某抽水蓄能电站发电机层上盖板振动处理

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

某抽水蓄能电站总装机容量1000MW，电站安装4台单机250MW的机组。额定水头305m，额定流量94.1m3/s，额定转速333.3r/min，吸出高度-48m。地下厂房位于水道系统尾部的微风化变质安山岩内，为地下式厂房。厂房位于近中部，地下厂房系统由地下厂房、主变及开关室、母线洞、主变运输洞、出线廊道及出线竖井、交通洞、通风兼安全洞、排风洞、排水廊道和地面出线场等组成。该机组由法国ALSTOM提供水泵水轮机，日本VOITH FUJI提供发电机，2007年末首台机组发电，2008年末四台机组全部投入运行。

1 发电机层上盖板振动问题分析

该电站自投入运行以来，无论发电还是抽水的过程中，在发电机层上盖板上都有强烈的振感，水轮机在额定功率下振动最大。强烈的振感对工作人员的工作环境造成极大的不良影响。2011年电站经多次试验和研究分析，最终发现是由于机组运行时水轮机蜗壳内部的频率为100Hz的高频脉动水压力向上传递，造成整个机组以及厂房强制振动，直接导致了发电机层上盖板振动强烈。由于整个机组已经投入运行，对蜗壳结构进行调整工程量巨大，很难实现；而且虽然经过分析论证找到了振动的根源，但脉动水压形成的原因不明，如何去除在业内也没有可供参考的先例，这意味着要彻底从源头解决该振动意味着要有巨大投入，在不影响电站整体结构和运行的前提下想要彻底解决蜗壳内的水压脉动是不现实的。本着最大限度降低对机组运行影响这一前提下，想要降低发电机层的振感，只能从发电机层本身入手，通过优化机组上盖板结构，达到减少振动传递，进而降低振感是最具可行性的方案。

2 原发电机层上盖板结构分析

原发电机层上盖板由12块盖板组成，敷设在发电机层最上方，内圆6块盖板圆周均布，外圆6块盖板圆周均布，外圆的每一个盖板上都开有供空气冷却器起吊用的长方形起吊孔，不使用时可用相配的封盖封闭。内圆盖板最大弦长为3450mm，径向最大距离为2115mm；外圆盖板最大弦长为5355mm，径向最大距离为1905mm，如图1所示。

图1 原上盖板结构俯视图

内圆盖板和外圆盖板的主体均为6mm厚钢板制成，下表面焊接有部分角钢以加强整体强度。内圆盖板一侧把合在内侧固定块上，另一侧把合在连接支撑上；外圆盖板一侧把合在连接支撑上，另一侧把合在盖板基础上。整个盖板通过内侧支撑、连接支撑、外侧支撑形成支撑链，由上机架支臂承重，见图2。

图2 原上盖板结构侧视图

该结构盖板整体厚度仅为6mm，虽然下表面焊接有角钢以加强整体强度，但由于盖板整体外径达到了10710mm，整体径向长度4020mm，外圆单块盖板的弦长达到了5355mm，盖板整体尺寸偏大，厚度偏薄，整体强度不佳；盖板与上机架之间依靠内侧支撑、连接支撑、外侧支撑形成间断的支撑链，盖板没有和上机架形成整体，在机组振动时，盖板由于自身面积大、自重低、与机架整体程度差等原因，会产生被动强制振动，这是上盖板振感大的主要原因。此外，盖板本体没有隔音降噪设计也是主要原因之一。

3 处理措施

针对该机组上盖板振感大的问题，最佳的处理方案就是专门设计一套可以显著降低振感的上盖板结构，应用于该机组上。针对原机组上盖板的结构缺陷，新结构的优化设计的主要思路是：(1)增大单块盖板自身厚度，同时增加单块盖板面积，加强单块盖板结构性强度；(2)增加隔音、降噪设计；(3)盖板与上机架之间设计连续的刚性支撑，增加支撑强度和盖板与上机架的整体性。

因为原机组的接口尺寸限制，优化设计的新结构应充分考虑到与原机组接口尺寸的契合，如图3所示，优化设计后的上盖板内侧的内径、外侧的外径与原机组盖板一致，整圆仍采用6块盖板圆周均布，这就保证了在安装、使用新结构的上盖板时，不需对上机架进行二次加工，节约施工成本；如图3、图4所示，优化结构为提高上盖板与上机架的整体性和刚强度，首先，在每两个上机架支臂之间设计有支撑横臂以加强上机架对上盖板的支撑和一体化程度，第二，盖板内侧通过内圆支撑与上机架中心体焊接固定，盖板外侧通过外圆支撑与发电机层基础把合固定，两侧的支撑均使用工字型非独立支撑结构，在保证了内外圆支撑刚度的同时，又加强了上机架与上盖板的一体性；第三，盖板下部与上机架支臂之间设计有整体支撑装置，该装置使用20mm厚钢板焊接成工字形支撑，形成不间断支撑将盖板与上机架支臂最大程度的组成受力整体；第四，为增加盖板本体的强度，盖板本体使用10mm厚钢板加工而成，相比旧结构厚度增加了66%，强度得以大幅提升；在隔音降噪吸收振动方面，优化结构使用了目前主流的立式水轮发电机隔音上盖板结构，即每块盖板由盖板本体、加强钢管、吸音防振材料、纵膈钢板、密封钢板、加强扁钢组成，盖板本体为10mm厚钢板，下部由横向均匀布置的加强矩形钢管与纵向设置的纵膈钢板组成交叉的网格装隔断，每一个隔断内部使用吸音防振材料填满，再使用密封钢板封住，最后使用加强扁钢加固密封钢板，防止密封材料泄露。这样就在整个上机架上方形成了一个由隔音材质构成的“穹顶”，当噪音和振动从水轮机层随机组运行逐层向上传递而来，就会在触及隔音“穹顶”时被大量吸收，从而减少上盖板上平面的振动和噪音，达到发电机层振感大幅减小的目的；上盖板增加强度后与上机架紧密连接成整体，提高了一体性和整体刚度，可以将大量振感传递到基础上，从而减小振动传递到上盖板上层的几率和量级。

图3 新上盖板结构俯视图

图4 新上盖板结构侧视图

4 新结构盖板固有频率计算

由于机组的转频为5.55Hz，为避免新结构盖板的固有频率与转频重叠导致引入新的振源，我们对新结构盖板的固有频率进行核算，计算模型如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示。计算的频率见表1，在任意一阶的计算中，新结构的固有频率均避开了机组转频5.55Hz的±20%，未引入新振源。

图5 第一阶振型

图6 第二阶振型

图7 第三阶振型

图8 第四阶振型

图9 第五阶振型

图10 第六阶振型

图11 第七阶振型

图12 第八阶振型

图13 第九阶振型

图14 第十阶振型

阶次频率值Hz19.8229.8539.8849.91510.00610.08717.43817.61917.651017.71

5 优化处理后的效果

该电站目前已按照优化设计方案对原机组进行了改造，全面使用了新结构的上盖板。优化设计后的盖板单块盖板强度更好，盖板本体厚度更大、强度更好；下部由横向均匀布置的加强矩形钢管与纵向设置的纵膈钢板组成交叉的网格装隔断，结构强度大大增加，抗振性好；优化设计后的盖板下部每一个隔断内部使用吸音防振材料填满，可以很好的吸收振动和声噪，隔音防振效果好；优化设计后的盖板与上机架之间设计有与盖板径向长度相当的使用20mm厚钢板焊接成工字形支撑，并且在每两个支臂之间设计有支撑横臂以加强上机架对上盖板的支撑，这就使得盖板与上机架的整体性大大增强，可以使得上机架和机坑基础分担部分振动，减振效果明显。目前机组运行良好，上盖板上方振感已显著减小，达到了优化工作环境、减小电站运行安全隐患的目的。

图15 优化设计结构使用安装

6 结语

对于高转速悬式机组和抽水蓄能机组来说，由于机组转速高或结构性原因带来的机组振动对发电机层工作人员的工作环境影响极大，使用本结构的盖板虽不能从根本上解决机组由于脉动水压带来的整体振动，但能有限改善上盖板振感，全面改善机组运行环境，本文中提出的优化盖板的设计方案已经在某抽水蓄能电站应用，也为后续其他电站解决该问题提出一个好的方案和成功案例。

[1] 陈弘昊，汪志强，陈泓宇，等.大型国产抽水蓄能发电机安装调试过程设计优化.水电与抽水蓄能，2018.1.

[2] 李冬冬，王青华，姜朝晖，等.某抽水蓄能发电机定子铁心振动故障分析与研究.水力发电，2017.

[3] 刘宇，张兴旺.大型抽水蓄能发电机碳粉问题分析.防爆电机，2017.

[4] 刘琪，宋敏慧，杨华峰.抽水蓄能发电机机网仿真计算.防爆电机，2015.

[5] 王海龙，肖先照.抽水蓄能机组转子一点接地故障分析及处理.防爆电机，2017.

[6] 赵环宇.国产首台大型变频调速异步发电机的优越性.防爆电机，2012.