300MW抽水蓄能电站振动监测及分析
张红方，刘龙，郑越
（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南新乡453636）
描要：抽水蓄能电站为电网前峰填谷的具有量要手段，监测抽水蓄能电站运行的状况和稳定运行区城具有重要常义.文中介绍了300MW的抽水蓄能电站的振动监测装置，总结了存在振动异需的几种因素和故障频率的计算方法.结合300MW抽水蓄能电站运行过程，通过振 动分析软件TN8000，分析了机组振动故障，为机组检修和故障排查提供指导性意见，保障了机组设备安全稳定运行.
关键词：抽水蓄能电站：振动监测；振动分析
中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1009-3230（2018）09-0030-05
VibrationMonitoringandAnalysisof300MW Pumped-storagePowerStation
(State Grid Henan BaoquanPumed storage Company Limited Xinxiang 453636 ZHANG Hong fang LIU Peng long ZHENG YueHehan Province China)
Abstract: Pumped sorage power station is an important means for the grid to cut peaks and falleysSomnitring th status f pmpd stoge pe stations and thestable eration e d dpspd s device summed up the factors of vibration anomalies and the calculation of the failure frequency With the operation of the 300MW pumped storage power station the vibration analysis of the unitwas analyzed through the vibration analysis software TN8000. That provided guiding opinions for theunit maintenannce and troubleshooting and ensured the safe and stable operation of the unit.
Key words: Pumped stornge power stations; Vibrationmonitoring; Vibration analysis
另外，水电机组的振动与一般动力机械的振复杂，除需要考虑机组本身的机械原因外，还需考 动有较大的差异，引起水电机组振动的原因非常虑水力不平衡、动水压力等水力因素及发电机的电气因素的影响.目前，水电机组异常振动的监测主要是通过变转速试验、变负荷试验和交励磁试验等试验手段进一步诊断[1].
0引言
随着我国水电事业的发展和水电机组单机容量的不断增大，水电在电力系统中的地位也日益突出.水电机组的异常振动直接影响着机组的安全稳定运行.据不完全统计，水电机组约有80%的振动也是损坏设备的重要原因之一，因面对水 的故障或事故在振动监测中有所体现，同时异常电机组振动状态进行监测和诊断具有重要意义.
1振动监测系统简介
1.1机组概况
宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁镇大王庙以上2.5km的峪河上.电站厂房内安装
4x300MW的单级混流可逆立式水泵水轮发电机组.机组有发电（CE）、抽水（PU）、发电调相（GC）、抽水调相（PC）、停机稳态（SS）、旋转备用（SR）、线路充电（CH）、黑启动（BS）八种稳定工况.抽水工况启动方式有：静止变频器（SFC）启动、背靠背启动.水泵水轮机为单级、混流可逆式，额定水头为510m，吸出高度为-70m，额定功率为306MW，额定转速为500r/min.该机组采用立式冲击式结构，上轴承为12块导瓦固定，下轴承为8块导瓦固定，水导轴承为10块导瓦固定，推力轴承位于上导轴承内，为12块导瓦支撑.水轮机采用9个转轮叶片，通过20个活动导叶控制流量，推动转轮出力.
表1 抽水蓄能电站振动监测测点项 测点 测点上导X向摆度 上导Y向摆度摆度测点 下导X向摆度 下导Y向摆度水导X向撰度 水导Y向摆度上机架X向水平振动 上机架X向垂直振动 下机架X向水平振动 上机架Y向水平机架和顶益振动 下机架Y向水平振动 下机架X向垂直掘动下机架X向垂直振动 顶盖X向水平振动顶盖Y向水平振动 定子铁芯水平振动 顶盖振动垂直振动 定子铁芯垂直定子和线棒振动 1 2 3 振动1 2、3线棒端部振动A1、B1、C1
1.2监测系统介绍
宝泉抽水蓄能电站状态监测分析系统由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等部分组成.整套系统采用分层分布式结构，状态数据服务器及相关网络设备（调制解调器、光纤收发器、交换机等）等控制站设备安装在电站中控楼计算机室.利用状态监测系统所得数据和处理结果，综合MIS系统、计算机监控系统等信息和专家知识，对水轮机和发电机运行状态进行在线监测、故障分析及诊断（包括数据共享和远方诊断），可实时掌握机组各主要设备的健康状况，为状态检修提供辅助决策并实现与其他系统的信息共享.
图1宝泉抽水蓄能电站测点布置简图
2水泵水轮机振动故障分析
水电机组的振动故障和普通的旋转机械的振动故障分类有所不同.水电机组振动故障原因需考虑与设备本身的转动或固定部分的联系外，还需要考虑作用在发电机部分的电磁力以及作用于水轮机流动部分的流体动压力等对系统及其部件振动的影响.在机组正常运行工况下，流体-机械-电磁三部分是相互耦合的关系.因此，水电机组的振动故障是电气、机械、流体三方面关联的振动类机组振动的原因分为以下几个方面-. 型.根据水电机组积累的运行经验，可将引起水电
每台机配置现地数据采集站，数据采集站负责对机组的振动、摆度、压力脉动等信号进行数据采集、处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的 方式在计算机屏幕显示器上显示，同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警和报警，并将数据通过网络传至状态数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断.
2.1机械方面的原因
宝泉抽水蓄能电站机组属于单级混流可逆立式水泵水轮发电机组，采用如图1所示的测点布置简图进行振动监测.其测点表见表1.
水电机组机械振动主要由转动部件例如转轮、发电机、联轴器等部件本身存在的质量不平衡引起；除此之外，机组旋转部件与固定装置发生摩
擦、密封装置安装不当、轴承安装间踪过大、集电环横圆度差、主轴过细和刚度不足等原因也造成的机组振动；机组轴线曲折、紧固件松动、连接中心不正、推力轴承调整不当也引起机组振动.因此，对水电机组振动的监测和分析主要设备为：水电机组转子、各导瓦轴承及转轴轴系、水电机组支撑固定部件和推力轴承等部件[2-}.
2.2电磁方面原因
水电机组引起电磁振动的主要原因有：发电机转动部分因受力不平衡（这些不平衡力主要来 自于周期性的不平衡电磁拉力分量，定子、转子不均匀空气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的不平衡力和发电机在不对称运行工况下时所产生的作用力）而引发机组振动；因定子铁芯组合缝隙松动、定子铁芯松动、定子与转子气隙不均匀引发机组振动；定子绕组固定不牢围，当发电机在较高电气负荷和电磁负荷作用下诱发机组振动.针对水电机组电磁振动的监测和分析主要有：发电机定转子整体温度和气、定子极颜振动、转子质量不平衡、定子绕组固定装置等[2-3].
2.3水力机械方面原因
导致机组水力机械振动的原因有：引水道施工误差或流体工况的变化，导致水轮机进水流道 蜗壳、导叶中的不均匀流场均会出现旋涡，形成涡带进人转轮导致机组振动；转轮叶片的尾部旋涡和扰流引起的卡门涡阶也可诱发机组振动；旋转的流体，形成偏心的涡带，使蜗壳尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动；高水头混流式水力机组的漏环结构型式、密封间晾不当及运行间的偏差均可诱发机组振动.对水力机械诱发的机组振动监测和分析主要内容为：水轮机蜗壳进水压力、尾水管压力脉动、转轮室上下迷宫环脉动、转轮和导叶前后脉动及引水道缺陷等（-5.
2.4振动故障特征频率计算
水力发电机组的振动原因和现象非常复杂，但仍然存在一定的规律性.根据文献[2-5]所述，按照机组振动频率的不同将引起水电机组振动的原因进行分类.对各分类故障原因的相关特
征额率计算如下：
（1）转频振动额率：f.=n/60式中，n为机组额定转速，r/min
（2）发电机主极颜率：f=50Hz
（3）水轮机导叶开口不均匀引发振动额率：f=f.z
式中f.为机组额定转额，Hx；Z为导叶数目.
（4）水轮机转轮叶片不均匀引发振动频率：f=f.Z
式中，f.为机组额定转频，H；Z为叶片数目.
（5）过流部件叶片额率：f=f.ZZ/a式中，f.为机组额定转频，Ha；Z为导叶数目；Z为叶片数目；a为Z，和Z最大公约数.
（6）尾水管涡带会引起与其额率相同的低频压力脉动，且该额率在尾水管各处分布相同，根据雷岗斯经验公式，可得涡带频率：f锅=f/式中，f.为机组额定转频，Hz；z为经验系数，2=2-6，通常：取3-5.
（7）尾水管低频涡振频率：f涡=Srxa/d
式中，Sr为斯特鲁哈数，通常取0.225~0.25或0.23，m/s；@为流体分离点平均速度，m/s；d为分离点叶片的厚度，m.
（8）发电机推力轴瓦不平衡引起的振动颊fxu=f本
式中，f.为机组额定转频，Hz；m为推力瓦数目.
（9）转轮密封旅转压力频率：f=Cxf式中，f.为机组额定转额，Hx；C为1、2、3.（自然数）.
（10）发电机气晾频率：f=Kxf
式中，f.为机组额定转额，H；K为1、2、3.（自然数）.
（11）发电机定子极類振动频率：f=Pxf式中，f.这机组额定转频，Hz；P为发电机磁极对数.
（12）发电机电磁振动频率：f=100Hz
3抽水蓄能电站报动监测分析过程宝泉抽水蓄能电站2号机组，由启动至带
230MW负荷工况下，机组的各导瓦轴承、定子铁芯和线棒振动趋势如图2-6所示.
图2上导、下导和水导摆度变化趋势
图3上机架和下机架振动变化趋势
图4顶盖和定子铁芯振动变化趋势
图5定子铁芯和定子线棒振动变化趋势
由宝泉抽水蓄能电站启动至230MW负荷振动变化趋势数据，可以分析出，机组刚并网至带150MW负荷过程中，各轴瓦的摆度出现较大范围的波动，主要是由于导叶开度较小，流量不均等原因所致，各轴瓦摆度、振动频谱如图7-10所示.
图6定子线棒振动变化趋势
图7上导、下导摆度频谱图
图8水导和上机架振动频谱
图9上机架和下机架振动频谱
由图7-11所显示的数据整理可知，上机架和顶盖振动幅值均在优良水平，而上导、下导和水导摆度均在合格范围.根据上导X、Y向摆度频谱可以分析：基频分量较小，而0.5倍频、2倍频和2.5倍频占主要成分.其中，0.5倍颊与尾水管涡带频率相关，2倍频与发电机气隙频率相关.2.5倍频成分与轴瓦特征频率相关.
图10顶盖振动频谱
图11水轮机运行轴姿态围
下导X、Y向摆度频谱可以分析：基频分量较小，0.5倍频占主要成分.其中，0.5倍频存在可能与尾水管涡带频率相关.
水导X、Y向摆度频谱分析：基频分量较小，水导X向频谱主要存在高倍频成分，水导Y向频谱高频成分不存在，鉴于此种情况，建议从以下几个方面进行分析：（1）检查测量系统是否存在问题；（2）检查传感器是否按照规范；（3）检查传感 器是否正常；（4）检查传感器支架是否存在松动情况：（5）检查轴瓦是否存在安装不当情况.
由宝泉电站的基础资料可以分析计算出，尾水管压力涡带振动频率范围为：1.39~4.16Hz，由振动测试的基本理论可知，通频振动幅值较大，且低频含量较多时，通频的幅值会较大，同时对设备的损害程度较小，要解决低频振动幅值加大的问题，可以通过改善涡带振动的措施：通过向尾水管道及中适当补气，如额定流量1%左右的气量量可有效消除振动，但如太小的气量反而会加剧 可大大降低尾水管的涡带振动幅值，2%左右的气振动；改善转轮叶片出水边以及改变尾水管进口流态，但要能够保证水轮机的效率和稳定性；在尾水管内设置导流装置以及改变水流运动状态等.但具体加装导流装置的结构和尺寸需进行试验模
拟并进行验证[²-"）.
4结束语
水轮机的叶片故障频率为75Hz，导致振动频谱存在此频率的主要原因为：叶片内流体不稳，导致气流激振引发叶片通过额率，但上导X向摆度存在75Hz成分，但上导Y向频谱中不存在75Hz成分，导致出现此频率成分的主要原因为：（1）测量系统是否存在问题：（2）传感器安装是否规范；（3）传感器是否正常校验：（4）检查传感器支架是 否存在松动情况；（5）检查轴瓦是否存在安装不规范情况.
文中利用现场布置的振动监测设备和TN8000软件，经过数据对比分析，可得出如下结论：
（1）该机组运行于50%额定负荷以上时，机组各轴瓦振动均在合格范围，可以安全稳定运行.
（2）该机组空载和带负荷小于50%额定负荷时，各轴瓦振动存在较大的波动情况，导致振动波动的主要原因都是流体不均、尾水涡带等因素影响所致，建议避免在此曲域长时间运行.
状态良好，检修时重点检查水力机械的间隙、叶 （3）由机组的运行参数分析，该机组的平衡轮、导叶执行机构和轴瓦安装是否规范等情况，对机组的联轴器中心进行复查，尽量保证轴系连接的同心度.
参考文献
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