关于水电站机组振动特性分析

张剑辉　陈接永

【摘要】水电站（hydroelectric power station ）是将水能转换为电能的一项综合工程设施，主要包括水库、水电站引水系统、机电设备以及发电厂房等。就现阶段的研究水平来看，利用现代的信息熵技术分析方法能够有效分析其机组特性，笔者将以广东省梅州市M水电站为例，分析水电站机组振动特性，以期能够为相关工作者提供科学的意见参考。

【关键词】水电站；机组振动特性；研究分析

水电站机组的运行特性主要包括以下4个方面的内容：其一，稳定性；其二，能量特性；其三，空化特性；其四，空蚀特性。从能量特性、空化特性以及空蚀特性角度来看，以上三者关系到水电站机组的利用程度以及使用寿命等2个方面，从稳定性的角度来看，不仅仅影响到水电站机组的使用寿命，还影响到了水电站机组是否能够正常运行。从上述2个方面的角度来看，水电站机组振动诱发的厂房结构振动已经成为设计水电站运行的重要问题之一。现阶段，采取针对性的减振措施可以对水电站的振动故障进行有效诊断。

一、M水电站基本概况

M水电站为M水库坝后电站，M水库始建于1964年10月，于1966年冬建成投入使用，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、供水的综合利用的中型水库。捍卫着上下游及梅州城区几十万人民群众的生命财产安全，承担着水库下游沿河两岸3.6万亩农田的水利灌溉任务。M水库是梅州城区防洪体系的重要组成部分， 其安全与否直接影响到梅州城区的防洪安全，防洪地位非常突出、防汛责任重大。水库控制集雨面积350km2，总库容为5100万m3，水库正常蓄水位▽167.5m，相应库容3500万m3，校核洪水位▽168.2m，设计泄洪流量970 m3/s，水库前汛期防限水位167.00 m，后汛期防限水位167.50 m。M水电站使用的是反击式水轮机。调节器使用的是某公司生产的GSFT型高油压水轮机调速器，GSFT型高油压水轮机调速器与传统的低油压（2.5/4.0Mpa）调速器相比，具有以下几个方面的技术经济优势：

（1）工作油压高、用油量少以及电站布置方便、美观；

（2）储气罐内所充氮气与液压油不接触，油质不易劣化；

（3）免除了电站运行中的调油位以及补气工作，又可省去高压气系统及相应的付厂房；

（4）质量可靠，性价比高；

（5）减少了液压放大环节，使得调速系统结构简单，性能优良。在运行的过程中发现机组的紧固件发生多次松动行为，厂房房顶的顶部件被振动所掉落，水轮机的轮转叶片以及尾水管锥管出现细碎裂纹。总而言之，水电站机组的振动不仅仅影响到了机组的安全运行，还在一定程度上缩短了机组的检修周期。

二、M水电站机组特性

1 振动试验

根据试验的相关标准（GB/BJ2544-4555，GBEUIH-2417）依据水轮发电机组安装技术规范对机组轴线进行摆度，其中水轮机的顶盖水平振动小于100r/min额定速度为0.09，在100～250r/min之间额定速度为0.07，250～370r/min之间额定速度为0.05，370～750r/min之间额定速度为0.03；顶盖垂直运动小于100r/min额定速度为0.11，在100～250r/min之间额定速度为0.09，250～370r/min之间额定速度为0.06，370～750r/min之间额定速度为0.03。发电机的推力轴承支架垂直振动小于100r/min额定速度为0.08，在100～250r/min之间额定速度为0.07，250～370r/min之间额定速度为0.05，370～750r/min之间额定速度为0.04；发电机导轴承支架水平振动小于100r/min额定速度为0.11，在100～250r/min之间额定速度为0.097，250～370r/min之间额定速度为0.07，370～750r/min之间额定速度为0.05.

2 振动测试结果

M水电站机组的振动测试结果显示50%转速在上机架、顶盖以及下机架的水平部位分别为3.5451、1.6541、2.5461，50%转速在上机架、顶盖以及下机架的垂直部位分别为9.5614、4.5124、4.5641；65%转速在上机架、顶盖以及下机架的水平部位分别为3.541、1.964、1.6845，65%转速在上机架、顶盖以及下机架的垂直部位分别为10.548、3.564、5.6541；80%转速在上机架、顶盖以及下机架的水平部位分别为3.5475、2.9874、3.024，80%转速在上机架、顶盖以及下机架的垂直部位分别为35.564、7.5468、5.6451。

3 分析振源

水电站机组振动的原因非常复杂，影响其振动的因素也比较多，相关振动机理目前来拉看尚不完全清楚。但是，经过研究调查发现，引起水电站机组振动的原因无非以下三种：其一，水力因素；其二，电气因素；其三，机械因素。从水力方面的因素来看，由于水流脉动或者涡流等引起的振动情况较为复杂，在理论上尚不能够完全证实。从M水电站机组来看，可以认为是水流经过了某些绕流体之后因为流速分布不均匀而导致的压力脉动情况或者水力在过渡过程中压力波动的情况出现。所以，水电站机组与管道之间存在水力互联的作用。从机械方面的因素来看，主要是由于水轮机或者发电机在安装质量以及制造的过程中造成推力轴安装不良以及轴线过于曲折等问题，继而导致了水电站机组发生振动现象。机械原因下的振动与负荷之间没有显著关系，于振动主频率有着十分密切的关系。一般情况下是由机组转动部分偏心而引起的振动、转动部分与固定部分碰撞所引起的振动、轴承嫌隙过大、主轴过于细小所引起的振动或者推力轴承调整精度不够准确等方面的原因引起的机组振动情况。从电气因素来看，主要与推力轴承安装质量不够高、不均衡的磁拉力、定子极频振动、推力瓦制造不良、发电机定子与转子间气隙不够对称、发电机线圈短路以及发电机定子铁芯基座缝合不严等有密切关系。

4 相关解决措施

限制并且有效消除尾水管压力，其主要关键是限制涡带的形成，有效减小涡心的偏心距，继而能够使得M水电站的水轮机可以有效改善水轮机泄水的情况。向尾水管出口进行适当的补气能够使得涡带中心低压真空状态减弱，并且有效稳定涡带，减轻振动。

三、结束语

综上所述，M水电站机组能够有效避开振动区域进行工作是最好的方法。但是，其主要的首选方法仍然是以改善水轮机的泄水形态为第一要务，与此同时需要适当的结合补气的方法。另外，尾水管压力脉动变化会随着工程的变化而显示出不同的运行特征，那么不同的特征区域就会显示不同的频率，需要相关工作人员多加注意。

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