荷試驗可知，機組運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，上機架、下機架、頂蓋的振動峰峰值和上導、下導、水導的擺度峰-峰值均在國家標準或該電站運行規(guī)程要求的范圍內，狀態(tài)良好。

對水輪發(fā)電機組各部振動及擺度的評價，要結合現行國家標準和相應電站的機組運行規(guī)程進行綜合分析考量，對寶泉抽水蓄能電站4號機組的振動穩(wěn)定性分析，可以為本電站機組的運行及其他電站類似機組的穩(wěn)定性研究提供參考。