模态分析在抽水蓄能机组振动故障诊断中的运用.pdf

102第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 引言抽水蓄能电站由于其容量大、响应快、可双向调节的特点，对现代电网的安全稳定运行起到了不可或缺的作用，因此，抽水蓄能发电机组的安全稳定运行对电网的安全至关重要。抽水蓄能发电机组运行期间经常存在振动问题，机组在振动过大的状态下长时间运行轻则使相关结构部件产生疲劳，重则产生动静碰摩，威胁整个机组的运行安全。因此，降低机组运行过程中的振动，一直都是现场工程师们的努力方向。为了降低设备运行过程中的振动，首先需要找出振源，即诊断出引起机组振动的原因或者激励源。引起抽水蓄能机组振动的原因主要有三方面，一是来自电气，二是来自水力，三是来自机械，而且每个方面的振源也非常多。由于现场振动激励和振动响应并不是一一对应的关系，即使采用经典的特征法进行诊断，也只能得到一个小范围的故障集。为了更准确的找到激励源，需要不断的通过排除法完成。1 振动故障描述沙河抽水蓄能电站 2 号机组经 A 修后进入整组调试阶段。在机组启动过程中，上导 Y 方向摆度通频幅值最高达到了 604 m，是 X 方向摆度的两倍左右，究其原因，主要是高频振动导致。该测点空转工况下典型波形见图 1。图 1 空转工况上导 X、Y 方向摆度波形由于该工况下机组水力特性影响，水导摆度因存在高频成分导致过大，当时认为上导 Y 方向摆度过大也是因为水力特性影响所致，待负荷稳定在额定工况附近运行，就可以消失，因此，就没有对其进行过多关注。由于机组轴系的不平衡量也比较大，所以选择了首先进行动平衡试验。动平衡试验结束后，空转工况下该机组上导摆度一倍频由 220 m降至 130 m 左右，但上导 Y 方向摆度通频幅值仍然达到 500 m，而 X 方向摆度通频幅值只有210 m 左右。动平衡结束后，对升速过程中的上导 Y 方向和收稿日期：2023-07-11作者简介：申岳进（1977-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电站生产运营管理工作。模态分析在抽水蓄能机组振动故障诊断中的运用申岳进1，王青华2，孙成玲1，吴小放1，司红建1（1.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 常州 213300；2.上海安乃基能源科技有限公司，上海 201315）摘 要：沙河抽水蓄能电站 2 号机组经 A 修后进入整组调试阶段，上导 Y 方向不同于其它测点，摆度幅值非常大，在不知原因之前，机组无法正常运行。对于该故障的诊断，首先通过排除法将故障范围缩小，然后结合机组特性，将故障范围继续缩小；再将模态分析引入诊断过程中，进行有效推理，最终锁定故障原因为局部共振并将其消除。该案例可为类似机组现场故障诊断提供参考。关键词：抽水蓄能；故障诊断；局部共振；模态分析中图分类号：TV736文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）08-0102-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.08.029103第 08 期申岳进，等：模态分析在抽水蓄能机组振动故障诊断中的运用水导摆度波形进行了分析，发现两者频率成分在转速不同的时候不一致刚开始两者出现高倍频成分时，都是以特征频率 21X 为主（见图 2），水导摆度高频成分随着转速变化而变化，始终是转速的 21 倍频，而上导 Y 方向摆度的高频成分是固定的，始终为 84 Hz 左右（见图 3）。到了额定转速 300 r/min 后，水导摆度 21X 特征频率已不再出现，但上导 Y 方向摆度仍然存在 84 Hz 的高倍频成分（见图 4）。图 2 转速为 240 r/min 时水导、上导摆度波形及频谱图图 3 转速为 276 r/min 时上导和水导摆度波形及频谱图图 4 转速为 300 r/min 时上导和水导摆度波形及频谱图2 振动故障诊断过程2.1 原因初步分析机组升速过程中，上导 Y 方向摆度高频成分始终在 84 Hz 左右，与机组的水力特性特征频率不一致，而且该频率成分只出现在 Y 方向，上导 X 方向并没有，因此怀疑该频率为上导 Y 方向特有，并不是转子传过来。由于每部导瓦处的摆度成对设置，鉴于这种只有单一测点才有的特殊频率成分，首先认为上导 Y 方向摆度高频振动来自于该测点本身，要么是传感器有问题，要么是该测点支架松动，或者是该测点某部位产生的受迫振动或局部共振。因传感器在该机组整组调试之前已经通过现场校验，无缺陷，因此排除传感器本身的问题。若传感器支架松动，则主要产生一倍频和支架固有频率的成分。一倍频不属高倍频，但支架的固有频率相对于转频，要高得多，因此这是一个怀疑对象。如果是该测点传感器固定部位产生受迫振动，但这种高频振动源在哪里，以及是否持续，需要继续查找。如果是该测传感器支架或者支架的固定部件产生了局部共振，那振源在哪里，以及传感器支架或者支架固定部件的固有频率是否与 84 Hz 接近，这也需要去排查。机组停机期间，对上导 Y 方向摆度传感器支架进行了检查，其固定螺栓和支架本身均正常（见图5），因此排除支架松动的可能。从图 5 可以看出，该传感器支架是通过螺栓固定在上导油盆端盖上，上导油盆端盖如果产生受迫振动或者局部共振，那上导 X 方向摆度也应该产生高频的振动，因此该测点传感器固定部件应该没有高频振动产生。最后只剩传感器安装支架。图 5 上导 Y 方向摆度传感器安装支架及结构图上导 Y 方向摆度传感器支架结构尺寸见图 5，材质为 Q235。采用有限元对其模态进行计算。2.2 支架模态分析图 6 传感器支架有限元网格模型104第 46 卷水 电 站 机 电 技 术表 1 网格无关性验证网格数/万一阶频率二阶频率三阶频率589.71255.40285.741089.41254.41285.151589.36254.01284.852089.22253.74284.70一般来说网格划分对有限元计算结果影响较大2。由于该传感器支架相对简单，无急剧变化，故该有限元模型网格密度的大小与求解结果关系不大。为验证网格无关性，选择支架有限元网格单元数分别为 5 万、10 万、15 万和 20 万个进行计算。图6 给出了该支架的有限元网格模型，表 1 是采用不同单元数求解的前三阶固有频率比较，图 7 是有限元求解的前三阶振型图。从表1计算结果可以看出，无论用多少单元数，其一阶固有频率都在 89 Hz 左右，说明每阶的固有频率计算结果可靠。图 7 振型表明其一阶振型是以螺丝孔为固定点沿纸面法向来回摆动；二阶振型是头部沿纸面法向来回摆动；三阶振型是在弯曲处呈来回扭转运动。图 7 一阶振摆振型2.3 原因深入分析从计算结果来看，该传感器支架的水平横向固有频率约为 89 Hz，考虑计算误差，真实固有频率与机组试验期间上导 Y 方向摆度高频成分接近，由于工程上为避免产生共振现象要求任何激励源的频率必须避开设备固有频率 10%3。因此，上导 Y 方向摆度高频成分来自该传感器支架的共振。由于该机组在正常运行过程中，并不存在 84 Hz 左右持续激励源，推论该激励源最大可能来自于冲击。对于冲击振动，由于其在时域上是脉冲谱，经过FFT 变换，在频域中将是一个连续谱。作为旋转机械的一种，抽水蓄能机组在运行过程中，动静部位一旦存在某种缺陷，比如间隙过小或者晃动过大等就有可能发生碰摩。工程上的碰摩，在信号分析过程中，可以等同于冲击脉冲信号。因此将寻找激励源的方向转为动静碰摩方面。由于机组运行过程中，上导瓦温度、油温均正常，可以排除轴颈与上导瓦碰撞的可能。图 8 推力及上导混合油盆结构图考虑到上导 Y 方向摆度传感器支架是通过螺丝固定在上导油盆端盖上，要激起支架的局部共振，需较大冲击力，上导油盆里充放润滑油，一般小的碰擦很难传递出来，因此，油盆内部碰擦暂不考虑。对上导油盆结构进行了分析，发现最有可能发生冲击力的地方是上导油盆底防油雾挡油环（见图 8）。根据设计要求，该挡油环与大轴间隙为 0.50.05 mm，若安装不当，有可能产生碰擦。对上导油盆底部防油雾挡油环进行检查，发现靠近上导 Y 方向摆度底部附近挡油环与大轴间隙为 0.45 mm 左右，另外，在和挡油环齿环同一高度的大轴表面上有一个凹坑，同时凹坑四周有凸点（见图 9）。2 号机组上导 Y 方向摆度高频振动很有可能是大轴旋转时，其表面凹坑周边的凸点冲击到了间隙比较小的挡油环，而挡油环是高分子硬树脂材料，当它受到冲击时将其受到的冲击力传递给油盆盖。由于该撞击点刚好在上导Y方向传感器下部，因此，该冲击力能够很好的在上导 Y 方向传感器支架得到反应。将该传感器支架最容易激起的一阶振型激起，导致该支架振动被放大，于是在对机组上导摆度进行监测时，由于支架自身产生了振动，使得上导 Y方向摆度幅值偏大。另外一个现象也可以佐证上导 Y 方向摆度高频成分来自于大轴表面凹坑周边的硬块凸起对挡油环的冲击。机组在上升过程中，自机组开始旋转后，上导 Y 方向摆度幅值开始与 X 方向不一致，出现了105第 08 期申岳进，等：模态分析在抽水蓄能机组振动故障诊断中的运用高频成分而产生非常大的摆度，该现象一直持续到转速超过 120 r/min 后，高倍成分减小摆度幅值逐渐降低；当转速继续上升至 210 r/min 时，高频成分又出现，且幅值又开始增加该现象持续到转速达到额定值 300 r/min，具体见表 2。表 2 机组升速过程中上导摆度转速/r/min 通频幅值/m 一倍频幅值/m84 Hz 左右的高倍频幅值/m63463612397448452218834234018191439621791083386513812036776149131343631361502339232160169103018016843019017411502131991181622020312422231209124242412251273125022712730260226124322702371244528029412585291376115168300453128224从表 2 中可以看出，上导 Y 方向摆度通频幅值过大主要是因为其 84 Hz 左右的高频成分所致，而且在升速过程中不是一直都有。由于机组升速过程中，因水推力原因转轴与机架在轴向会发生相对位移，当凹坑周边的凸起硬块与密封的齿环在同一高度时，因为间隙小就会发生碰撞；当凹坑周边的凸起硬块与密封的凹环不在同一高度时，就不再发生碰撞。这也从另一个方面印证了大轴表面的那个凹坑周边凸起硬块与间隙过小是引起上导 Y 方向摆度幅值过大的原因。3 振动故障处理及结果基于以上分析，决定对大轴表面凹坑周边的凸起硬块打磨并将上导油盆底部防油雾挡油环间隙重新调整至设计值 0.5 mm，重新启机至额定转速过程中，上导 Y 方向摆度幅值与 X 方向相差不大，空转工况下通频幅值均为 200 m 左右，84 Hz 左右的高频成分消失（见图 10），该机组上导摆度恢复正常。图 10 处理后上导 X 和 Y 方向摆度波形及频谱4 结语引起机组振动原因较多，常规特征诊断法对于现场疑难杂症难以奏效。结合沙河抽水蓄能机组检修后调试的实际情况，通过排除法将故障范围缩小；再根据机组特性，将故障范围继续缩小；然后再将模态分析与现场测试结果互相印证，进行有效推理，最终锁定故障原因。该思路可为类似机组的局部共振现场故障诊断提供参考。参考文献：1王青华，杨天海，沈润杰，等.抽水蓄能机组振动故障诊断专家系统 J.振动与冲击，2012，31（7）：158-161,2古松.网格划分方式及密度对有限元模型计算结果的影响 J.中国水运(学术版),2006,(10):122-123.3Centrifugalpumpsforpetroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries：ISO13709-2009S.图 9 上导油盆底部密封圈与轴表面凹坑