300 MW抽水蓄能电站振动监测及分析

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００９－３２３０.２０１８.０９.０１０３００ＭＷ抽水蓄能电站振动监测及分析

张红方ꎬ刘鹏龙ꎬ郑　越(河南国网宝泉抽水蓄能有限公司ꎬ河南新乡４５３６３６)摘　要:抽水蓄能电站为电网削峰填谷的具有重要手段ꎬ监测抽水蓄能电站运行的状况和稳定运行区域具有重要意义ꎮ文中介绍了３００ＭＷ的抽水蓄能电站的振动监测装置ꎬ总结了存在振动异常的几种因素和故障频率的计算方法ꎮ结合３００ＭＷ抽水蓄能电站运行过程ꎬ通过振动分析软件ＴＮ８０００ꎬ分析了机组振动故障ꎬ为机组检修和故障排查提供指导性意见ꎬ保障了机组设备安全稳定运行ꎮ关键词:抽水蓄能电站ꎻ振动监测ꎻ振动分析中图分类号:ＴＫ８３ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００９－３２３０(２０１８)０９－００３０－０５ＶｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ３００ＭＷＰｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎＺＨＡＮＧＨｏｎｇ－ｆａｎｇꎬＬＩＵＰｅｎｇ－ｌｏｎｇꎬＺＨＥＮＧＹｕｅ(ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｅｎａｎＢａｏｑｕａｎＰｕｍｅｄｓｔｏｒａｇｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＸｉｎｘｉａｎｇ４５３６３６ꎬＨｅｈａｎＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｆｏｒｔｈｅｇｒｉｄｔｏｃｕｔｐｅａｋｓａｎｄｆｉｌｌｖａｌｌｅｙｓ.Ｓｏꎬｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｒｅａｓａｒｅｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅ３００ＭＷｐｕｍｐｅｄｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅꎬｓｕｍｍｅｄｕｐｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｏｍａｌｉｅｓａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ.Ｗｉｔｈｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ３００ＭＷｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎꎬｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｕｎｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＴＮ８０００.Ｔｈａｔｐｒｏｖｉｄｅｄｇｕｉｄｉｎｇｏｐｉｎｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｕｎｉｔｍａｉｎｔｅｎａｎｎｃｅａｎｄｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔｉｎｇꎬａｎｄｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｓａｆｅａｎｄｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｉｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｓꎻＶｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ０　引　言

收稿日期:２０１８－０４－０８ 修订日期:２０１８－０２－２１作者简介:张红方(１９８５－)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ中级工程师ꎬ从事监控、保护、直流等二次相关系统的检修和维护ꎮ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ꎬ水电在电力系统中的地位也日益突出ꎮ水电机组的异常振动直接影响着机组的安全稳定运行ꎮ据不完全统计ꎬ水电机组约有８０％的故障或事故在振动监测中有所体现ꎬ同时异常的振动也是损坏设备的重要原因之一ꎬ因而对水电机组振动状态进行监测和诊断具有重要意义ꎮ另外ꎬ水电机组的振动与一般动力机械的振动有较大的差异ꎬ引起水电机组振动的原因非常复杂ꎬ除需要考虑机组本身的机械原因外ꎬ还需考虑水力不平衡、动水压力等水力因素及发电机的电气因素的影响ꎮ目前ꎬ水电机组异常振动的监测主要是通过变转速试验、变负荷试验和变励磁试验等试验手段进一步诊断[１]ꎮ１　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ꎮ电站厂房内安装０３ 应用能源技术 ２０１８年第９期(总第２４９期)４×３００ＭＷ的单级混流可逆立式水泵水轮发电机组ꎮ机组有发电(ＧＥ)、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ꎮ抽水工况启动方式有:静止变频器(ＳＦＣ)启动、背靠背启动ꎮ水泵水轮机为单级、混流可逆式ꎬ额定水头为５１０ｍꎬ吸出高度为－７０ｍꎬ额定功率为３０６ＭＷꎬ额定转速为５００ｒ/ｍｉｎꎮ该机组采用立式冲击式结构ꎬ上轴承为１２块导瓦固定ꎬ下轴承为８块导瓦固定ꎬ水导轴承为１０块导瓦固定ꎬ推力轴承位于上导轴承内ꎬ为１２块导瓦支撑ꎮ水轮机采用９个转轮叶片ꎬ通过２０个活动导叶控制流量ꎬ推动转轮出力ꎮ１.２　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ꎮ整套系统采用分层分布式结构ꎬ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ꎮ利用状态监测系统所得数据和处理结果ꎬ综合ＭＩＳ系统、计算机监控系统等信息和专家知识ꎬ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)ꎬ可实时掌握机组各主要设备的健康状况ꎬ为状态检修提供辅助决策并实现与其他系统的信息共享ꎮ每台机配置现地数据采集站ꎬ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ꎬ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ꎬ同时对相关数据进行特征参数提取ꎬ得到机组状态数据ꎬ完成机组故障的预警和报警ꎬ并将数据通过网络传至状态数据服务器ꎬ供进一步的状态监测分析和诊断ꎮ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ꎬ采用如图１所示的测点布置简图进行振动监测ꎮ其测点表见表１ꎮ　表１抽水蓄能电站振动监测测点项 目测　点测　点摆度测点上导Ｘ向摆度上导Ｙ向摆度下导Ｘ向摆度下导Ｙ向摆度水导Ｘ向摆度水导Ｙ向摆度

机架和顶盖振动上机架Ｘ向水平振动上机架Ｙ向水平上机架Ｘ向垂直振动下机架Ｘ向水平振动下机架Ｙ向水平振动下机架Ｘ向垂直振动下机架Ｘ向垂直振动顶盖Ｘ向水平振动顶盖Ｙ向水平振动

顶盖振动垂直振动定子和线棒振动定子铁芯水平振动１、２、３定子铁芯垂直振动１、２、３线棒端部振动Ａ１、Ｂ１、Ｃ１

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ꎮ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ꎬ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ꎮ在机组正常运行工况下ꎬ流体－机械－电磁三部分是相互耦合的关系ꎮ因此ꎬ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型ꎮ根据水电机组积累的运行经验ꎬ可将引起水电机组振动的原因分为以下几个方面[２－５]ꎮ２.１　机械方面的原因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ꎻ除此之外ꎬ机组旋转部件与固定装置发生摩１３２０１８年第９期(总第２４９期) 应用能源技术　擦、密封装置安装不当、轴承安装间隙过大、集电环椭圆度差、主轴过细和刚度不足等原因也造成的机组振动ꎻ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ꎮ因此ꎬ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[２－５]ꎮ２.２　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ꎬ定子、转子不均匀空气隙所引起的作用力ꎬ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ꎻ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ꎻ定子绕组固定不牢固ꎬ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ꎮ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隙、定子极频振动、转子质量不平衡、定子绕组固定装置等[２－５]ꎮ２.３　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ꎬ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ꎬ形成涡带进入转轮导致机组振动ꎻ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ꎻ旋转的流体ꎬ形成偏心的涡带ꎬ使蜗壳尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动ꎻ高水头混流式水力机组的漏环结构型式、密封间隙不当及运行间隙的偏差均可诱发机组振动ꎮ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[２－５]ꎮ２.４　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ꎬ但仍然存在一定的规律性ꎮ根据文献[２－５]所述ꎬ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ꎮ对各分类故障原因的相关特征频率计算如下:(１)转频振动频率:ｆｎ＝ｎ/６０式中ꎬｎ为机组额定转速ꎬｒ/ｍｉｎ(２)发电机主极频率:ｆ０＝５０Ｈｚ(３)水轮机导叶开口不均匀引发振动频率:ｆ＝ｆｎ􀅰Ｚ１式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻＺ１为导叶数目ꎮ(４)水轮机转轮叶片不均匀引发振动频率:ｆ＝ｆｎ􀅰Ｚ２式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻＺ２为叶片数目ꎮ(５)过流部件叶片频率:ｆ＝ｆｎ􀅰Ｚ１􀅰Ｚ２/ａ式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻＺ１为导叶数目ꎻＺ２为叶片数目ꎻａ为Ｚ１和Ｚ２最大公约数ꎮ(６)尾水管涡带会引起与其频率相同的低频压力脉动ꎬ且该频率在尾水管各处分布相同ꎬ根据雷岗斯经验公式ꎬ可得涡带频率:ｆ涡＝ｆｎ/ｚ式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻｚ为经验系数ꎬｚ＝２~６ꎬ通常ｚ取３~５ꎮ(７)尾水管低频涡振频率:ｆ涡＝Ｓｒ×ω/ｄ式中ꎬＳｒ为斯特鲁哈数ꎬ通常取０.２２５~０.２５或０.２３ꎬｍ/ｓꎻω为流体分离点平均速度ꎬｍ/ｓꎻｄ为分离点叶片的厚度ꎬｍꎮ(８)发电机推力轴瓦不平衡引起的振动频率:ｆ＝ｍ×ｆｎ式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻｍ为推力瓦数目ꎮ(９)转轮密封旋转压力频率:ｆ＝Ｃ×ｆｎ式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻＣ为１、２、３􀆺(自然数)ꎮ(１０)发电机气隙频率:ｆ＝Ｋ×ｆｎ式中ꎬｆｎ为机组额定转频ꎬＨｚꎻＫ为１、２、３􀆺(自然数)ꎮ(１１)发电机定子极频振动频率:ｆ＝Ｐ×ｆｎ式中ꎬｆｎ这机组额定转频ꎬＨｚꎻＰ为发电机磁极对数ꎮ(１２)发电机电磁振动频率:ｆ＝１００Ｈｚ(１３)主轴扭振频率:ｆ＝１００Ｈｚ３　抽水蓄能电站振动监测分析过程宝泉抽水蓄能电站２号机组ꎬ由启动至带２３ 应用能源技术 ２０１８年第９期(总第２４９期)２３０ＭＷ负荷工况下ꎬ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ꎮ

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ꎬ可以分析出ꎬ机组刚并网至带１５０ＭＷ负荷过程中ꎬ各轴瓦的摆度出现较大范围的波动ꎬ主要是由于导叶开度较小ꎬ流量不均等原因所致ꎬ各轴瓦摆度、振动频谱如图７－１０所示