抽水蓄能电站机组振动监测与分析

王 灵,王 波

(华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁县内,其装机容量、储能能力和地下厂房规模均为世界第一。丰宁抽水蓄能电站机组具有高水头、高转速、高动力、抽水与发电工况频繁转换及多机组交叉运行的特点,其机组振动比常规水电站的机组振动更加显著、复杂[1]。因此,丰宁抽水蓄能电站的机组振动特性,是评估丰宁抽水蓄能电站机组和厂房结构重要的指标之一。

针对上述问题,诸多学者进行了相关研究,向明[2]针对黑麋峰抽水蓄能电站机组的振动、摆度偏大的振动问题,开展了机组与区域环境振动联合测试研究工作,确定了其振源传播的路径;郭德昌[3]为研究装有不同转速机组的相邻机组段厂房在水压力的作用下,其振动相互影响的机理;张永会[4]对白山抽水蓄能电站6号机组在机组运行的四类暂态工况进行了现场振动测试,分析得到了水导摆度及顶盖振动的时域与频域特性;Guo Wenchen[5]基于整体传递矩阵,研究了两台机组共用一条隧洞的抽水蓄能电站时的水力-机械耦合振动性能。结果表明:水力-机械耦合振动由9阶振动叠加而成,液压参数和机械参数会影响特定的振动阶次,改变其稳定性;Zhang Hao[6]提出了一种将液压系统与机组系统耦合的多机组抽水蓄能系统暂态模型,并对某抽水蓄能电站发电机进行了动态特性测试实验,抽水蓄能系统动态特性的分析表明:改变导叶的运动规律可以改善抽水蓄能系统的暂态性能;Li J W[7]以张河湾抽水蓄能电站厂房局部结构的强烈振动为研究对象,通过对主要激振源和局部结构自振频率的分析,阐明了厂房结构强烈振动的原因;薛石平[8]利用数值模拟的研究方法,系统地研究了机组振动荷载和流道脉动压力作用下,相邻机组段厂房结构振动的相互影响的规律,得到很多有益的结果;罗宗成[9]对可能引发抽水蓄能电站机组水力振动因素进行了逐个分析总结,并就不同角度提出了工程上的应对措施;童恩飞[10]基于谐响应法分析了在脉动压力作用下及各种工况机组动荷载作用下,琼中抽水蓄能电站地下厂房结构动力响应,并提出了适用于该下厂房的振动控制标准;陈晨[11]建立了某抽水蓄能电站地下厂房的一种动力分析模型,基于强耦合方法,将声场理论运用到有限元计算中,对比计算了厂房整体结构在干湿模态下的振动特性的差异,并对地下厂房整体结构进行了谐响应分析计算,得到了水力脉动在干、湿模态下对厂房的影响;陈婧[12]利用有限元数值模拟的研究方法,研究了洪屏抽水地下厂房厂房固有振动频率并对其地下厂房结构进行了共振校核,同时利用动力时程分析法计算了下厂房结构在水轮机压力脉动作用下的振动反应,最后结合国内外相关规范,对其振动特性加以评价。

以上研究具有广泛的工程应用价值,但在研究机组振动问题时,对机组在瞬态工况和稳态工况的机组振动性能的研究较少。深入研究以上两类工况下机组振动特性,有利于研判机组在各类工况下的振动规律,对于保障抽水蓄能电站长期稳定安全运营具有重要意义。

本文以丰宁抽水蓄能电站1#机组为研究对象,选取1#机组发电机上机架、水轮机顶盖、和尾水管为测点,实时监测了在发电开机、发电停机、抽水开机、抽水停机、稳态抽水和稳态发电六种工况下机组在厂房横向、厂房纵向和厂房竖向的振动加速度幅值,得到了不同工况、不同振动加速度下的机组振动规律。

1 丰宁抽水蓄能电站机组参数

丰宁抽水蓄能电站地下厂房内总共安装 12 台单机容量300MW的大功率发电机组,是目前世界上在建容量最大的抽水蓄能电站项目。一、二期工程各安装6台300MW的可逆式水泵水轮机和发电电动机具有周调节性能。发电机层以下为整体浇筑混凝土结构,分为 6 层,自上而下分别为发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳夹层、蜗壳层、尾水管层。机组布局采用采用一机一缝的结构型式,安装场和主厂房之间、副厂房与主厂房之间设有结构缝,机组基本参数见表1。

表1 机组基本参数

机组稳态运行工况时,机器可靠安全的运行要求振动加速度应该控制在一定限值之下,此限值是与可接受的动载荷和机器有足够裕度的径向间隙相适应的,此限值称机组安全值,通常认为振动在安全值内的机器可以无限制地长期运行,根据文献[13]的规定:转速为428r·min-1的水力发电厂和泵站机组的机组安全值为0.68～1.18m/s2;机组瞬态启动/关闭时,其安全值为稳态是安全值的2～4倍,即为1.36～4.72m/s2。

2 地下厂房振动测试试验工况与测点

2.1 振源测试设备

本次测试使用的加速度传感器为SCA620型电容性加速度传感器,如图1(a)所示,量程为0.12g或者1.2g,2.5V对应零点,灵敏度0.01V/g,0.5～4.5V输出,具有灵敏度高、测试稳定等特点。SCA620型电容性加速度传感器是通过间隙的改变来获得可变电容,再对电容量进行测定而后得到机械振动参数的。SCA620型电容性加速度传感器内具有四个基本元件,即传感器板、振荡器、触发电路和输出端,如图2所示。待测物体和传感器板构成了振荡器反馈电路。当物体和传感器板靠近时,反馈电容出现;当大电容出现时,就会开始振荡,物体越远离传感器尖端时振荡幅度降低,而靠近时幅度增加。触发电路感应振荡水平并得以控制,从而改变输出端开关装置的状态。输出端输出触发电路的电信号,并最终由信号分析系统进行解调分析。

图1 SCA620型电容性加速度传感器

图2 传感器工作原理示意图

每个振动传感器在测定实验前,需进行校准。校准方法采用比较标定法,如图3所示。将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定时,分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值Ua和U,若标准测振传感器的加速度灵敏度为Sa0,则被标传感器加速度灵敏度Sa为:

图3 比较标定法示意图

Sa=Sa0·U/Ua

(1)

频率响应的标定,在振幅恒定条件下,改变振动台的振动频率,测出传感器输出电压与振动频率的关系,即幅频响应。比较被标传感器与标准传感器输出信号间的相位差,可得传感器的相频特性。

动态信号测试仪为东华DH-5922N多通道振动测试与模态分析仪,如图4所示,该系统融合了电子技术、数字信号处理、计算机科学等领域先进的技术,具有高性能、高精度、适配性强、安全可靠的特点,每台计算机可控制多通道以上同步并行采样,满足多通道、高精度、高速动态信号的测量需求可以广泛用于各类振动监测测验。动态信号测试系统各部件串连图如图5所示,三个加速度传感器通过电荷适配器连接于同步时钟盒三个接口处,通过同步时钟盒对加速度传来的电信号进行相位同步,保证所有通道的同步采样,同步后的电信号通过同步时钟线连接到动态信号测试仪三个通道中,经动态信号测试仪解调后,最终传至计算机中,将采集实时保存与硬盘当中,方便后续研究。

图4 DH-5922N多通道振动测试与分析仪

图5 动态信号测试系统各部件串连图

2.2 地下厂房测试工况

抽水蓄能电站厂房结构振动特性相对普通水电站有着更复杂的特点。抽水蓄能电站在发电和抽水时,功率相对稳定,厂房结构能够以相对稳定频率和振幅进行持续的稳定振动;在电站开/关机时,由于机组在瞬间获取/释放巨大能量,厂房结构会在瞬时产生振幅值较高的振动。抽水蓄能电站地下厂房结构布局较为复杂,同时由于抽水蓄能电站生产运营方式不同于普通电站,机组需进行频繁开、关机,使得其振动特性更加复杂多变,对地下厂房结构抗震能力提出更高要求。针对以上特点,选取稳态发电、稳态抽水两种稳态工况和发电开机、发电停机、抽水开机、抽水停机四种瞬态工况作为地下厂房振动测试工况,见表2 。

表2 测试工况

2.3 地下厂房测点布置

丰宁抽水蓄能电站地下厂房震源主要为机械振动和水力振动,其振动传递途径一般由机组振动较为剧烈部位传递到机组混凝土支撑结构,再从支撑结构传递到其他厂房结构,因此尾水管、水轮机组顶盖、及机组上、下机架等振动较为明显的部位可认为最适合的振源测试位置。基于以上振源测试点选取原则,对1#机组进行振源测试,在1#机组的尾水管、水轮机顶盖和发电机上机架各布置一个测点,对6种测试工况下,每个测点的三个振动方向(厂房纵向、厂房横向和厂房竖向)的加速度最大值和加速度平均值和进行单独测量。根据以上机组振动特性测试方案,每台机组共布置9个SCA620型电容性加速度传感器同时测量,分三次单独测量,机组测点布局图如图6所示。

图6 1#机组段振源测试测点布置方案

3 地下厂房振动特性结果与分析

3.1 振动加速度平均值测试结果

振动加速度平均值接近于振动信号的能量值,它象征着振动的破坏能力,是保证机组长期稳定运行的重要指标之一。设厂房横向加速度为a1,厂房纵向加速度为a2,厂房竖向加速度为a3,取合加速度a为:

(2)

1#机组在各测试工况下,发电机上机架、水轮机顶盖和尾水管三个测点在三个振动方向(厂房横向、厂房纵向、厂房竖向)及合加速度方向的机组振动加速度平均值分如图3所示。

由图7(a)～(c)可知,1#机组工作时,在相同工况下,发电机上机架在厂房纵向加速度平均值大于横向和纵向加速度平均值,厂房纵向最大值0.29m/s2出现在抽水开机工况,水轮机顶盖横向和竖向振动加速度平均值较为接近,最大值0.670m/s2出现在抽水开机工况;尾水管纵向加速度平均值显著大于横向和竖向振动加速度平均值,最大值0.490m/s2出现在抽水开机和抽水停机两种工况下。

图7 1#机组振动加速度平均值

由图7(d)可知,机组在稳态发电、稳态抽水两种稳态工况下,机组振动加速度平均值在0.098～0.196m/s2之间,最大值0.157m/s2出现在稳态抽水工况;机组在发电开机、发电停机、抽水开机和抽水停机四种瞬态工况下,水轮机顶盖振动加速度平均值为发电机上机架和尾水管的2倍,抽水开机工况时机组振动加速度平均值最大,该工况下发电机上机架、水轮机顶盖、尾水管加速度平均值分别为0.500m/s2、1.109m/s2、0.568m/s2;瞬态工况的振动加速度平均值为稳态工况加速度平均值的4～6倍,瞬态工况振动较为剧烈,在电站生产运营中应当重点监测以上工况上机组振动情况。

3.2 振动加速度最大值测试结果

振动加速度最大值是机组振动过程中,振动加速度的峰值,一般存在时间短,但能产生较大的振动能量,对厂房结构的影响也较大。1#机组振动加速度最大值如图8所示。机组振动加速度最大值分布规律与机组振动加速度平均值分布规律类似,瞬态工况振动加速度最大值为稳态工况的4～6倍,在瞬态工况下,开机工况振动加速度最大值大于停机工况;在稳态工况下,稳态抽水工况振动加速度最大值略小于稳态抽水工况,稳态抽水时各测点振动加速度最大值在0.107～0.598m/s2之间;相同工况下,振动加速度最大值为振动加速度平均值的4～10倍,发电机上机架机振动加速度最大值1.96m/s2出现抽水开机工况,水轮机顶盖振动加速度最大值3.880m/s2,为发电开机工况。尾水管振动加速度最大值1.391m/s2,为抽水开机工况,此时振动加速度小于安全阈值4.72m/s2,机组振动安全性可以保证。

图8 1#机组振动加速度最大值

4 结论

(1) 相同工况下发电机上机架和水轮机顶盖在不同方向上的振动规律一般表现为厂房横向振动与厂房竖向振动加速度平均值基本相同,约为厂房竖向振动加速度平均值的1.50～1.63倍,尾水管主要振动方向为厂房纵向,其振动加速度平均值在0.196～0.490m/s2之间。

(2) 机组在稳态发电、稳态抽水两种稳态工况下,机组振动加速度平均值在0.098～0.196m/s2之间,最大值1.568m/s2出现在稳态抽水工况。

(3) 瞬态工况的振动加速度平均值为稳态工况加速度平均值的4～6倍,瞬态工况振动振动较为剧烈。机组在发电开机、发电停机、抽水开机和抽水停机四种瞬态工况下,水轮机顶盖振动加速度平均值为发电机上机架和尾水管的2倍,抽水开机工况时机组振动加速度平均值最大,在电站生产运营中应当重点监测以上工况上机组振动情况。

(4) 机组振动加速度最大值分布规律与机组振动加速度平均值分布规律类似,瞬态工况振动加速度最大值为稳态工况的4～6倍,振动加速度最大值为振动加速度平均值的4～10倍,水轮机顶盖振动加速度最大可达3.616m/s2,小于安全阈值4.72m/s2,机组振动安全性可以保证。