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某抽水蓄能机组甩负荷过程振动激增原因分析

2025-01-03 107 上传者：管理员

摘要：抽水蓄能机组具有水头高、转速快、双向旋转、工况转换频繁及过渡过程复杂等特点，使得甩负荷试验成为新建机组整组启动调试与大修机组修后试验中检验机组能否安全稳定运行的重点项目。某抽水蓄能机组在甩100%额定负荷过程中，出现了主轴摆度与机组振动过大的现象。采用时域分析、频域分析与时频联合分析的方式对振动过大现象进行了详细分析，得出振动过大现象为动平衡配重块固定螺栓断裂造成转子质量突然失衡引发。建议抽水蓄能机组动平衡试验中质量较大的配重块采用焊接的方式进行可靠固定。

关键词：
抽水蓄能电站
抽蓄机组
振动激增
甩负荷
质量失衡
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抽水蓄能机组反应迅速、运行方式灵活，在电力系统中有调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，抽水蓄能电站是技术成熟、运行可靠且较为经济的调节电源和储能电源，可有效促进大规模风电和太阳能发电的入网消纳，保障电力系统安全稳定运行，是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分[1]。近年来，我国抽水蓄能事业进入了发展高峰期，有大量的电站处于在研、在设、在建和投运状态。新建抽水蓄能机组经整组启动调试后投入运行，大修机组经修后试验后投入运行，启动调试和修后试验中重点试验项目之一的甩负荷试验用于检查调速系统的动态调节性能，检查自动励磁调节器的稳定性和超调量，校核导叶接力器关闭规律和关闭时间，检验蜗壳水压上升率、转速上升率等是否满足设计与合同要求，检查机组甩负荷过程有无异常振动现象[2]。抽水蓄能机组具有转速快、水头高、双向旋转、工况转换频繁及过渡过程复杂等特点，使得甩负荷试验成为检验抽水蓄能机组能否安全运行的焦点[3]。某抽水蓄能机组甩100%额定负荷过程中发生了振动过大的现象，威胁机组的安全运行。本文采用时域分析、频域分析及时域联合分析的方式对该振动过大现象进行了深入分析。

1、甩负荷试验简介

该抽水蓄能机组额定出力为300 MW，额定转速为500 r/min，转轮叶片9个，导叶20个。在机组带额定负荷300 MW运行一段时间后，通过监控盘柜电气停机按钮执行电气跳机，实现甩100%负荷试验，甩负荷过程测录了机组压力、主轴摆度、机组振动、电气参数与工况参数等信号的变化全过程。甩100%额定负荷过程中，该机组发生了很大的振动与噪声现象，甚至滑环室的机罩都出现了来回摇晃现象。甩负荷停机后立即对机组进行了全面检查和相关数据的分析处理。

2、短时傅里叶变换

对于平稳信号，通常采用传统傅里叶变换进行分析，它能显示信号在频域的分布情况，包括幅值与相位。不过对于非平稳信号例如抽水蓄能机组的启停、升负荷及甩负荷等过渡过程的压力脉动、主轴摆度及机组振动等信号，传统傅里叶变换不再适用[4]。

本文采用短时傅里叶变换对甩负荷过程的非平稳信号进行时频联合分析。短时傅里叶变换的基本思想是：把信号分成许多短的时间间隔，在短的时间间隔内认为信号是平稳的，于是可采用传统傅里叶变换来进行分析，以便确定该时间间隔频率成分的分布情况[5]。短时傅里叶变换常用的窗函数有矩形窗、汉宁窗、汉明窗及布莱克曼窗等。

3、测试结果及分析处理

主轴摆度与机组振动的幅值非常大，其中上导摆度与下轴摆度幅值达到了1 812μm与1 221μm，均远远超过上导轴承与下导轴承对应的轴瓦双边间隙值。而实际上主轴摆度应不大于轴瓦双边间隙值，经分析，原因是测量主轴摆度的涡流探头传感器安装在轴承座上，轴承座受到强烈冲击后发生了振动，即测量涡流位移传感器发生了振动，传感器振动与主轴摆度的叠加导致主轴摆度幅值测量值超过了轴瓦双边间隙，这反映了机组振动剧烈。上机架水平振动幅值变化趋势图中出现了截波现象，原因是振动幅值超过了传感器的量程，这也表明机组振动剧烈。下面对造成机组振动过大的原因进行分析。

主轴摆度与机组振动最大值发生在甩负荷后转速最大值附近，此时发电机出口断路器已分闸，发电电动机转子也已退去励磁，因此过大主轴摆度与机组振动的原因中排除电磁因素，下面从水力与机械方面进行分析。

该机组甩100%额定负荷过程，机组压力变化时域波形如图1所示，甩负荷过程转频（根据转速计算得到）、叶片过流频率（叶片数9×转频）及动静干涉谐振频率[6-7](2倍叶片过流频率）的变化曲线如图2所示。

压力数据统计符合设计要求，由图1可知，甩负荷过程中压力脉动幅值不是很大，没有发生异常的水力共振现象。甩负荷过程中，压力脉动主要频率成分为叶片过流频率、两倍叶片过流频率及两倍转频（压力脉动时频分析图中存在叶片过流频率和两倍叶片过流频率的轨迹线），尤其无叶区和转轮与底环压力脉动表现较为明显。此外，还存在水流撞击而激发的小于80 Hz的频率成分，压力脉动中转频分量表现不明显。初步判断，水力因素不是造成主轴摆度与机组振动过大的主因。下面从机械方面开展分析。

机组甩100%额定负荷过程，振动摆度显著变大时间段机组转速与主轴摆度时域波形如图3所示，图3中前2 s左右主轴摆度随着转速的上升而缓慢增大，这是正常的，然而在2.1 s左右上导与下导摆度突然大幅增大。为进一步分析原因，对显著增大后的上导与下导摆度进行频域幅值谱分析。上导摆度与下导摆度的主频均为11.04 Hz，此时转速约为662 r/min，对应转频为11.03 Hz，可见主轴摆度突然显著增大是转频分量突然增大造成的，这与动不平衡显著增大有关[8]，也即转子质量突然失衡。这也佐证了水力因素不是造成主轴摆度与机组振动过大的主因。停机后检查发现，动平衡试验的配重块部分固定螺栓断裂（甩100%负荷后转速升高，最高转速为132.9%额定转速，使得离心力约为额定转速下的1.8倍，大幅增大的离心力超过了固定螺栓的屈服强度，致使螺栓断裂[9]），配重块与其固定在转子上部位发生了明显的分离，从而造成转子质量突然失衡，导致主轴摆度与机组振动突然显著增大。停机期间对配重块进行了焊接处理，消除了动不平衡的安全隐患。

图1 甩100%额定负荷过程机组压力变化时域波形

图2 甩100%额定负荷过程转频、叶片过流频率及倍频变化曲线

图3 振动摆度明显变大时间段机组转速与主轴摆度时域波形

4、结束语

1）该机组甩100%额定负荷过程中，发生了主轴摆度与机组振动急剧增大的现象，其特征频率为转频。经分析与检查发现，该异常振动现象为动平衡配重块与其在转子固定处分离造成转子质量突然失衡而引发的。

2）对于非平稳信号，采用时频联合分析（例如短时傅里叶变换）非常具有优越性，它可以直观地显示信号的时频分布情况。抽水蓄能机组转速快、水头高、双向旋转、工况转换频繁及过渡过程复杂，相较常规水电机组更易发生故障，因此对抽水蓄能机组而言，采用时域、频域和时频联合分析是评价机组运行状态和开展故障诊断分析行之有效的方法。

3）抽水蓄能机组转速快，动平衡配重块承受较大的离心力作用，尤其是甩负荷的水力过渡过程工况，其最高转速可达额定转速的135%左右，使得离心力为额定转速下的1.8倍左右。此外，发电与抽水工况下的双向旋转，使得配重块固定螺栓承受双向交变载荷，容易出现螺栓松动现象。因此，建议对质量较大的配重块采用焊接的方式进行可靠固定，以避免配重块分离转子质量突然失衡故障的发生。

4）该机组甩负荷过程振动激增的分析处理可为别的电站类似振动问题的分析处理提供技术参考。

参考文献:

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[2]中国电力企业联合会.可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程:GB/T 18482—2010[S].北京:中国标准出版社,2011:10.

[3]唐拥军,邓磊,周喜军,等.测压管路对抽蓄机组过渡过程测试结果的影响[J].水力发电,2017,43(12):57-60.

[4]樊玉林,张飞,付婧,等.基于短时傅里叶变换的水轮机涡带工况识别[J].人民长江,2016,47(8):85-87.

[5]向玲,唐贵基,胡爱军.旋转机械非平稳振动信号的时频分析比较[J].振动与冲击,2010,29(2):42-45,220.

[6]贾伟,刘晶石,庞立军,等.抽水蓄能电站水泵水轮机的动静干涉与振动分析[J].振动工程学报,2014,27(4):565-571.

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[9]蔡文河,严苏星.电站重要金属的失效及其监督[M].北京:中国电力出版社,2009:10.

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