某抽水蓄能电站尾水事故闸门启闭机油缸振动原因分析与处理

冯钢声

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北省罗田县 438600）

某抽水蓄能电站尾水事故闸门启闭机油缸振动原因分析与处理

冯钢声

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北省罗田县 438600）

本文对某抽水蓄能电站尾水事故闸门启闭机油缸振动原因分析与处理进行介绍，可为类似启闭机油缸减振提供借鉴。

抽水蓄能；启闭机油缸；振动

0 引言

在电力系统中抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能。由于抽水蓄能电站布置上的特殊性，机组安装高程很低，Hs负值较大，其尾水位远远高于厂房，尾水事故闸门的主要功能就是及时阻断下水库及尾水隧洞的水流，以便于机组的检修，在紧急情况下，可动水关闭，防止下库水流淹没厂房，因此尾水事故闸门能否正常工作，直接关系到电站的安全运行。

1 尾水事故闸门启闭机油缸振动原因分析

某抽水蓄能电站尾闸室布置了4台套事故闸门及其启闭系统，电站投入运行后发现闸门启闭机油缸均存在振动问题，油缸长期振动势必引起构件疲劳，导致设备故障，危及生产安全。为了解决此问题，当年委托武汉大学对振动较大的4号事故闸门启闭机油缸进行了振动检测，机组运行工况分别为发电机空负荷、发电机带150MW负荷、发电机带200MW负荷、发电机带250MW负荷、发电机带300MW满负荷和抽水，现场检测数据如表1～表4所示。

表1 4号闸门顶部尾水脉动水压力实测结果表

表2 4号尾水闸门油缸及其周边振动位移幅值表 mm

表3 4号尾水闸门启闭机油缸及其周边振动速度表 mm/s

表4 4号尾水闸门启闭机油缸实测自振频率表 Hz

从测试的数据结果可以看出：

（1）闸门顶部尾水管脉动水压力在发电机空负荷运行时最大（3.98m）、满负荷运行时最小（0.47m），脉动压力大致随着荷载增加而减少；机组抽水运行时脉动压力较小（0.77m）；尾水脉动水压力主要频域为1.19～2.89Hz。

（2）启闭机油缸振动位移主要是顺流向（X向），该方向的振动位移远远大于其他两个方向的振动位移；启闭机油缸振动位移分布为：顶部振动>中部振动>底部振动；顶部最大振动位移达到40.97mm，振动主要频域为2.69～2.79Hz。

（3）启闭机油缸振动速度主要是顺流向（X向），该方向的振动速度远远大于其他两个方向的振动速度；闸门启闭机油缸振动速度分布为：顶部振动>中部振动>底部振动；顶部最大振动速度达到692.95mm/s，振动主要频域为2.69～2.79Hz。

（4）机组在发电和抽水运行时，启闭机油缸周边环境基本不振，表明闸门的运行并不会对楼板结构造成影响。

（5）启闭机油缸前三阶自振频率范围是2.79～18.89Hz，其中第一阶频率为2.79Hz。启闭机油缸的自振频率与水流脉动所检测到的频域比较可知，两者比较接近，油缸所产生的振动是闸门尾水脉动干扰力作用下的有阻尼强迫振动，其振动幅值比较大，油缸已出现共振现象。

（6）启闭机油缸振动主要频域为2.69～2.79Hz，与实测尾水脉动压力主要频域1.19～2.89Hz和闸门油缸实测自振频率2.79Hz基本吻合。这说明：尾水水流脉动是引起闸门启闭机油缸振动的主要原因。

闸门启闭机油缸振动理论分析：

（1）启闭机油缸第一阶的频率为2.79Hz，该频率与实测尾水脉动压力频率1.19～2.89Hz比较接近，而2～6阶频率为13.32～71.50Hz，该区段的频率远高于水流脉动频率。

（2）根据闸门干扰力幅值与油缸顶部振幅内在关系，反演出：启闭机油缸顶部最大振幅40.97mm所对应的闸门干扰力幅值为43.70kN，可以近似认为这个力是闸门传递给活塞杆下端吊环的最大水平动荷载。

（3）启闭机油缸大幅振动时，动应力的幅值尽管不会直接导致油缸活塞杆结构疲劳破坏，但由于振幅过大，启闭机长期运行会引起附属管线、密封圈、关键结点等零部件的损坏，严重影响到油缸活塞杆的结构安全可靠度。

（4）增加约束后，启闭机油缸基础振型发生了改变，自由振动频率显著提高，第一阶频率由原来的2.79Hz提高到14.2Hz（上端约束），大大增加了油缸的刚度，动力系数有效地降为：

此时动力荷载作用效果相当于静力荷载，可以避免启闭机油缸产生共振的现象。

图1 减振措施布置示意

图1 减振措施布置示意（续）

（5）增加约束后，启闭机油缸最大水平振幅发生在中部，其值为0.30mm（活塞杆下端吊环振幅为0.49mm），油缸底部最大动应力为17.69MPa，活塞杆底部最大动应力为23.59MPa，从振幅和动应力两个方面都可以看出：油缸上部增加约束措施后，可以取得了很好的减振效果。

2 减振措施

在启闭机油缸顶部增加约束，这有两个作用:

（1）提高油缸结构的自振频率，加大油缸自振频率与动力荷载干扰频率（主频1～3Hz）的差值，以避免共振并减小结构动力反应系数。

（2）通过增加油缸的约束来提高结构抗变形的刚度，减少强迫振动幅值，从而改变动力荷载作用下的变形。

具体方案如下：在闸门油缸的上部设置一个检修平台，该平台中间预留一圆孔保证油缸顶部自由穿过，圆孔周边联接一套活动约束机构以便对油缸顶部进行水平径向约束，布置位置示意图详见图。

4号事故闸门启闭机油缸加装了减振措施后，也分别对发电机空负荷、发电机带150MW负荷、发电机带200MW负荷、发电机带250MW负荷、发电机带300MW满负荷和抽水，进行现场检测，数据分析如表5～表8所示。

表5 4号闸门顶部尾水脉动水压力实测结果表

注： 1.A表示水压脉动的幅值；f1、f2表示分频；A1、A2表示分频下的半幅值。

2.油缸上端限位：只限制油缸上端大位移，测试时限位装置对小位移不起作用。

表6 4号尾水闸门油缸及其周边振动位移幅值表 mm

表7 4号尾水闸门启闭机油缸及其周边振动速度表 mm/s

表8 4号尾水闸门启闭机油缸实测自振频率表 Hz

实施后，从测试的数据结果可以看出：

闸门油缸上端采取限位减振措施后，闸门启闭机油缸前三阶自振频率范围提升到15.09～48.39Hz，大大增加了油缸的刚度，其中第一阶自振频率提高到15.09Hz，避免了启闭机油缸产生共振的现象，油缸振动位移和振动速度明显减小，机组空负荷运行时尾水事故闸门启闭机油缸振动由原来的大幅振动该变为微幅振动，取得了很好的减振效果。采用弧形弯板及橡胶垫对液压油缸作柔性连接，附加作用力小，能够减小对缸体的危害，启闭机油缸的上部设置一个检修平台，便于对液压启闭机油缸的检修维护。

3 结束语

抽水蓄能电站一般采用地下厂房布置，尾水隧洞较长，一旦发生尾水肘管和机组中心体发生破损事故，就会产生大量漏水，当尾水事故闸门不能正常关闭，将危及厂房安全，虽然采取了减振措施，但是由于设计原因，造成了建设成本增加。下一步还需加强尾水事故闸门及启闭机运行维护，尽量减少机组空负荷运行时间，确保尾水事故闸门系统安全可靠，同时加强后续项目尾水事故闸门及启闭机设计审查，务必使闸门油缸的自振频率与水流脉动频率不在同一范围，以免产生共振。

冯钢声，男，本科，工程师，从事生产管理工作。E-mail:gangsheng- feng@sgxy.sgcc.com.cn

Vibration Causes Analysis and Treatment of the Tail Water Gate Hydraulic Cylinder for a Pumped Storage Power Station

FENG Gangsheng
（Hubei Bailianhe Pumped Storage Co.，Ltd.，Luotian 438600,China）

In this paper，the vibration causes and treatment of the tail water accident gate of a pumped storage power station are introduced，in order to provide references for similar hoist cylinder shock absorption.

pumped storage; hydraulic cylinder; vibration