張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機動靜干涉問題及處理

路 建，胡清娟，谷振富，鄭 凱，孟曉超，易忠有

（1.河北張河灣抽水蓄能有限公司，河北省石家莊市 050021；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國水利水電科學研究院，北京市 100038；4.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能電站在電力系統中具有調峰、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，對優化電源結構、促進我國核電、風電等清潔能源大規模發展、保障電網安全運行發揮著重要作用。我國抽水蓄能電站建設起步較晚，為實現蓄能電站機組設備制造的自主化，國家制定了打捆招標、技術引進、消化吸收的“三步走”戰略，經過多年的建設實踐，在機組設計能力、設備制造水平等方面有了較大的提高，電站施工和運行管理上積累了一定的經驗。但多年的運行實踐也逐漸暴露出早期投運的機組引發電站廠房振動和運行不穩定問題，隨著工程經驗的積累，對水泵水輪機固有的水力特性有了新的認識。

轉輪和活動導葉之間的動靜干涉是水電站廠房振動的重要來源之一。水泵水輪機靜態部件均有葉片通頻諧波為主的周期振動，振源為活動導葉和轉輪葉片之間的無葉區動靜干涉引起的壓力脈動。水泵水輪機在運行過程中，轉輪、活動導葉、頂蓋及底環等過流部件均以動靜干涉產生的水力激振模式做受迫振動，水力激振力頻率隨不同葉柵組合方式及機組轉速而變化[1]。日本東芝水電公司對高水頭水泵水輪機葉輪裂紋事故的試驗研究發現，轉輪應力的振動頻率是導葉數量和轉速的乘積，振動是由于尾流的不均導致的激勵振蕩，也就是動靜葉片干涉所導致的[2]。如果動靜干涉引起的水力激振頻率與電站廠房結構的響應主頻接近，就可能會引起廠房的劇烈振動。

本文介紹了張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機動靜干涉所誘發的電站廠房振動問題，以及其解決思路和處理方法，這些經驗可供解決其他大型抽水蓄能電站的振動問題參考。

1 張河灣蓄能電站振動問題

1.1 張河灣蓄能電站概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市，電站總裝機容量為1000MW，安裝4臺單機容量250MW的單級混流可逆式水泵水輪機組。張河灣電站水泵水輪機組額定水頭305m，額定轉速333.3r/min，電站年發電量16.75億kW·h，年抽水電量22.04億kW·h，年發電利用小時數為1675h，建成后接入河北南網，在系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用任務。2007年12月底張河灣電站第一臺機組并網發電，2009年2月全部投入商業運行。

1.2 廠房振動問題

張河灣電站機組投入運行以來，電站廠房樓板一直存在強烈的振動并伴有高頻噪聲，主要表現為：機組在發電工況運行時產生振動劇烈且振感及噪聲強烈，振動和噪聲隨著負荷增大而增強；廠房樓板振動嚴重，且上游側比下側游強烈、中間比兩邊強烈，在水輪機工況額定出力下振動最大。電站廠房振動和噪聲強烈程度在國內外抽水蓄能電站中比較罕見，尤其當某個部件或整體的自振頻率接近振源頻率而發生共振時，振感更加強烈。振動已經危及廠房結構安全，還可能導致設備損壞和錯誤動作而影響儀器設備的正常運行。

對電站廠房和水泵水輪機組進行了振動和壓力脈動測試，試驗結果如下：

（1）機組變轉速試驗表明，廠房振動主頻隨機組轉速而線性變化，各轉速下廠房振動的主頻基本都為葉片通流頻率的2 倍。

（2）變負荷試驗表明，在額定轉速下各負荷的廠房振動主頻為100.0Hz，該頻率為機組正常發電時葉片通過頻率的2 倍，見圖1。

（3）廠房振動測量表明，廠房部分結構存在接近100Hz的自振頻率，存在局部共振的可能。

2 振動解決思路

2.1 振源分析

抽水蓄能電站水泵水輪機在水輪機工況運行時，轉輪葉片和活動導葉間相互作用的壓力脈動有可能是機組在水輪機工況運行時產生振動的主要原因，這種動靜干涉現象是由轉輪引起的勢流擾動和活動導葉的尾流引起的流場擾動之間的相互作用的結果。當動靜干涉頻率與機組部件或廠房樓板固有頻率相同或相近，且壓力脈動幅值較大超過臨界值時，動靜干涉的激振能量將引起機組或廠房樓板的振動。

水泵水輪機動靜干涉的轉頻在機組設計初期就已確定，但在真機運行中仍然發現存在強烈的由于轉輪葉片與導葉之間水流干擾所帶來的高頻振動，這主要取決于其激振能量的大小。作用在轉輪及固定部件上的主要水力激振諧波頻率與轉輪的轉動頻率有關，分別為[2]：

（1）從固定部件上看，作用與轉輪上的水力激振的諧振頻率為活動導葉的通過頻率fG及其倍頻見式（1）：

圖1 張河灣電站水泵水輪機現場測量壓力脈動頻譜圖（250MW）[3]Figure 1 Pressure fluctuation spectrogram at 250MW output of Zhanghewan pumped-turbine

（2）從轉動部件上看，作用與活動導葉、頂蓋和底環上的水力激振的諧振頻率為葉片的通過頻率fR及其倍頻見式（2）

式中fn——轉輪的轉動頻率；

ZG——活動導葉數；

ZR——轉輪葉片數；

n——轉動部件為諧波階次；

m——固定部件為諧波階次。

張河灣電站水泵水輪機額定轉速n=333.3r/min，轉輪葉片數ZR=9，據此計算得到水輪機轉頻fn=5.555Hz，葉片通過頻率fR=m×9×5.555=m×50Hz。根據對張河灣電站廠房和水泵水輪機組進行振動和壓力脈動測試的結果，在額定轉速下廠房的振動頻率為100Hz，因此計算確定諧波階次m=2。

因此可以確定，電站廠房和機組的振動與水泵水輪機的動靜干涉特性有重要關系。

2.2 減輕動靜干涉的措施

減輕張河灣電站廠房振動的思路有兩種，一是優化廠房的結構，改變廠房的自激振頻率并增大剛度；二是優化水泵水輪機的設計，改變激振源的主頻并降低激振的能量。很顯然，對水泵水輪機進行優化可以從根本上降低或消除振動，而且付出的成本較低。因此，采取對水泵水輪機進行優化的方案。

在水泵水輪機水力設計時考慮減輕動靜干涉對機組穩定性運行的影響，降低無葉區壓力脈動幅值，即降低其激振能量，主要途徑有兩個，一是優化轉輪（水輪機）葉片數，改變激振源的主頻；二是增加活動導葉與轉輪之間的距離，即電站活動導葉分布圓直徑D0與轉輪D1的比值，減小轉輪和導葉之間的流動干擾。

傳統的設計理念認為[4]，為了兼顧機組的效率和穩定性，水泵水輪機導葉分布圓直徑比D0/D1通常為1.15～1.20。張河灣水泵水輪機的D0/D1為1.167。我們對我國已建或在建主要抽水蓄能電站活動導葉分布圓直徑比D0/D1進行了統計，發現隨著機組單機容量的增大，特別是動靜干涉對機組穩定性影響的重要性，活動導葉分布圓直徑比D0/D1有增大的趨勢，目前一些電站已經突破了1.20，統計結果見表1。

因此，為了減輕動靜干涉影響，提高水力穩定性，對水泵水輪機進行優化的方向有2個：一是增大導葉分布圓直徑比D0/D1；二是改變轉輪葉片和導葉的數量。

表1 我國抽蓄電站水泵水輪機動靜干涉參數Table 1 Rotor-stator interaction parameters of pumped-turbines in China

3 水泵水輪機轉輪開發

3.1 轉輪優化

由于電站廠房樓板振動激振源來自于水泵水輪機的動靜干涉，重新開發轉輪減輕或消除振動是最經濟有效的方法。改造方案初期曾考慮新轉輪開發時直接改變轉輪葉片數的方案，徹底改變葉片通流轉頻來解決激振源問題，制造商擔心引起其他問題，而沒有采納。考慮張河灣電站水泵工況運行時無振感，制造商決定還是采用原轉輪葉片數，以降低無葉區壓力脈動為目的進行新轉輪開發。

水泵水輪機的改造通過優化轉輪進水邊葉片型線（水輪機方向）來改善導葉和轉輪之間的流態，重點將導葉分布圓直徑比D0/D1從原來的1.167增加到1.197，進水邊也是向軸向深挖以增加無葉區寬度，可以說新轉輪D0/D1的平均比值遠大于1.2，以此達到減輕動靜干涉的目的。張河灣水泵水輪機的新轉輪見圖2。

圖2 張河灣新轉輪（2016年）Figure 2 The newly-developed runner of ZHANGHEWAN pumped-storage power station（2016）

3.2 優化結果

制造商在2014年進行了水力開發和研究，2014年底進行了第一輪模型驗收（中間轉輪），中間轉輪無葉區壓力脈動混頻壓力脈動幅值與原轉輪相比在50%負荷到100%負荷范圍內下降26%～42%。由于中間轉輪在水泵工況空化性能比老轉輪性能更加惡化，且在水輪機工況額定水頭滿負荷的壓力脈動存在上升趨勢，幅值仍然接近7%。制造商又進行了一年的研發，開發出2016年新轉輪。以額定水頭305m為例，新轉輪混頻壓力脈動幅值與原轉輪相比在50%負荷到100%負荷范圍內下降26%～75%，見圖3，同時2倍Zr×fn主頻幅值（100Hz）新轉輪比老轉輪降低了大約5.8倍，見圖4。

圖3 張河灣電站水輪機工況在額定水頭305m時無葉區壓力脈動（混頻幅值）比較圖Figure 3 Comparison map of pressure fluctuation （mixing amplitude）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

圖4 張河灣電站水輪機工況在額定水頭305m時無葉區壓力脈動（2Zr×fn主頻幅值）比較圖Figure 4 Comparison map of pressure fluctuation（amplitude at 2Zr×fn main frenquency）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

2017年7月新改造轉輪投入運行，從現場測試結果看，廠房樓板振動和高頻噪聲問題明顯解決。

4 結束語

張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機轉輪的改造方案，使我們對水泵水輪機水力特性對機組穩定性的影響有了進一步新的認識，這不僅對老電站改造提供了一個較好的案例，也對今后在新電站建設過程中提高機組穩定性優化轉輪水力設計有著很好的參考。

（1）在水泵水輪機設計初期關注轉輪葉片數和機組轉速的匹配。

（2）在分析動靜干涉頻率時不僅要分析一次諧波的影響，而且要同時分析二次和三次諧波對機組及廠房運行穩定性的影響。

（3）通過增大活動導葉分布圓直徑比和轉輪優化有效地減小了無葉區的動靜干涉，解決了廠房的振動和高頻噪聲的問題；

（4）通過水泵水輪機優化設計，降低壓力脈動幅值、且壓力脈動幅值隨負荷的增加平緩下降及在大負荷工況不上翹對機組穩定性運行影響較大。