大型混流式水轮发电机组异音分析及处理

刘任改

（国能大渡河流域水电开发有限公司,四川 成都 610014）

0 引言

瀑布沟水电站位于四川省雅安市汉源县和凉山州甘洛县接壤处,是大渡河干流梯级规划推荐的22 级方案中的第17级电站,装设6 台单机容量600 MW的大型混流式水轮发电机组,其中发电机有东方电机股份有限公司生产,型号为SF600-48/14200,转子直径13.11 m,转子总重1210 t,额定转速125 r/min,3台水轮机由东方电机股份有限公司提供。另外3 台水轮机由通用电气亚洲水电设备有限公司（GE）公司提供。东方电机公司水轮机型号HLD416A-LJ-696,单机容量611 MW, 转轮进口直径6.96 m,转轮重量230 t,额定转速125 r/ min,额定流量435 m3/s,额定水头156.7 m,最大水头181.7 m,最小水头114.3 m,设计点吸出高度为-7.75 m,水轮机安装高程661 m。瀑布沟水电站于2011 年1 月20 日全部投入运行,机组运行稳定,从2018 年12 月检修后,东方电机公司机组中有一台在停机过程中出现异音现象,从机组导叶全关,圆筒阀开始关闭,水车室出现刺耳的异音。鉴此,本文对该异音产生原因进行分析。

1 异常现象

在2018年检修期后,运行人员发现瀑布沟6号机组在停机过程中每次均出现刺耳的异音。运行人员通过分析不同时刻的数据发现,在导叶全关,圆筒阀关闭过程中,异音出现,并且水车室异音最明显。具体数据记录见表1,表中记录为某次停机过程中各部位振动、摆度值随转速的变化情况,其中振摆单位为μm,压力单位为kPa,其余次数停机情况均与表中情况相似。

表1 水车室各部振摆原始数据

从表1数据可以看出,虽然运行人员听到刺耳异音很明显,但是水车室各部的摆度、振动值并没有异常,表2 数据显示机组各部压力中蜗壳进口压力在70 r/min～30 r/min区间内确实出现异常主频,但其他部位压力幅值、主频正常,未能很好的判断异音的来源。

表2 机组各部压力原始数据

2 原因分析

大型混流式水轮发电机组运行中产生异音通常可以分为电气异音、机械异音、水力异音三大类,水力异音主要由水力振动引起,机械异音主要由机械振动、摩擦、碰撞等引起,电气异音主要由电磁因素引起。通过大量水轮发电机组异音分析案例学习总结,对于大型混流式水轮发电机组的异常声响原因分析基本上可以归结为振动分析。一般引起水轮发电机组振动异音的原因有电气、机械和水力因素[1-3]。

2.1 电气因素

振动异音的电气因素是指振动中的干扰力来自电磁力不平衡,其特征是振动随励磁电流或者定子电流的增大而增大,且上机架处会比较明显。瀑布沟电站6号机组在出现异音后,首先是上导摆度、上机架振动值均未有明显变化,其次异音并没有随着电流变化而相应变化,可以排除电气因素。

2.2 机械因素

振动异音的机械因素是指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其他力,其特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率,导轴承振动大[4]。瀑布沟电站6号机组在出现异音后,首先是水导轴承摆度、顶盖振动值均未有明显变化,其次电厂先后组织专业人员进行转轮室、顶盖密封以及大轴补气装置检查,均未发现异常。

2.3 水力因素

振动的水力因素是指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力,其特征是带有随机性。常见的产生振动的水力因素主要有：水力不平衡、空化空蚀、卡门涡流和尾水涡带。

（1） 水力不平衡。具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流, 再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀地作用于转轮,激发转轮旋转。当某个导叶被异物夹断失去控制,使导叶开度不同步时,作用于转轮的水流就会失去轴对称性,产生一个不平衡的横向力,引起转轮振动。瀑布沟水电站6号机的异常噪音是在导叶全关以后出现,应与水力不平衡无关。

（2）空化空蚀。在流动的液体中,当局部区域的压力因某种原因而突然下降至与该区域液体温度相应的汽化压力以下时,部分液体汽化形成气泡,气泡随液流进入压力较高的区域时,就会溃灭,材料就会遭受巨大压力的反复冲击,从而引起疲劳破损甚至表面剥蚀。严重的会破坏水轮机转轮和尾水管等过流部件,并在尾水管内产生强烈的周期性噪声和振动。但从瀑布沟水电站6号机组异常声响的特征判别,并不是由于空化空蚀所产生,因为空化空蚀所造成的破坏是微观量的破坏,气泡破裂撞击金属表面是随机性的,因此所产生的噪音也是无规则的。

（3）卡门涡流。卡门涡流是发生在扰流物体尾部的漩涡,是水流扰流物体表面时边界层脱流而引起的。由于卡门涡流是交替从出流物体尾部排出,因此对出流物体会产生一个周期作用力,在水轮机的转轮叶片、活动导叶、固定导叶尾部经常会出现。当卡门涡流频率与叶片某一阶频率一致时,就会产生共振从而导致叶片裂纹及异常声音[5-6]。卡门涡流的频率与流速和分离点厚度有关,具体计算公式如下：

式中：f为卡门涡流频率,Hz；C为常数,对于混流式转轮,一般取值为 S=0.2～0.25；为叶片出口边缘的相对流速,m/s；为出口边缘的厚度,m。

从计算公式中可以发现,卡门涡流频率与转轮叶片边沿流体流速有关,流速越大,卡门涡流频率越大,也就是是异音越强烈,并且卡门涡流一般为低频。这与瀑布沟6号机组现场实际情况不一致,初步判定叶片卡门涡不是诱发异常声音的原因。

（4）尾水涡带。尾水管内涡带是混流式和轴流式水轮机普遍存在的振源之一。尾水管内的涡带在旋转过程中不断扫动尾水管边壁,会产生异常声音。但尾水管内涡带的扫动频率相对较低,其周期与尾水管内的压力脉动基本相同[7-8]。水轮机尾水管的压力脉动频率一般计算公式为：

瀑布沟水电站6 号机组的额定转速为125 r/min。可以计算出尾管涡带的脉动频率的范围约是21 次/min至41 次/min,而6号机组转轮室异常声音的频率为900 Hz～100 Hz,明显不符合,所以可以排除异音来源于尾水管压力脉动。

3 现场试验

在产生水轮机异音的基本原因都被排除之后,为进一步确认异音来源,瀑布沟电站组织国能电科院专家及东方电机公司厂家进行会诊。经过分析,认为可以从正常停机、手动停机两个方面来试验,同时在监测水车室各部件振摆、压力脉动的情况下,在水车室X、Y向、尾水人孔门、蜗壳人孔门处增设噪音监测点。

3.1 正常停机

正常停机过程中,通过试验仪器监测到各部振摆值没有明显变化,与先前电厂分析基本一致,噪音三维频谱图见图1～ 图4。

图1 水车室噪音+X停机过程频谱图

图2 水车室噪音+Y停机过程频谱图

图3 蜗壳门噪音停机过程频谱图

图4 尾水门噪音停机过程频谱图

从数据分析可以得出,水车室噪音测点最为明显,发生异常噪音的范围约为90 r～40 r（约为72%～32%nr（nr表示额定转速））,频率约为723 Hz,在发生异响的转速区间,频率变化量较小。在水车室出现异常噪音后,水车室两个方向的噪音测点监测到的噪音升压未见增大的趋势,并且基本保持高频,这进一步验证了瀑布沟6号机组异音不是卡门涡引起。

3.2 手动停机

为了了解流量对噪音的影响,停机过程采用手动关闭导叶,第一次采用匀速手动停机,转速从额定降至20%nr,历时约1000 s,停机过程中,未监测到异常噪音。第二次采用非匀速手动停机,本次关闭导叶的顺序为：空载开度-5%-4%-3%-2%-1%-0。停机过程历时1100 s,停机过程也未监测到异常噪音。具体三维频谱图见图5～图8。

图5 水车室噪音+X手动停机过程频谱图

图6 水车室噪音+X手动停机过程频谱图

图8 尾水门噪音手动停机过程频谱图

从上面数据分析,当机组手动停机,停机时间变长的情况下,振摆数据没有明显变化,但对于阻止异常噪音产生有明显的效果。通过多次试验与分析,目前瀑布沟电站6号机组已经采取调节机组关闭时间来暂时控制异音。同时专家组一致认为引起瀑布沟6号机组异常噪音的部件为固定部件的可能性较大,但是由于当时处在汛期保供大发电期间,固定部件产生异常噪音的机理还有待于进行下一步的研究。

4 结语

大型混流式水轮发电机组运行中产生异音比较常见,但是在停机过程中导叶关闭后产生异音还比较特殊。本文通过对瀑布沟水电站水轮发电机组异音产生原因的分析、试验及初步处理,对大型混流式水轮机异音产生的机理有了更加清晰的认识,对于如何消除机组异音提供了可以参考的解决方案。要特别指出的是,对大型混流式水轮发电机组异音产生的防治,不可能是千篇一律,而应从机组的结构设计、运行环境、调保计算、工作状态以及参数特性等多方面进行综合考虑。遇到异音问题要结合自身情况具体分析,选择采用不同的防治措施或解决方法,从而保证机组运行的安全稳定。