姜明利，许亮华，乔 木 ，李继功

（1.中国水利水电科学研究院，北京100048；2.松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂，吉林 桦甸132013）

1 前言

白山电厂红石水电站为河床式电站，4 台轴流定桨式机组，单机容量50 MW。电站自投产以来一直存在较为明显的厂房振动和运行噪声，对电站运行管理人员健康和机组安全运行构成一定影响。

在2019 年，对电站机组、厂房和大坝进行了噪声和振动测试。本文根据振动测试数据进行分析研究，评估机组的运行稳定性、分析电厂厂房振动特性以及大坝的振动特性。

2 电站主要参数

红石水电站位于第二松花江干流上，在吉林省桦甸市红石镇，距下游丰满水电站172 km，距上游白山水电站38 km，电站水库末端与白山电站尾水相接，区间集水面积1 300 km。红石水电站装设4 台立式轴流定桨式水轮机发电机组，单台机组容量50 MW；水轮机型号为ZDA190-LH-600，发电机型号为SF57-5/9000，额定功率50 MW，额定转速107.1 r/min，飞逸转速255 r/min，半伞式结构，没有下导轴承。

具体参数如表1。

表1 机组水轮机主要技术参数

3 测点布置

本次测试以3 号机组及厂房结构为主要研究对象，兼顾4 号机组厂房结构和副厂房结构，测试试验目的是结构振动振源和振动特征，测点主要布置在结构关键部位，测点布置如下：

3.1 机组测点（3 号机组）

（1）顶盖振动：在水轮机顶盖的X（水平）、Y（水平）、XZ（垂直）方向各安装一个位移式振动传感器，共计3 个测点；

（2）压力脉动：在蜗壳进口布置一个测点。

3.2 厂房结构测点（3 号机组、4 号机组）

测点说明见表2。

表2 红石厂房测点位置表

（1）水轮机层测点：机组水轮机层进水管上方（上游测点）、水轮机层尾水管上方（下游测点）。

（2）发电机层测点：3 号机组发电机层立柱旁。

3.3 坝顶结构测点

坝顶测点：3、4 号机组的进水口闸门上游和下游坝顶位置和副厂房过道立柱旁，测点说明见表3。

表3 红石坝顶测点位置表

4 振动特性分析

根据电站运行实际，进行了机组正常运行工况的振动测试。工况包括：3 号机组50 MW 满负荷运行（1～4 号机组停机）和3～4 号机组50 MW 满负荷运行（1～2 号机组停机），运行水头25 m。

通过测试数据，对机组和厂房结构振动特性分析如下：

4.1 机组振动幅值统计分析

蜗壳进口压力脉动相对值为4.08%～4.176%，数值较小，在规定的标准和规程要求范围内，水轮机顶盖X 方向水平振动值3.24～3.76 μm，Y 方向水平振动值7.19～7.98 μm，垂直振动值13.06～13.51 μm，满足GB/T32584-2016《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》标准要求，振动幅值均在标准和规程要求范围内，机组可以长期稳定运行。

表4 蜗壳进口压力脉动和水轮机顶盖振动（RMS）

4.1.1 机组频率特征分析

红石电站机组为立式轴流定桨机组，机组转速107.1 r/min，转轮叶片数5 片，活动导叶数24 片，机组转频为1.785 Hz。以此分析，机组引起振动的可能频率特征如下：

a.机组叶片过流频率：1.785×5=8.925 Hz；其2倍频为17.85 Hz，3 倍频为26.775 Hz，…以此类推。

b.导叶过流频率：1.785×24=42.84 Hz；其2 倍频为85.68 Hz，…以此类推。

c.尾水管内的低频涡带：0.18～0.89 Hz，中高频涡带转频1.785 Hz 左右。

（1）蜗壳进口压力脉动频谱分析

从蜗壳进口压力脉动频谱图（图1）上看，压力脉动主频为机组转频及其倍频，压力脉动的频谱图上有3 个主要频率区域。

图1 蜗壳进口压力脉动频谱图

1）机组转频及其倍频：转频（1.78 Hz）、2 倍转频（3.56 Hz），以及低频（涡带频率）。

2）导叶（24 个导叶）过流频率：42.84 Hz（24 倍转 频）、39.2 Hz（22 倍 转 频）、41.01 Hz（23 倍 转 频）、44.58 Hz（25 倍转频）。

3）叶片（5 个叶片）过流频率及其倍频：8.925 Hz（5 倍转频）、17.85 Hz（10 倍转频）。

（2）水轮机顶盖X 方向水平振动频谱分析

从频谱图上（图2）看，主频为机组转频及其倍频，频谱图上有3 个主要频率区域：

图2 顶盖振动+X 水平振动频谱图

1）机组转频及其倍频：转频（1.78 Hz）、2 倍转频（3.56 Hz），以及低频（涡带频率）。

2）导叶（24 个导叶）过流频率：42.84 Hz（24 倍转 频）、39.2 Hz（22 倍 转 频）、41.01 Hz（23 倍 转 频）、44.58 Hz（25 倍转频）。

3）叶片（5 个叶片）过流频率及其倍频：8.925 Hz（5 倍转频）、17.85 Hz（10 倍转频）。

（3）水轮机顶盖Y 方向水平振动频谱分析

从频谱图（图3）上看，主频为机组转频及其倍频，频谱图上有3 个主要频率区域：

图3 顶盖振动+Y 水平振动频谱图

1）机组转频及其倍频：转频（1.78 Hz）、低频（涡带频率）。

2）导叶（24 个导叶）过流频率：42.84 Hz（24 倍转 频）、39.2 Hz（22 倍 转 频）、41.01 Hz（23 倍 转 频）、44.58 Hz（25 倍转频）。

3）叶片（5 个叶片）过流频率及其倍频：8.925 Hz（5 倍转频）、17.85 Hz（10 倍转频）。

（4）水轮机顶盖XZ 方向垂直振动频谱分析

从频谱图上（图4）看，主频为机组转频及其倍频，频谱图上有3 个主要频率区域。

图4 顶盖振动+Z1 垂直振动频谱图

1）导叶（24 个导叶）过流频率：42.84 Hz（24 倍转 频）、39.2 Hz（22 倍 转 频）、41.01 Hz（23 倍 转 频）、44.58 Hz（25 倍转频）。

2）机组转频及其倍频：转频（1.78 Hz）、低频（涡带频率）。

3）叶片（5 个叶片）过流频率及其倍频：8.925 Hz（5 倍转频）、17.85 Hz（10 倍转频）。

4.1.2 机组振动特征分析

通过以上机组振动统计和频谱分析表明：机组振动主频为机组转频及其倍频，幅值处在正常范围之内，可以长期稳定运行。

4.2 厂房振动响应特征分析

4.2.1 厂房振动时程分析

通过对红石3 号机组和3 号、4 号双机组发电工况下，厂房振动响应进行统计分析。

（1）从统计曲线图（见图5、图6）看，双机组发电工况比单机组发电工况，各点振动响应虽有所增大，但增大幅值并不显著。

图5 机组发电厂房振动最大加速度统计

图6 机组发电厂房振动加速度均方根值统计

（2）发电机层振动比水轮机层振动大，表明通过楼层传递振动有放大效应。

通过对比3 号-F 和3 号-2 测点，可看出发电机层相比水轮机层，两层相似位置，水平向振动最大值放大在2 倍左右，竖直向振动最大值放大在4 倍左右。

本次试验测点中振动响应最大发生在3 号机组发电机层竖向。竖向加速度均方根为14.87 gal，最大值为74.358 gal。本次测点发电机层测点布置在立柱旁，该测点位置刚度比发电机层楼板中间区域以及厂房墙体上部结构刚度高，据此推测发电机层楼板中间区域以及厂房墙体上部结构振动加速度最大响应会大于74.36 gal。

4.2.2 厂房振动频谱分析

厂房测点振动响应频谱的优势频谱（见图7）主要有：振动响应中卓越频段是41.1～50 Hz，在该频段存在多个主要峰值主频，都是转频的倍频，分别为：40.1 Hz（23 倍频）、42.8 Hz（24 倍频）…49.96 Hz（28倍频）；在较高频段的频率主频还有99.92 Hz；另外低频优势主频主要是0.3～0.4 Hz 左右的峰值主频，如图8。

4.2.3 厂房振动特征分析

从频谱可以看出，厂房振动响应主要频率为转频倍频，表明厂房振源高频部分主要来自机组压力脉动，而低频部分主要由尾水管低频涡带产生的脉动压力引起。厂房振动最大振动发生在竖直向，振动通过楼层传播产生2～4 倍放大。双机振动相比单机振动，增大幅度不大。

图7 3 号水轮机进水管上方测点振动速度频谱图

图8 3 号水轮机进水管上方测点振动速度频谱图（0～2 Hz 频段）

4.3 坝顶振动响应特征分析

4.3.1 坝顶振动时程分析

通过对红石3 号机组发电和3 号、4 号机组双机组发电工况下坝顶厂房振动响应进行统计分析，从统计曲线图（见图9、图10）看，双机组发电工况比单机组发电工况的各点振动响应略有增大。坝顶测点最大振动加速度响应Z 向18.3 gal，X 向16.3 gal、Y 向13.6 gal。

4.3.2 坝顶振动频谱分析

对坝顶测点振动响应进行频谱分析，频谱图见图11。

从频谱上看，坝顶3 号闸门上下游两个测点：3号-D 和3 号-U 的频谱比较相似，坝顶顺流向卓越频率为41.1 Hz（ 23 倍机组转频），坝顶竖直向峰值主频为44.7 Hz（25 倍机组转频）；坝顶纵向的振动频谱的谐频特征不明显，卓越频段为5～28 Hz 之间。4 号闸门测点频谱特征与3 号闸门测点频谱相似。

图9 机组发电坝顶振动加速度均方根值统计

图10 机组发电坝顶振动最大加速度统计

图11 坝顶进水闸门上游3 号-U 测点振动速度频谱图

4.3.3 坝顶振动特征分析

坝顶振动响应主频基本上都是机组转频倍频，表明坝顶振动主要振源仍然来自于厂房机组运行产生的水力脉动。

4.4 副厂房振动频谱分析

4.4.1 副厂房振动时程分析

副厂房测点位置处的水平向最大加速度5.0 gal、竖直向3.7 gal，属于有感振动，本次副厂房振动测试位置在结构拐角的立柱旁，结构强度较大，该位置测点得到的振动响应相比楼板其它部位会小，不排除楼板其它部位有可能存在较大振动响应。

4.4.2 坝顶振动频谱分析

副厂房过道测点的振动频谱X 向和Z 向峰值频率为8.99 Hz（ 5 倍转频），Y 向振动峰值频率为5.68 Hz，见图12。

图12 副厂房拐角立柱旁过道测点振动速度频谱图

4.4.3 副厂房振动特征分析

从振动响应值上看，或从频谱上可以看出副厂房测点水平向振动响应的峰值主频在人体敏感共振频率区域范围，人体会比较敏感。根据GB/T50868-2013《建筑工程容许振动标准》，建筑物内人体舒适度的容许振动加速度标准判断，实测副厂房过道处测点振动未超过人体舒适度的容许值。不排除机组运行时，副厂房人员其它工作位置的楼板区域振动可能比立柱旁过道测点的振动更大。

5 结论

通过对本次振动测试试验数据分析，对机组、厂房结构、坝顶、副厂房振动时程、频谱进行分析，得到以下主要结论：

5.1 机组与结构幅值特征

（1）红石电站3 号机组振动，满足GB/T32584-2016《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》标准要求，振动幅值均在标准和规程要求范围内。

（2）厂房、大坝、副厂房结构振动，根据联邦德国（DIN4150）推荐建筑物振动控制标准、以及日本学者畑中元弘归纳的不同研究者提出的建筑物振动允许界限，判断均属于安全范围内。

（3）红石双机组发电工况比单机组发电工况振动响应增幅并不太明显。

（4）振动通过厂房结构传递由下至上有2～4 倍放大，厂房结构振动最大发生在发电机层。

5.2 脉动压力主频特征

（1）蜗壳进口压力脉动主频为机组转频及其倍频。

（2）机组振动振源来自水力脉动，包括进水口脉动和尾水管脉动，振动主频为转频、导叶过流频率、叶片过流频率以及尾水管涡带频率。

（3）坝顶振动振源来自进水口脉动，振动主频为转频、导叶过流频率、叶片过流频率。

（4）副厂房结构振动速度和加速度在10 Hz 以下人体敏感频率区存在频谱卓越主频，会引起人体产生有较强振感。

总之，红石电站机组振动和厂房结构振动属于安全范围内，不影响安全生产；厂房结构、坝顶区域振动振源为机组运行产生的水力脉动。

另外受本次测试试验测点限制，不能排除机组运行时楼板结构存在振动较大部位，若要评价楼板振动特征以及人体感受，需要另外对人员工作区域楼板布置测点，做更为准确的楼板振动测试。