水力激振作用下的蓄能機組泵工況穩(wěn)定性分析

張飛+周喜軍+孫慧芳+周攀

摘要：隨著我國蓄能機組的大量投運，水力激振所引發(fā)的機組穩(wěn)定性問題日益嚴(yán)重。針對蓄能機組泵工況運行時的水力激振問題，采用現(xiàn)場試驗手段獲得了額定轉(zhuǎn)速下蓄能機組調(diào)相壓水工況與穩(wěn)定泵水工況運行時的機組振動、擺度數(shù)據(jù)，采用頻譜對比分析方法，研究了兩種工況下各穩(wěn)定性測點頻譜，通過頻譜中頻率成分的變化，指出了不同部位測點中頻率成分存在的差異。分析結(jié)果表明：承受垂直載荷部件振動幅值水泵工況較調(diào)相工況略有增大趨勢；112.5 Hz動靜干涉頻率成分主要在機組垂直振動方向上傳播，且逐漸衰減；水力干擾導(dǎo)致泵工況部分測點的頻率成分中增加了葉片通過頻率56.25 H z和動靜干涉頻率112.5 Hz，但頻率成分的增加并不一定引起機組振動與擺度混頻幅值的增大；由于機組振動中261 Hz等高頻成分的出現(xiàn)，未來廠房與機組的動力分析報告中應(yīng)包含高頻成分，并進(jìn)行復(fù)核。本次觀測為轉(zhuǎn)輪設(shè)計及研發(fā)人員提供了翔實參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：蓄能機組；水力激振；動靜干涉；泵工況；調(diào)相壓水工況；頻譜分析

中圖分類號：TK734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672 1683（2017）05-0202-07

“十三五”期間，我國將投運包括浙江仙居、江西洪屏、廣東清遠(yuǎn)、河北豐寧等系列大型抽水蓄能機組，其中河北豐寧采用變頻式機組。隨著大型蓄能機組的投運，水力激振所引發(fā)的穩(wěn)定性問題日益引起工程技術(shù)人員的注意。張河灣機組投運后由水力因素引發(fā)的機組與廠房振動問題嚴(yán)重且廠房噪聲超標(biāo)，蒲石河、黑麋峰等機組也不同程度存在較為嚴(yán)重的水力激振導(dǎo)致的機組振動問題，宜興機組則在調(diào)試時發(fā)生小開度導(dǎo)水機構(gòu)自激共振，廣蓄機組發(fā)生過因下迷宮環(huán)壓力脈動產(chǎn)生的機組穩(wěn)定性問題。目前，考慮到現(xiàn)場觀測的實施復(fù)雜程序，水力激振及其影響方面的研究主要集中在兩方面，一是采用計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬，袁壽其等人對這一方面的研究進(jìn)行了綜述并指出了現(xiàn)場測試觀測方面的不足；二是采用理論分析手段對水力激振產(chǎn)生機理進(jìn)行研究，如Peter K.Doerfler指出相位共振對水力機械徑向振動的影響，Alireza Zo-beiri對動靜干涉的產(chǎn)生機理進(jìn)行了研究，劉濤等人對這方面研究進(jìn)行了詳細(xì)綜述。

2016年4月我國自主研發(fā)的首臺浙江仙居蓄能電站機組并網(wǎng)發(fā)電成功，國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心在機組調(diào)試階段組織科研技術(shù)人員對機組不同工況下的振動、擺度和壓力脈動情況進(jìn)行了全面觀測，積累了翔實豐富的機組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。考慮到當(dāng)蓄能機組在水泵工況下啟動時機組經(jīng)歷充氣壓水階段，此時機組水力干擾較小（部分機組受水環(huán)影響，機組穩(wěn)定性反而較差），而并網(wǎng)穩(wěn)定抽水時機組滿載運行，此時水力因素將直接對機組的穩(wěn)定性參數(shù)產(chǎn)生影響。基于此，本文將對額定轉(zhuǎn)速下充氣壓水調(diào)相運行（Svnchronous Condensed Pump，SCP）與穩(wěn)定抽水運行（Pump Operation，PO）時的機組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域?qū)Ρ确治觯芯克σ蛩馗蓴_下的機組振動特征并將闡明水力因素對機組振動的影響，為工程技術(shù)人員理解水力因素對機組振動穩(wěn)定性分析的重要性提供有效支撐。

1測試條件

1.1機組參數(shù)

浙江仙居抽水蓄能電站位于浙東南中心地帶仙居縣境內(nèi)，東臨臺州、南近溫州、西連金華和麗水、北接紹興。電站設(shè)計安裝4臺單機容量375 MW的可逆式抽水蓄能機組，電站的主要任務(wù)是為華東電網(wǎng)提供調(diào)峰、填谷容量，并承擔(dān)系統(tǒng)的緊急事故備用和調(diào)頻、調(diào)相作用。水泵工況時最大入力400 MW，最大流量81.8 m³/s，最大揚程502.9 m，最小揚程437.3 m。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，活動導(dǎo)葉數(shù)為20。

1.2測試系統(tǒng)描述

為探索首臺國產(chǎn)400 Mw級機組穩(wěn)定性相關(guān)信息，調(diào)試階段試驗共對機組三部導(dǎo)軸承位置處擺度、發(fā)電機驅(qū)動端與非驅(qū)動端軸承、水輪機導(dǎo)軸承與定子基座振動、以及通流部件內(nèi)壓力脈動等測點進(jìn)行了觀測，具體測點布置見圖1。

試驗所用傳感器參數(shù)為：速度傳感器采用本特利生產(chǎn)的330505型低頻速度傳感器，靈敏度20mV/（mm/s），頻響范圍0.5～1000 H z（-3.0dB）；電渦流位移傳感器采用本特利330 180型傳感器，靈敏度8V/mm，頻響范圍0～10 kHz（-3dB）；壓力傳感器采用通用生產(chǎn)的PTX5072型傳感器，精度為±0.2%，頻響范圍0～5 kHz（-3 dB）。

試驗數(shù)據(jù)采用兩套采集儀器進(jìn)行同步采集，分別是Bently公司的ADRE408 DSPi用于機組振動與擺度的測量和HBM公司的QuantumXMX840A-P用于壓力脈動及工況參數(shù)的測量。采樣精度可以達(dá)到24位A/D，單通道最高采樣率可以至96 kS/s。兩套采集系統(tǒng)間采用電腦時鐘進(jìn)行同步。整個試驗平臺如圖2所示。數(shù)據(jù)采樣率為1280 S/s。

1.3水文條件

試驗數(shù)據(jù)采集時的上庫水位為657.71 m，下庫水位197.83 m。

2研究方法

當(dāng)蓄能機組以泵工況啟動時，監(jiān)控系統(tǒng)首先完成抽水工況換向刀和被拖動刀的合閘，然后向充氣壓水系統(tǒng)發(fā)令啟動壓水流程向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)注入高壓空氣，將水體壓至轉(zhuǎn)輪下方某一高程，而后靜止變頻器（Static Frequency Converter，SFC）拖動機組旋轉(zhuǎn)，機組拖動至額定轉(zhuǎn)速后并網(wǎng)。待機組并網(wǎng)后啟動排氣回水流程同時執(zhí)行開啟球閥命令，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壓縮空氣通過項蓋排氣管路排出，尾水錐管內(nèi)水體在尾水壓力下逐漸升高并淹沒轉(zhuǎn)輪，從而形成濺水功率（零流量試驗）。當(dāng)濺水功率至一定數(shù)值時，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)造壓完成，此時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)指令至調(diào)速器打開導(dǎo)葉。在打開導(dǎo)葉過程中機組根據(jù)揚程進(jìn)行導(dǎo)葉尋優(yōu)，尋找最佳協(xié)聯(lián)點，最終完成蓄能機組在泵工況的穩(wěn)定運行。

從上述流程中可以看出，機組并網(wǎng)后濺水功率形成前，機組在電網(wǎng)拖動下運行，此時機組處于壓水調(diào)相工況運行，機組穩(wěn)定性主要受電氣與機械因素方面的影響，此時雖然轉(zhuǎn)輪室內(nèi)在尾水壓力及主軸密封冷卻水、止漏環(huán)冷卻水作用下形成水環(huán)，但在水環(huán)獲得穩(wěn)定控制的前提下，這一因素對機組穩(wěn)定性的影響較小（下文測試數(shù)據(jù)表明機組壓水調(diào)相運行時各測點信號中不含有明顯的水力激振特征頻率）。而在濺水功率形成至泵工況穩(wěn)定運行及以后的時間內(nèi)，機組穩(wěn)定性除受機械和電氣因素影響外，還疊加有水力因素的影響。考慮到濺水功率形成前機組振動的頻域響應(yīng)主要受電氣和機械原因所激勵，而濺水功率形成后的頻域響應(yīng)增加了水力因素，故頻域響應(yīng)中增加的頻率成分應(yīng)為水力因素激勵所導(dǎo)致。因此采用頻譜分析手段對泵工況啟動全過程進(jìn)行分析可以定性獲得水力因素對蓄能機組穩(wěn)定性的影響。同時考慮到泵工況啟動包含壓水過程、SFC拖動機組轉(zhuǎn)速上升過程、排氣回水形成濺水功率過程及穩(wěn)定運行等一系列過程的組合，且部分過程時間短暫，為實現(xiàn)對水力因素影響前后的機組振動進(jìn)行對比觀測，將機組在額定轉(zhuǎn)速下壓水運行工況人為延長至一分鐘，即機組并網(wǎng)后在額定轉(zhuǎn)速壓水調(diào)相工況下穩(wěn)定運行一分鐘，以便獲得無水力干擾情況下的機組穩(wěn)定性測點數(shù)據(jù)。當(dāng)機組運行在額定轉(zhuǎn)速泵水工況時亦采集穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)一分鐘。從而通過兩個工況下數(shù)據(jù)的對比獲得水力因素干擾的影響。

3數(shù)據(jù)分析

相關(guān)研究表明始于無葉區(qū)（活動導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪葉片前）區(qū)域的動靜干涉所產(chǎn)生的壓力脈動對機組穩(wěn)定性影響突出，鑒于本文著重研究機組水力因素疊加前后機組穩(wěn)定性測點的頻率成分變化，不涉及到廠房的振動評估，因此論文中著重對水力因素下軸系及機組固定部件振動信號進(jìn)行分析。

機組在壓水調(diào)相工況和水泵工況運行的振動測點時域與頻域波形分別見圖3和4所示；擺度測點時域與頻域波形分別見圖5和6所示。考慮到穩(wěn)態(tài)運行時振動與擺度時域波形圖穩(wěn)定，且長時間的時域波形圖不易于圖形直觀顯示，圖3和圖5中僅給出了5 s的穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)。圖3-圖6中左側(cè)為壓水調(diào)相工況數(shù)據(jù)，右側(cè)為水泵工況數(shù)據(jù)。

3.1充氣壓水運行數(shù)據(jù)分析

從圖3和圖5左側(cè)圖機組振動、擺度各測點時域波形圖可見，在額定轉(zhuǎn)速水泵方向調(diào)相工況運行時機組振動、擺度保持穩(wěn)定，混頻幅值保持在較小的水平上。整體上看，調(diào)相工況時振動、擺度波形圖較為光滑，而水泵工況由于受到高頻水力激振的影響波形較為粗糙。具體而言：在圖4與圖6左側(cè)圖頻域波形圖中可以看到，在調(diào)相工況運行時，下導(dǎo)與水導(dǎo)擺度、頂蓋和上機架振動頻率成分單一，均為一倍轉(zhuǎn)頻分量；定子基座主頻為一倍轉(zhuǎn)頻分量，且包含兩倍和三倍的轉(zhuǎn)頻分量（諧波）；下機架主頻也為一倍轉(zhuǎn)頻分量，其中垂直方向含有較強的75 Hz頻率成分，該頻率成分為機組額定轉(zhuǎn)速下由推力瓦片數(shù)所確定的頻率成分，即：6.25（轉(zhuǎn)頻）×12（推力瓦數(shù)）。考慮到水力激振頻率主要為葉片過流頻率和分?jǐn)?shù)階頻率成分，而調(diào)相工況運行時各測點頻譜圖中并未出現(xiàn)這些頻率成分，因此在調(diào)相工況運行時，機組振動基本不受到水力因素的影響。由于設(shè)計不周導(dǎo)致安裝位置受到限制，上導(dǎo)位置處擺度實際測量平面為滑轉(zhuǎn)子絕緣環(huán)，而該絕緣環(huán)非精細(xì)加工面且存在一定程度的形變，因此導(dǎo)致上導(dǎo)擺度信號中存在大量的諧波成分。

3.2額定抽水工況運行分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，無葉區(qū)產(chǎn)生動靜干涉時需滿足：

式中：Z_s為導(dǎo)葉數(shù)；Z_r為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；k為葉片通過頻率下的諧波階數(shù)；m為導(dǎo)葉通過頻率下的諧波階數(shù)；v為帶符號的節(jié)徑，整數(shù)。

從圖3與圖5右圖可見機組在滿負(fù)荷抽水工況下，機組振動和擺度時域波形圖穩(wěn)定。在圖4右側(cè)頻譜圖中可以看到項蓋水平和垂直振動主頻為112.5 Hz，該頻率成分為兩倍葉片過流頻率（轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻×2），屬于典型的動靜干涉頻率。在其它測點中也出現(xiàn)了兩倍葉片干擾頻率，但該頻率成分在項蓋部位測點中的幅值較其它測點強，這主要是因為該頻率成分產(chǎn)生于無葉區(qū)，而頂蓋在所有測點中離無葉區(qū)最近。

3.3對比分析

調(diào)相工況與抽水工況時機組振動與擺度混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值分別見圖7和圖8所示，圖中給出了穩(wěn)定水泵方向調(diào)相工況至穩(wěn)定抽水工況整個過程的混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值變化趨勢。從圖中可以看到，抽水工況下水力干擾對各個測點的混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值影響不同。水泵工況時項蓋振動混頻幅值較調(diào)相工況時有增大趨勢，說明項蓋振動易受水力因素的影響；而項蓋振動的轉(zhuǎn)頻分量變化不大，這說明機械因素引發(fā)的振動成分在兩種工況下的影響未發(fā)生改變。兩種工況下，其它測點的混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值趨勢均未發(fā)生明顯的改變，對比混頻與轉(zhuǎn)頻幅值的波動情況可以看出，水泵工況時幅值的波動更小，更加平穩(wěn)。部分測點（如上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度）抽水工況下的混頻幅值較壓水調(diào)相工況小，說明抽水工況下水力因素并不必然引起機組振動混頻幅值的增大；在轉(zhuǎn)頻幅值方面，對部分測點而言，抽水工況的轉(zhuǎn)頻幅值較壓水調(diào)相工況小，說明在抽水工況下受水力因素的影響，機組機械方面振動成分有減小的趨勢整個機組機械振動更加趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生這種隋況的原因可能是：良好的水力設(shè)計情況下，抽水工況時由于水流通過轉(zhuǎn)輪一方面使得整個旋轉(zhuǎn)部件的附加質(zhì)量增加，另一方面軸向水推力下壓的作用下也使得機組更加穩(wěn)定。

對比圖4和圖6中壓水調(diào)相工況與抽水工況運行時的各個測點的頻譜及混頻與轉(zhuǎn)頻幅值可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

（1）水泵工況運行時頂蓋水平振動中新出現(xiàn)了幅值較大的一倍葉片過流頻率56.25 Hz、兩倍葉片過流頻率112.5 Hz（動靜干涉頻率）和204.72 Hz頻率成分，其中一倍與兩倍葉片過流頻率為典型的水力激振頻率，而對比項蓋的固有頻率計算報告未發(fā)現(xiàn)204.72 Hz頻率成分，對比電站地下廠房結(jié)構(gòu)動力分析報告發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖變模為10 GPa和20 GPa時機墩的第19階白振頻率為206.42 H z和206.83 H z，考慮到計算誤差且原報告基于廠房中間2、3號機組進(jìn)行計算，而實際1號機組邊界條件與計算略有差異，因此該頻率成分最大可能為廠房自激振動傳遞導(dǎo)致的機組振動；頂蓋垂直振動中除出現(xiàn)幅值較大的一倍葉片過流頻率56 25 Hz和兩倍葉片過流頻率112.5 Hz外，還出現(xiàn)了261 Hz頻率成分，經(jīng)對比項蓋剛強度和廠房動力分析報告，兩個報告均考慮到高階的振動頻率成分的激振能量較小未對較高的固有頻率進(jìn)行計算，而激發(fā)這一頻率的來源極有可能來自項蓋自激振動或廠房自激振動所傳遞。從項蓋垂直振動測點頻譜上看261 Hz頻率成分為第四階主頻成分，因此在以后的蓄能電站廠房及機組結(jié)構(gòu)部件的動力分析報告中應(yīng)對高頻分量予以充分考量。

（2）兩種工況下，上機架水平與垂直振動頻率成分未發(fā)生明顯改變，主要頻率成分單一，均為轉(zhuǎn)頻分量。混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值方面，水泵工況較調(diào)相工況略大，說明水泵工況上機架承受載荷較調(diào)相工況大，兩種工況下考慮到水泵工況時機組負(fù)荷具有明顯改變，因此上機架振動變化主要由負(fù)荷變化所產(chǎn)生。

（3）兩種工況下，定子基座水平振動主要頻率成分單一，以轉(zhuǎn)頻分量為主。混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值方面，水泵工況較調(diào)相工況小，這與擺度的變化趨勢基本一致。考慮到抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪與常規(guī)水電機組轉(zhuǎn)輪的差異，蓄能機組轉(zhuǎn)輪設(shè)計均采用水泵方向設(shè)計、水輪機方向校核的方式進(jìn)行，因此水泵工況下的轉(zhuǎn)輪在最優(yōu)工況點工作，機組的穩(wěn)定性較佳。而在SCP工況時，來自上、下迷宮環(huán)的冷卻水和活動導(dǎo)葉端面間隙的滲漏水在活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間形成水環(huán)，當(dāng)水環(huán)厚度較大時將造成轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壓力脈動增大，造成機組的振動、擺度等穩(wěn)定性較抽水工況偏大。定子基座垂直振動中出現(xiàn)了較為明顯的兩倍葉片過流頻率（動靜干涉頻率），考慮到這一頻率成分產(chǎn)生于無葉區(qū)，這表明產(chǎn)生于動靜干涉現(xiàn)象垂直向上傳遞至定子基座。而水平振動未發(fā)現(xiàn)明顯的葉片干擾頻率，因此動靜干涉在對定子基座的影響上主要表現(xiàn)在垂直方向，即垂直向上傳播，在水平方向上傳影響較小。

（4）兩種工況下，下機架水平振動頻率成分未發(fā)生明顯改變，主要頻率成分單一，均為轉(zhuǎn)頻分量，混頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值基本相當(dāng)；下機架垂直振動中的75 Hz頻率成分水泵工況下較調(diào)相工況下明顯增強，造成這一現(xiàn)象振動原因可以解釋為：水泵穩(wěn)定泵水工況時推力軸承承受的載荷較調(diào)相工況明顯增大，同時考慮到推力瓦數(shù)目為12，因此在轉(zhuǎn)速相同的情況下，水泵工況下推力瓦通過頻率75 Hz引起的振動較調(diào)相工況大（這一頻率類似與無葉區(qū)的一倍葉片過流頻率）。水泵工況下運行時，受動靜干涉影響，下機架垂直振動中出現(xiàn)了較為明顯的兩倍葉片過流頻率，而這一頻率成分為軸系或廠房振動所傳遞，這進(jìn)一步表明了動靜干涉現(xiàn)象的傳播主要是垂直方向傳播，水平方向影響較小。

（5）兩種工況下，調(diào)相運行擺度較抽水工況的混頻與轉(zhuǎn)頻幅值均大，與定子基座水平振動趨勢相同，這表明水力干擾并不必然引起機組擺度的增大，對于測試機組而言，水泵工況的負(fù)荷增加使機組運行更加平穩(wěn)，且水泵工況時轉(zhuǎn)輪在最優(yōu)工作點運行，無水環(huán)所產(chǎn)生的附加影響；頻率成分上，水導(dǎo)擺度出現(xiàn)了葉片干擾成分，而在上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度上則不明顯，因此位于項蓋位置處的水導(dǎo)更容易受機組水力因素干擾。

4總結(jié)

針對仙居電站首臺機組的調(diào)試過程中調(diào)相壓水與穩(wěn)態(tài)抽水兩種不同工況下的機組振動與擺度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，獲得了水力因素影響下的機組振動與擺度時域與頻域信號特征差異，分析結(jié)果表明：承受垂直載荷部件振動幅值水泵工況較調(diào)相工況略有增大趨勢；項蓋振動含有豐富的水力干擾成分，受無葉區(qū)動靜干涉、葉片過流等水力激振影響最為明顯；動靜干涉現(xiàn)象影響在垂直方向較水平方向大，且在垂直方向上傳播逐漸衰減；水力激振導(dǎo)致部分測點的頻率成分發(fā)生明顯變化，但并不一定引起機組振動與擺度混頻幅值的增大；考慮到機組振動中含有較為明顯的高頻成分，而這些成分可能與廠房某些部件的固有頻率接近因此廠房與機組動力分析報告應(yīng)包含可能的高階頻率成分。