不同抽水轉(zhuǎn)發(fā)電模式下抽蓄機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)對(duì)比

摘要

新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求縮短抽水蓄能機(jī)組的快速響應(yīng)時(shí)間。以具體電站機(jī)組為例，研究了正常與快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電模式下監(jiān)控流程的主要差異和機(jī)組穩(wěn)定參數(shù)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，引入反時(shí)限振動(dòng)評(píng)價(jià)方法對(duì)兩種模式下的振動(dòng)峰峰值進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估了轉(zhuǎn)換模式對(duì)機(jī)組的影響；采用頻譜分析方法對(duì)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速下無(wú)葉區(qū)存在水力共振現(xiàn)象，并揭示了共振幅值、頻率與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：抽水轉(zhuǎn)發(fā)電快速流程優(yōu)于正常流程，快速轉(zhuǎn)換模式下的水力制動(dòng)方式較正常轉(zhuǎn)換模式下的電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)方式流程時(shí)間由438 s縮短至220 s，顯著提高工況轉(zhuǎn)換效率；在振動(dòng)對(duì)機(jī)組損傷方面，14個(gè)振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)點(diǎn)中13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)證明快速轉(zhuǎn)換模式有利于延長(zhǎng)機(jī)組預(yù)期壽命；同時(shí)，快速轉(zhuǎn)換模式有利于機(jī)組快速通過(guò)低轉(zhuǎn)速下無(wú)葉區(qū)產(chǎn)生的水力共振區(qū)，將水力共振時(shí)間由15 s縮減至5 s，共振轉(zhuǎn)速區(qū)間壓縮超過(guò)60%。

關(guān)鍵詞

抽水轉(zhuǎn)發(fā)電; 穩(wěn)定性參數(shù); 水力共振; 水力制動(dòng); 振動(dòng)評(píng)價(jià)

引 言

隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等需求更加迫切，同時(shí)要求相關(guān)調(diào)節(jié)電源的響應(yīng)速度更快。抽水蓄能機(jī)組由于很好地滿足了電力系統(tǒng)這一需求，在“十三五”期間進(jìn)入了發(fā)展快車道。根據(jù)中國(guó)《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》［1］，到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200萬(wàn)千瓦以上，到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右。可再生能源工程建設(shè)周期短、發(fā)展速度快，而抽水蓄能建設(shè)周期長(zhǎng)，雖然抽水蓄能發(fā)展步入了快車道，但仍不能滿足可再生能源消納的快速增長(zhǎng)需求。當(dāng)前形勢(shì)下，對(duì)商運(yùn)機(jī)組性能的挖掘是支撐當(dāng)前階段可再生能源以及電網(wǎng)發(fā)展最為有利的方式。

根據(jù)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)，以及各區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度方式的差異，抽水蓄能機(jī)組多以穩(wěn)態(tài)發(fā)電、穩(wěn)態(tài)抽水、調(diào)相等工況運(yùn)行。近年來(lái)，隨著間歇性新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，以及特高壓電網(wǎng)的運(yùn)行，抽水蓄能機(jī)組的緊急支撐作用凸顯［2］。若大容量風(fēng)電、太陽(yáng)能等發(fā)電場(chǎng)站因故障脫網(wǎng)導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷驟降，此時(shí)抽水蓄能機(jī)組由調(diào)相或抽水態(tài)轉(zhuǎn)至發(fā)電態(tài)。工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中涉及復(fù)雜的水力、機(jī)械和電氣過(guò)程，尤其是抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程。針對(duì)工況轉(zhuǎn)換過(guò)程，大量文獻(xiàn)集中于發(fā)電開、停機(jī)［3?5］、發(fā)電甩負(fù)荷［6?8］以及水泵斷電［9?11］等過(guò)程；針對(duì)快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程，學(xué)者多采用數(shù)值仿真、模型試驗(yàn)等方式對(duì)此進(jìn)行研究，如：Braun等［12］針對(duì)模型水泵輪機(jī)采用數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了全功率變速機(jī)組快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中的壓力脈動(dòng)情況； Stens等［13?14］基于OpenFOAM平臺(tái)研究了快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中不同策略下流道內(nèi)的永流動(dòng)狀況及壓力脈動(dòng)情況，進(jìn)一步通過(guò)一維過(guò)渡過(guò)程計(jì)算加三維流場(chǎng)仿真方式進(jìn)行快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程模型仿真計(jì)算，并與真機(jī)電站進(jìn)行了對(duì)比分析［15］； Svarstad等［16］研究了模型與真機(jī)快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中的壓力脈動(dòng)幅值變化情況，指出在水泵制動(dòng)區(qū)壓力脈動(dòng)最大；Nicolet等［17］在SIMSEN軟件中建立了全功率變頻機(jī)組快速抽水與發(fā)電互轉(zhuǎn)過(guò)程的仿真模型，驗(yàn)證了真機(jī)快速轉(zhuǎn)換的可行性。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明，尚未有針對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn)的系統(tǒng)研究和報(bào)道。

為挖掘抽水蓄能機(jī)組對(duì)電網(wǎng)支撐的快速響應(yīng)能力，在洪屏抽水蓄能電站調(diào)試期間實(shí)施了抽水轉(zhuǎn)發(fā)電快轉(zhuǎn)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這一過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)備控制流程進(jìn)行了檢驗(yàn)，詳細(xì)測(cè)試了機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性參數(shù)，驗(yàn)證了原型機(jī)組的快速工況轉(zhuǎn)換能力。

1 試驗(yàn)基本條件

1.1 機(jī)組參數(shù)

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣，電站安裝4臺(tái)額定功率為306 MW的單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)，水泵水輪機(jī)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

1.2 測(cè)試描述

為評(píng)估抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中機(jī)組相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試具體位置如圖1所示。

圖1中振動(dòng)包括：上機(jī)架水平與垂直振動(dòng)V1、定子基座水平與垂直振動(dòng)V2、下機(jī)架水平與垂直振動(dòng)V3、頂蓋水平與垂直振動(dòng)V4；擺度測(cè)點(diǎn)包括：上導(dǎo)擺度R1、下導(dǎo)擺度R2和水導(dǎo)擺度R3；壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)包括：蝸殼進(jìn)口壓力P1、無(wú)葉區(qū)壓力P2、上止漏環(huán)外側(cè)壓力P3、底環(huán)外側(cè)壓力P4、尾水錐管壓力P5和尾水出口壓力P6。

除上述穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)外，還采集了機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)斷路器位置、導(dǎo)葉開度、有功功率、機(jī)組轉(zhuǎn)速等信號(hào)，以獲得機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)組振動(dòng)采用豪瑞斯MLS/V?9位移型低頻振動(dòng)速度傳感器測(cè)量，頻率響應(yīng)范圍為0.5～200 Hz，靈敏度為8 mV/μm±5%；擺度與鍵相采用本特利3300 XL 8 mm電渦流位移傳感器測(cè)量，頻率響應(yīng)范圍為0～10 kHz，靈敏度為7.87 mV/μm±5%；采用德魯克PTX5072?TC?A3?CA?H0?PA壓力傳感器測(cè)量壓力，頻率響應(yīng)范圍為0～5 kHz（-3 dB），精度為±0.2%。

振動(dòng)與擺度數(shù)據(jù)采用本特利公司的ADRE408 DSPi進(jìn)行采集，壓力脈動(dòng)與狀態(tài)量數(shù)據(jù)采用HBM公司的QuantumX MX840A?P進(jìn)行采集。兩套系統(tǒng)同步采集，采樣精度為24位A/D，采樣率為1280 Hz。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

1.3 水文條件

正常抽水轉(zhuǎn)發(fā)電試驗(yàn)時(shí)上庫(kù)水位為951.2 m，下庫(kù)水位為327.8 m，毛水頭為623.4 m；快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電試驗(yàn)時(shí)上庫(kù)水位為945.3 m，下庫(kù)水位為331.5 m，毛水頭為613.8 m。

2 控制流程分析

工況轉(zhuǎn)換流程是一系列子流程的串聯(lián)，工況轉(zhuǎn)換時(shí)由監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)命令執(zhí)行相關(guān)操作。正常抽水轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，上位機(jī)發(fā)令后，機(jī)組執(zhí)行的流程為：抽水→旋轉(zhuǎn)停機(jī)→停機(jī)熱備→空轉(zhuǎn)→空載→發(fā)電，各子流程狀態(tài)定義見(jiàn)相關(guān)規(guī)范［18］。而快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電執(zhí)行的則是特殊流程。為充分明晰二者之間的差異，圖3給出了抽水轉(zhuǎn)發(fā)電正常流程與快速流程下關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)有功功率、導(dǎo)葉反饋和機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線。圖中給出了機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備的開關(guān)動(dòng)作時(shí)序，包括指令下發(fā)、勵(lì)磁啟停、高油壓頂起裝置啟停、GCB狀態(tài)等，并標(biāo)識(shí)了兩個(gè)工況轉(zhuǎn)換流程之間的顯著差異。

由正常抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程圖3（a）可見(jiàn)：機(jī)組從收到轉(zhuǎn)換指令到進(jìn)入發(fā)電態(tài)時(shí)間為438 s；機(jī)組在接到指令后，首先關(guān)導(dǎo)葉降低水泵入力，當(dāng)水泵入力降至預(yù)設(shè)值時(shí)斷開電動(dòng)機(jī)回路斷路器、滅磁、啟動(dòng)高油壓頂起裝置，隨后關(guān)進(jìn)水球閥，并分抽水方向換向開關(guān)；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)采用電氣制動(dòng)加速機(jī)組停機(jī)過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至5%額定轉(zhuǎn)速時(shí)啟動(dòng)機(jī)械制動(dòng)裝置；機(jī)組轉(zhuǎn)速為零后，合發(fā)電方向換向開關(guān)，置水輪機(jī)模式令，此后開球閥、開導(dǎo)葉，機(jī)組進(jìn)入升速過(guò)程；當(dāng)轉(zhuǎn)速到90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，停高油壓頂起裝置、啟勵(lì)磁，隨后同期并網(wǎng)進(jìn)入發(fā)電態(tài)。

由快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程圖3（b）可見(jiàn)：機(jī)組從收到轉(zhuǎn)換指令到進(jìn)入發(fā)電態(tài)時(shí)間為220 s；機(jī)組接到指令后，首先關(guān)導(dǎo)葉降低水泵入力并啟高油壓頂起裝置，當(dāng)水泵入力降至預(yù)設(shè)值時(shí)斷開電動(dòng)機(jī)回路斷路器、滅磁；隨后分抽水方向換向開關(guān)并合發(fā)電方向換向開關(guān)；在轉(zhuǎn)速降至50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)開導(dǎo)葉進(jìn)行水力制動(dòng)，導(dǎo)葉開度為5%；在轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)后進(jìn)入水輪機(jī)模式運(yùn)行，開導(dǎo)葉至發(fā)電方向空轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速到90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，停高油壓頂起裝置、啟勵(lì)磁，隨后同期并網(wǎng)進(jìn)入發(fā)電態(tài)。

對(duì)比圖3（a）和圖3（b），快速轉(zhuǎn)換較正常轉(zhuǎn)換大幅節(jié)約了流程時(shí)間，兩者之間主要差異在于兩點(diǎn)：一是正常轉(zhuǎn)換時(shí)球閥執(zhí)行“全開?全關(guān)?全開”流程，而快速轉(zhuǎn)換時(shí)球閥狀態(tài)保持不變；二是正常轉(zhuǎn)換時(shí)制動(dòng)方式采用“電氣+機(jī)械”的組合方式，而快速轉(zhuǎn)換時(shí)采用水力制動(dòng)方式。正常轉(zhuǎn)換時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用各獨(dú)立子流程，由于子流程之間的獨(dú)立性，球閥關(guān)閉后再次開啟，正常轉(zhuǎn)換工況停機(jī)時(shí)采用電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)方式加速水泵方向低轉(zhuǎn)速停機(jī)，由于球閥從全開到全關(guān)、并考慮球閥工作密封投入時(shí)間，流程約需80 s；當(dāng)球閥工作密封退出，球閥從全關(guān)到全開，流程亦需80 s。而快速轉(zhuǎn)換時(shí)，為節(jié)約流程時(shí)間，球閥開度保持不變，采用水力制動(dòng)方式加速水泵方向低轉(zhuǎn)速停機(jī)過(guò)程。同時(shí)對(duì)比兩個(gè)轉(zhuǎn)換流程可以明顯看出，當(dāng)電力系統(tǒng)需要緊急負(fù)荷時(shí)，由于快速工況轉(zhuǎn)換時(shí)間顯著縮短，有利于快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求。

3 穩(wěn)定性參數(shù)分析

通常采用振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)峰峰值對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。正常與快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中，主要差異在于機(jī)組制動(dòng)方式與球閥狀態(tài)，體現(xiàn)在機(jī)組穩(wěn)定性差異上蝸殼進(jìn)口壓力、無(wú)葉區(qū)壓力，以及頂蓋振動(dòng)、水導(dǎo)擺度差異最為明顯。因此，圖4和5分別給出了正常與快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中蝸殼進(jìn)口壓力、無(wú)葉區(qū)壓力、水導(dǎo)+Y與+X擺度、頂蓋水平與垂直振動(dòng)時(shí)域波形圖。與穩(wěn)定性參數(shù)關(guān)聯(lián)密切的導(dǎo)葉開度與機(jī)組轉(zhuǎn)速也同時(shí)標(biāo)出。

由正常抽水轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)域曲線圖4可見(jiàn)：無(wú)葉區(qū)壓力、頂蓋振動(dòng)與水導(dǎo)擺度存在三次明顯增大過(guò)程，分別發(fā)生在水泵停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中、發(fā)電方向小開度低轉(zhuǎn)速過(guò)程中與空載開度額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行中；蝸殼進(jìn)口壓力在水泵停機(jī)時(shí)受負(fù)水擊影響先減小后增大，導(dǎo)葉全關(guān)后受調(diào)壓井與活動(dòng)導(dǎo)葉前往返壓力波以及管道阻尼影響，出現(xiàn)周期波動(dòng)，同時(shí)振幅逐漸減小；球閥工作密封投入后，蝸殼進(jìn)口壓力迅速降低至下游水位壓力；球閥工作密封退出，球閥全開恢復(fù)至上游水位壓力；在導(dǎo)葉開啟后壓力降低為上游水位壓力與上游管路水力損失的差值；無(wú)葉區(qū)壓力受導(dǎo)葉快速關(guān)閉形成的水擊影響，壓力先增大后緩慢降低至下游水位壓力；發(fā)電方向?qū)~開啟后，在低轉(zhuǎn)速時(shí)形成了水力共振，共振隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大而消失；無(wú)葉區(qū)壓力在進(jìn)入空載開度以及帶負(fù)荷后逐漸穩(wěn)定；水導(dǎo)擺度與頂蓋振動(dòng)趨勢(shì)一致，水泵停機(jī)時(shí)增大后逐漸降低；發(fā)電方向時(shí)，水導(dǎo)擺度與頂蓋振動(dòng)在小開度低轉(zhuǎn)速及空載開度額定轉(zhuǎn)速時(shí)較大，帶負(fù)荷后降低至穩(wěn)定水平。

由快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)域曲線圖5可見(jiàn)：無(wú)葉區(qū)壓力、頂蓋振動(dòng)與水導(dǎo)擺度存在四次明顯增大過(guò)程，分別發(fā)生在水泵停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中、水力制動(dòng)過(guò)程中、發(fā)電方向小開度低轉(zhuǎn)速過(guò)程中與空載開度額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行中。快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中，受導(dǎo)葉開度變化產(chǎn)生的水擊影響，蝸殼進(jìn)口前壓力多次產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象。無(wú)葉區(qū)壓力與正常抽水轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)基本一致，但在水力制動(dòng)過(guò)程中，由于導(dǎo)葉打開，壓力脈動(dòng)幅值略增大，幅值隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的降低而降低；機(jī)組反轉(zhuǎn)后，無(wú)葉區(qū)壓力變化與正常發(fā)電啟動(dòng)過(guò)程中基本一致。水導(dǎo)擺度與頂蓋振動(dòng)趨勢(shì)一致，水泵停機(jī)時(shí)增大后逐漸降低，在水力制動(dòng)導(dǎo)葉開啟時(shí)增大，隨后隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速降低而降低；轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)電方向時(shí)，水導(dǎo)擺度與頂蓋振動(dòng)在小開度低轉(zhuǎn)速及空載開度額定轉(zhuǎn)速時(shí)較大；帶負(fù)荷后降低至穩(wěn)定水平。

正常轉(zhuǎn)換與快速轉(zhuǎn)換時(shí)水泵方向降入力及水泵低入力斷電時(shí)，由于導(dǎo)葉快速關(guān)閉導(dǎo)致流道內(nèi)流態(tài)紊亂［19?20］，并引發(fā)機(jī)組振動(dòng)、擺度及流道內(nèi)壓力脈動(dòng)增大，具體如圖6和7所示。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入空載運(yùn)行時(shí)，由于水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪遠(yuǎn)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流沖角大，流道內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象［21］，造成機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)幅值處于較高水平上。兩種轉(zhuǎn)換方式下均在發(fā)電方向低轉(zhuǎn)速引發(fā)了水力共振現(xiàn)象，造成無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)、頂蓋振動(dòng)及水導(dǎo)擺度的顯著增大，下文將對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。快速轉(zhuǎn)換時(shí)，水泵方向水力制動(dòng)造成的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)增大要小于發(fā)電方向低轉(zhuǎn)速水力共振造成的影響，也低于空載運(yùn)行時(shí)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)，這意味著對(duì)于整個(gè)工況轉(zhuǎn)換過(guò)程，采用水力制動(dòng)從機(jī)組穩(wěn)定性角度是安全的。

為充分揭示正常與快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程中機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)的變化規(guī)律，圖6和7分別給出了兩個(gè)過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)峰峰值的變化趨勢(shì)。峰峰值采用GB/T 17189—2017［22］推薦的算法，置信區(qū)間取95%，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取8個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，步長(zhǎng)取4個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。

由正常與快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電峰峰值趨勢(shì)圖6和7可見(jiàn)：兩個(gè)工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中，機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)峰峰值變化規(guī)律基本一致，主要差異體現(xiàn)在：正常轉(zhuǎn)換過(guò)程中電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)過(guò)程與快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中水力制動(dòng)過(guò)程機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)峰峰值數(shù)值大小差異。在快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于水力制動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉打開導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)峰峰值上升，在正常轉(zhuǎn)換過(guò)程中機(jī)械制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，造成定子基座水平振動(dòng)產(chǎn)生瞬間沖擊現(xiàn)象。因此，對(duì)比正常轉(zhuǎn)換過(guò)程中電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)與快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中水力制動(dòng)對(duì)機(jī)組峰峰值影響，水力制動(dòng)加速了機(jī)組停機(jī)過(guò)程，但是在停機(jī)過(guò)程中增大了振動(dòng)、擺度與壓力脈動(dòng)峰峰值。

由于水力制動(dòng)時(shí)間短、穩(wěn)定性水平高，電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性水平低，為合理評(píng)估兩個(gè)過(guò)程中對(duì)機(jī)組性能的影響，引入振動(dòng)累積效應(yīng)對(duì)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，其基本原理參照文獻(xiàn)［23］。這一原理考慮振動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力變化及其損傷效應(yīng)，能夠?qū)⒉煌恼駝?dòng)過(guò)程統(tǒng)一到同一尺度下進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算原理為：

S=∑i=1n[（VVBase）r?1]?Δt

S=∑i=1nVVBaser-1?Δt

（1）

式中 V為當(dāng)前振動(dòng)峰峰值（μm）；VBase為振動(dòng)峰峰值基準(zhǔn)（μm）；Δt為峰峰值更新步長(zhǎng)（s）；r為冪指數(shù)，通常冪指數(shù)介于0～2之間，不同r值適用于不同的場(chǎng)景。根據(jù)文獻(xiàn)［23］，不同的r值影響同一組數(shù)據(jù)累積數(shù)值的結(jié)果，但不影響不同組數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ鹊慕Y(jié)果，不失一般性，本文取r=0.5。

式（1）根據(jù)振動(dòng)峰峰值基準(zhǔn)將振動(dòng)峰峰值標(biāo)幺化，并進(jìn)行累積。采用該方法對(duì)機(jī)組振動(dòng)累積評(píng)價(jià)時(shí)涉及兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：評(píng)價(jià)時(shí)長(zhǎng)及振動(dòng)基準(zhǔn)值。由于正常轉(zhuǎn)換與快速轉(zhuǎn)換時(shí)起始階段均為水泵穩(wěn)態(tài)，終止階段均為發(fā)電態(tài)，因此，振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)選取自監(jiān)控系統(tǒng)下令執(zhí)行工況轉(zhuǎn)換流程開始至監(jiān)控系統(tǒng)判斷機(jī)組到達(dá)發(fā)電態(tài)終止；由于機(jī)組為基建調(diào)試新安裝機(jī)組，擺度基準(zhǔn)參考GB/T 11348.5—2008［24］中A/B區(qū)分界線確定為140 μm，振動(dòng)基準(zhǔn)參考GB/T 6075.5—2002［25］中A/B區(qū)分界線確定為30 μm。根據(jù)計(jì)算公式（1），當(dāng)前振動(dòng)峰峰值小于振動(dòng)峰峰值基準(zhǔn)時(shí)，單次計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，該值表明設(shè)備可以在此狀態(tài)下無(wú)限次運(yùn)行，表示該振動(dòng)值對(duì)設(shè)備無(wú)影響，此時(shí)強(qiáng)制計(jì)算結(jié)果為零。計(jì)算結(jié)果如表2所示，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

由表2和圖8可見(jiàn)，除下機(jī)架水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)振動(dòng)累積值均是正常轉(zhuǎn)換大于快速轉(zhuǎn)換。這表明對(duì)于抽水轉(zhuǎn)發(fā)電過(guò)程，快速轉(zhuǎn)換流程整體上有利于機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)的改善。導(dǎo)致這一結(jié)論的主要原因在于：一是快速轉(zhuǎn)換流程中的水力制動(dòng)環(huán)節(jié)顯著縮短了水泵方向制動(dòng)時(shí)間；二是縮短了發(fā)電方向轉(zhuǎn)速上升時(shí)間，從而縮短了小開度低轉(zhuǎn)速的水力共振時(shí)間，這在圖6（c）和7（c）中的大幅無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)峰峰值持續(xù)時(shí)間得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

除關(guān)注機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征外，還需關(guān)注其信號(hào)中的主要頻率成分。由于正常轉(zhuǎn)換與快速轉(zhuǎn)換的主要差異在于制動(dòng)環(huán)節(jié)的差異，因此重點(diǎn)關(guān)注無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)。考慮整個(gè)工況轉(zhuǎn)換過(guò)程屬于典型過(guò)渡過(guò)程，所獲得的信號(hào)為暫態(tài)信號(hào)，故采用短時(shí)傅里葉變換方法進(jìn)行分析，窗函數(shù)為漢寧窗，窗口長(zhǎng)度（計(jì)算時(shí)長(zhǎng)）和步長(zhǎng)與峰峰值計(jì)算參數(shù)相同，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，正常與快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)葉區(qū)壓力頻率成分大致相同，兩種工況轉(zhuǎn)換下，抽水方向80%以上轉(zhuǎn)速和發(fā)電方向全部轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主頻是一倍和兩倍葉片通過(guò)頻率。兩種方式主要差別在于抽水方向80%以下轉(zhuǎn)速，快速轉(zhuǎn)換時(shí)，由于導(dǎo)葉開至5%開度，存在明顯一倍葉片過(guò)流頻率，而正常轉(zhuǎn)換時(shí)因?qū)~全關(guān)則幅值極小。

圖9中可以觀察到，兩種方式下發(fā)電方向低轉(zhuǎn)速時(shí)存在明顯的水力共振，正常轉(zhuǎn)換持續(xù)約15 s，快速轉(zhuǎn)換時(shí)由于機(jī)組導(dǎo)葉預(yù)開，機(jī)組快速穿越共振，持續(xù)約5 s。為分析兩個(gè)流程下的水力共振情況，圖10給出了兩個(gè)轉(zhuǎn)換流程下發(fā)生水力共振時(shí)的無(wú)葉區(qū)壓力及其機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度曲線，圖11給出了相應(yīng)的時(shí)頻圖，并在圖中標(biāo)識(shí)出了機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線。計(jì)算時(shí)取窗口長(zhǎng)度為2 s，步長(zhǎng)為0.125 s，采用漢寧窗函數(shù)。為便于觀察時(shí)頻圖，分別對(duì)頻率坐標(biāo)值進(jìn)行了調(diào)整。

由圖10（a）可見(jiàn)，正常轉(zhuǎn)換下發(fā)電方向?qū)~直接開至空載開度，水力共振時(shí)對(duì)應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速2%～58%。由圖10（b）可見(jiàn)，快速轉(zhuǎn)換下發(fā)電方向?qū)~由5%開至空載開度，水力共振時(shí)對(duì)應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速5%～24%。引起兩者差異的主要其原因可能是：正常轉(zhuǎn)換與快速轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)葉動(dòng)作規(guī)律不同，以及兩次測(cè)量時(shí)的上、下庫(kù)水位條件不同。整體上看，較正常轉(zhuǎn)換，快速工況轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)組能夠快速穿越水力共振區(qū)，縮短共振轉(zhuǎn)速區(qū)間60%以上。

由圖11可見(jiàn)，無(wú)論正常轉(zhuǎn)換或快速轉(zhuǎn)換，水力共振時(shí)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻與機(jī)組轉(zhuǎn)速呈線性相關(guān)，均是一倍葉片通過(guò)頻率，對(duì)應(yīng)幅值均隨轉(zhuǎn)速增大先增大后減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了該過(guò)程中存在的水力共振現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)洪屏電站2號(hào)機(jī)組正常與快速抽水轉(zhuǎn)發(fā)電模式下機(jī)組監(jiān)控流程、運(yùn)行狀態(tài)量和穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：

（1） 較采用電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)方式的正常轉(zhuǎn)換，采用水力制動(dòng)的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間由438 s縮短至220 s，工況轉(zhuǎn)換時(shí)間顯著縮短，有利于抽水蓄能機(jī)組在新型電力系統(tǒng)中快速響應(yīng)負(fù)荷調(diào)整的需求；

（2） 采用振動(dòng)累積方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)正常轉(zhuǎn)換與快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)、擺度峰峰值進(jìn)行評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)結(jié)果表明：14個(gè)振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)點(diǎn)中13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)證明快速轉(zhuǎn)換有利于延長(zhǎng)機(jī)組預(yù)期壽命，快速轉(zhuǎn)換較正常轉(zhuǎn)換有利于機(jī)組的運(yùn)行安全；

（3） 在發(fā)電方向低轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)葉區(qū)存在明顯的水力共振現(xiàn)象，快速轉(zhuǎn)換較正常轉(zhuǎn)換將水力共振時(shí)間由15 s縮減至5 s，顯著縮短了水力共振的時(shí)間。

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)，拓展抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行方式，提高抽水蓄能機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷速度是必要的、可行的。由于真機(jī)試驗(yàn)限制，在快速水泵轉(zhuǎn)發(fā)電試驗(yàn)時(shí)，研究人員僅進(jìn)行了5%開度下的水力制動(dòng)試驗(yàn)，可以研究通過(guò)增大導(dǎo)葉開度以及優(yōu)化相關(guān)流程時(shí)序配合的方式，進(jìn)一步提升抽水蓄能機(jī)組響應(yīng)速度。

參考文獻(xiàn)

1

國(guó)家能源局. 抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）［EB/OL］. （2021-08）［2021-09-17］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2021-09/17/c_1310193456.htm. [百度學(xué)術(shù)]

2

陳同法， 張毅， 萬(wàn)正喜. 抽水蓄能電站緊急事故備用功能研究［J］. 水電與抽水蓄能， 2017， 3（3）： 47-49. [百度學(xué)術(shù)]

Chen Tongfa， Zhang Yi， Wan Zhengxi. Research on emergency reserve function of pumped-storage power station［J］. Hydropower and Pumped Storage， 2017， 3（3）： 47-49. [百度學(xué)術(shù)]

3

Chen Funan， Bi Huili， Ahn Soo-Hwang， et al. Investigation on dynamic stresses of pump-turbine runner during start up in turbine mode［J］. Processes， 2021， 9（3）： 499. [百度學(xué)術(shù)]

4

桂中華， 夏翔， 王薇， 等. 水泵水輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力分析［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（12）： 153-160. [百度學(xué)術(shù)]

Gui Zhonghua， Xia Xiang， Wang Wei， et al. Dynamic stress analysis of pump-turbine runner during start-up［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（12）： 153-160. [百度學(xué)術(shù)]

5

Li Zhongjie， Bi Huili， Karney Bryan， et al. Three-dimensional transient simulation of a prototype pump-turbine during normal turbine shutdown［J］. Journal of Hydraulic Research， 2017， 55（4）： 520-537. [百度學(xué)術(shù)]

6

Liu Quanzhou， Su Wentao， Li Xiaobin， et al. Dynamic characteristics of load rejection in reversible pump-turbine［J］. Renewable Energy， 2020， 146： 1922-1931. [百度學(xué)術(shù)]

7

Fu Xiaolong， Li Deyou， Wang Hongjie， et al. Energy analysis in a pump-turbine during the load rejection process［J］. Journal of Fluids Engineering， 2018， 140（10）： 101107. [百度學(xué)術(shù)]

8

Liu Demin， Zhang Xiaoxi， Yang Zhiyan， et al. Evaluating the pressure fluctuations during load rejection of two pump-turbines in a prototype pumped-storage system by using 1D-3D coupled simulation［J］. Renewable Energy， 2021， 171： 1276-1289. [百度學(xué)術(shù)]

9

張成華， 尤建峰， 泰榮， 等. 水泵水輪機(jī)水泵斷電飛逸過(guò)程壓力脈動(dòng)CFD模擬［J］. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2020， 39（4）： 62-72. [百度學(xué)術(shù)]

Zhang Chenghua， You Jianfeng， Tai Rong， et al. CFD simulations of pump-turbine runaway process pressure pulsation of a model pump-turbine［J］. Journal of Hydroelectric Engineering， 2020， 39（4）： 62-72. [百度學(xué)術(shù)]

10

王亮， 張飛， 狄洪偉， 等. 抽水蓄能機(jī)組水泵工況下斷電反轉(zhuǎn)特性分析［J］. 中國(guó)農(nóng)村水利水電， 2020（8）： 243-248. [百度學(xué)術(shù)]

Wang Liang， Zhang Fei， Di Hongwei， et al. Reversal rotation characteristic analysis of pump storage unit in pump load rejection［J］. China Rural Water and Hydropower， 2020（8）： 243-248. [百度學(xué)術(shù)]

11

茍東明， 郭鵬程， 羅興锜， 等. 抽水蓄能電站泵工況斷電飛逸過(guò)渡過(guò)程三維耦合數(shù)值研究［J］. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展， 2018， 33（1）： 28-39. [百度學(xué)術(shù)]

Gou Dongming， Guo Pengcheng， Luo Xingqi， et al. 3-D combined simulation of power-off runaway transient process of pumped storage power station under pump condition［J］. Journal of Hydrodynamics， 2018， 33（1）： 28-39. [百度學(xué)術(shù)]

12

Braun O， Ruchonnet N. Analysis of pressure pulsations during the fast transition of a pump turbine from pumping to generating mode［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2017， 813（1）： 012017. [百度學(xué)術(shù)]

13

Stens C， Riedelbauch S. Investigation of a fast transition from pump mode to generating mode in a model scale reversible pump turbine［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2016， 49（11）： 112001. [百度學(xué)術(shù)]

14

Stens C， Riedelbauch S. Influence of guide vane opening on the flow phenomena in a pump turbine during a fast transition from pump mode to generating mode［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2017， 813（1）： 012024. [百度學(xué)術(shù)]

15

Riedelbauch S， Stens C. Pump to turbine transient for a pump-turbine in a model test circuit and a real size power plant［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2019， 240（7）： 072039. [百度學(xué)術(shù)]

16

Svarstad M F， Nielsen T K. Pressure pulsations during a fast transition from pump to turbine mode of operation in laboratory and field experiment［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2019， 240（8）： 082006. [百度學(xué)術(shù)]

17

Nicolet C， Braun O， Ruchonnet N， et al. Simulation of pump-turbine prototype fast mode transition for grid stability support［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2017， 813（1）： 012040. [百度學(xué)術(shù)]

18

中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換技術(shù)導(dǎo)則： GB/T 32894—2016［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2016. [百度學(xué)術(shù)]

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standard Administration of the People’s Republic of China. Technical guide of mode transition for pumped storage unit ： GB/T 32894—2016［S］. Beijing： China Quality and Standards Publishing amp; Media Co.， Ltd.， 2016. [百度學(xué)術(shù)]

19

Giorgio Pavesi， Giovanna Cavazzini， Guido Ardizzon. Numerical analysis of the transient behavior of a variable speed pump-turbine during a pumping power reduction scenario［J］. Energies， 2016， 9（7）： 534. [百度學(xué)術(shù)]

20

張藍(lán)國(guó)， 周大慶， 陳會(huì)向. 抽蓄電站全過(guò)流系統(tǒng)水泵工況停機(jī)過(guò)渡過(guò)程CFD模擬［J］. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2015， 33（8）： 674-680. [百度學(xué)術(shù)]

Zhang Languo， Zhou Daqing， Chen Huixiang. CFD simulation of shutdown transient process of pumped storage power station under pump conditions［J］. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2015， 33（8）： 674-680. [百度學(xué)術(shù)]

21

Staubli T， Sallaberger M， Senn F. Instability of pump-turbines during start-up in turbine mode［C］//Proceedings of Hydro 2008. Ljubljana， Slovenia， 2010： 6-8. [百度學(xué)術(shù)]

22

中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).水力機(jī)械（水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)）振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程： GB/T 17189—2017［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2017. [百度學(xué)術(shù)]

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standard Administration of the People’s Republic of China. Code for field measurement of vibrations and pulsation in hydraulic machines （turbines， storage pumps and pump-turbines）： GB/T 17189—2017［S］. Beijing： China Quality and Standards Publishing amp; Media Co.， Ltd.， 2017. [百度學(xué)術(shù)]

23

張飛， 潘偉峰， 江獻(xiàn)玉， 等. 基于反時(shí)限方法的抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)保護(hù)模型［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2020， 56（18）： 188-196. [百度學(xué)術(shù)]

Zhang Fei， Pan Weifeng， Jiang Xianyu， et al. Vibration protection model of pumped-storage unit based on inverse-time method［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（18）： 188-196. [百度學(xué)術(shù)]

24

中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定 第5部分： 水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組： GB/T 11348.5—2008［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008. [百度學(xué)術(shù)]

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standard Administration of the People’s Republic of China. Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts—Part 5： machine sets in hydraulic power generating and pumping plants： GB/T 11348.5—2008［S］. Beijing： China Quality and Standards Publishing amp; Media Co.， Ltd.， 2008 [百度學(xué)術(shù)]

25

中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)組的機(jī)械振動(dòng) 第5部分 水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組： GB/T 6075.5—2002 ［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2002. [百度學(xué)術(shù)]

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts—Part 5： machine sets in hydraulic power generating and pumping plants： GB/T 6075.5—2002 ［S］. Beijing： China Quality and Standards Publishing amp; Media Co.， Ltd.， 2002. [百度學(xué)術(shù)]