抽水蓄能機(jī)組“S”特性對(duì)穩(wěn)定性影響研究

（1南京南瑞集團(tuán)公司 南京 211106；2華東宜興抽水蓄能有限公司 宜興 214205

3河海大學(xué) 江蘇 南京 210098 ）

[摘 要] 抽水蓄能技術(shù)的核心問(wèn)題在于可逆式機(jī)組的“S”特性，“S”特性對(duì)機(jī)組正常工況運(yùn)行以及過(guò)渡工況運(yùn)行的穩(wěn)定性起著決定性的作用。本文從抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪“S”特性機(jī)理出發(fā)，揭示“S”特性對(duì)機(jī)組開機(jī)啟動(dòng)方式、正常運(yùn)行穩(wěn)定性以及甩負(fù)荷工況壓力脈動(dòng)變化規(guī)律的影響，對(duì)蓄能機(jī)組的選型設(shè)計(jì)有借鑒意義。

[關(guān)鍵詞] 抽水蓄能機(jī)組 “S”特性 水力阻抗 壓力脈動(dòng)

1 引言

抽水蓄能機(jī)組的“S”特性是影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，該區(qū)域內(nèi)機(jī)組在同一單位轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)三種不同單位流量，這種正負(fù)流量的相互轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致正反向轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，極易造成機(jī)組構(gòu)件的破壞[4]。在轉(zhuǎn)輪“S”特性區(qū)水流流態(tài)十分紊亂，紊流引發(fā)的壓力脈動(dòng)是產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)的重要原因之一，特別對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的大型機(jī)組，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致機(jī)組構(gòu)件疲勞性破壞以及尾水流道內(nèi)汽蝕，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)壓力脈動(dòng)特性以及機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性，不僅有助于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可對(duì)可逆式機(jī)組選型設(shè)計(jì)提供建議。

針對(duì)可逆式機(jī)組的壓力脈動(dòng)問(wèn)題，不少學(xué)者做過(guò)研究。錢忠東等人[1]分別采用不同模型對(duì)模型水輪機(jī)全流道內(nèi)的三維非定常湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及尾水管壓力脈動(dòng)的特征，得到模擬壓力脈動(dòng)的較優(yōu)模型。劉樹紅等人[2]利用SST k-ω湍流模型開展了水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況下不同位置的壓力脈動(dòng)的研究。研究結(jié)果表明壓力脈動(dòng)的幅值和頻率在不同位置均不同，且有明確的傳遞特性。孫躍昆等人[3]根據(jù)真機(jī)實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)結(jié)果對(duì)機(jī)組開機(jī)過(guò)程無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)進(jìn)行深入分析，獲得開機(jī)過(guò)程無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值及頻譜特性。已有成果多為機(jī)組不同位置壓力脈動(dòng)特性的研究，而涉及“S”特性對(duì)機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性影響的并不多見。

本文結(jié)合真機(jī)實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)數(shù)值，對(duì)機(jī)組“S”特性區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值特性進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討“S”特性區(qū)單位轉(zhuǎn)速及單位流量變化對(duì)機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性影響的規(guī)律，對(duì)水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型工作提出建議。

2 正常運(yùn)行工況“S”特性對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響

抽水蓄能機(jī)組在水輪機(jī)工況開機(jī)啟動(dòng)時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉逐漸開啟，機(jī)組轉(zhuǎn)輪達(dá)到空載開度下的飛逸狀態(tài)，此時(shí)水泵水輪機(jī)處于空載開度下的“S”區(qū)。此時(shí)增加負(fù)荷，機(jī)組則不可避免進(jìn)入反水泵區(qū)，最終導(dǎo)致機(jī)組并網(wǎng)困難。采用非同步導(dǎo)葉（MGV）可有效解決機(jī)組并網(wǎng)困難的問(wèn)題，但MGV裝置破壞了流場(chǎng)的流動(dòng)對(duì)稱性，增強(qiáng)機(jī)組的壓力脈動(dòng)。機(jī)組在水輪機(jī)工況正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行軌跡沿著等開度線延伸，若正常運(yùn)行等開度線上單位流量隨單位轉(zhuǎn)速變化規(guī)律復(fù)雜，也會(huì)產(chǎn)生正常流態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，引起機(jī)組振動(dòng)。本節(jié)對(duì)比兩套相近轉(zhuǎn)輪曲線正常運(yùn)行范圍的不同“S”特性，結(jié)合各自的開機(jī)方式以及運(yùn)行特點(diǎn)，分析機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)“S”特性對(duì)穩(wěn)定性影響。轉(zhuǎn)輪流量特性曲線如圖1、圖2所示。

圖1 曲線1正常運(yùn)行范圍圖2 曲線2正常運(yùn)行范圍

分析曲線1的正常運(yùn)行區(qū)可知，曲線1的正常運(yùn)行區(qū)離“S”區(qū)很近，正常運(yùn)行區(qū)包含了約50%等開度線的整個(gè)“S”區(qū)。曲線1正常運(yùn)行的較多區(qū)域已經(jīng)較多處于“S”區(qū)。因此，轉(zhuǎn)輪1全水頭開機(jī)啟動(dòng)均需要投入非同步導(dǎo)葉，擾亂了水流流態(tài)，引發(fā)壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，帶正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪1的單位流量同單位轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律復(fù)雜，流態(tài)較為紊亂，正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組伴隨著振動(dòng)現(xiàn)象。

分析曲線2的正常運(yùn)行區(qū)可知，曲線2的正常運(yùn)行區(qū)離“S”區(qū)較遠(yuǎn)，正常運(yùn)行區(qū)僅包含了約10%等開度線的整個(gè)“S”區(qū)，在大開度區(qū)的等開度線過(guò)渡平緩，因此，轉(zhuǎn)輪2僅在小部分水頭段開機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要投入非同步導(dǎo)葉。同時(shí)，帶正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪2的單位流量同單位轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一致，運(yùn)行穩(wěn)定性較好。

以上分析可知，機(jī)組正常運(yùn)行區(qū)的“S”特性范圍對(duì)機(jī)組開機(jī)穩(wěn)定性以及正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性均有較大影響。正常運(yùn)行范圍離“S”區(qū)越遠(yuǎn)，包含完整“S”特性的等開度線條數(shù)越少，機(jī)組運(yùn)行越穩(wěn)定。

3 甩負(fù)荷過(guò)程“S”區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值特性

抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程，運(yùn)行軌跡恰好經(jīng)過(guò)“S”區(qū)。因此，轉(zhuǎn)輪“S”區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)速流量變化特性對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性有重要影響。有文獻(xiàn)描述，引起可逆式機(jī)組過(guò)流系統(tǒng)不穩(wěn)定的機(jī)理是：機(jī)組引用流量隨水頭的增大而減小，此時(shí)機(jī)組水力阻抗值為負(fù)：

式中： 為單位轉(zhuǎn)速，r/min； 為單位流量，m3/s； 為機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min； 為機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑，m。

因水輪機(jī)工況、、均為正值，則< 0時(shí)，即時(shí)，該工況點(diǎn)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。本文根據(jù)真機(jī)實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)幅值結(jié)果，對(duì)此公式的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)甩負(fù)荷過(guò)程“S”區(qū)機(jī)組壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)判。

（a）（b）

圖3 電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定區(qū)域示意圖（時(shí)間起點(diǎn)以斷路器跳閘為起始點(diǎn)）

表1 實(shí)測(cè)脈動(dòng)幅值與穩(wěn)定性對(duì)比表

工況點(diǎn) 大小脈動(dòng)壓力幅值（m）

3s-0.01000 0.00155 >010.7

3.5s-0.00800 0.00142 >010.7

4s-0.01667 0.00134 >021.4

4.5s-0.00400 0.00125 >010.1

6.5s0.01560 0.00084 <030.2

7s0.01310 0.00074 <041.5

7.5s0.01200 0.00064 <036.1

8s0.01190 0.00052 <021.0

如圖3所示，紅線為穩(wěn)定工況區(qū)與非穩(wěn)定工況區(qū)的分界線。等開度線水輪機(jī)工況區(qū)第一個(gè)折點(diǎn)過(guò)后機(jī)組單位流量隨單位轉(zhuǎn)速的減小而減小，斜率迅速由負(fù)斜率變?yōu)檎甭剩M(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)。而一般抽蓄機(jī)組全特性曲線的“S”區(qū)在此點(diǎn)過(guò)后還會(huì)經(jīng)過(guò)一段負(fù)斜率的過(guò)渡區(qū)才會(huì)逐漸轉(zhuǎn)為正斜率區(qū)，即非穩(wěn)定區(qū)。因此，該電站的非穩(wěn)定工況區(qū)十分寬廣。同時(shí)，該電站采用導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉規(guī)律使機(jī)組運(yùn)行軌跡線順著全特性曲線走勢(shì)延伸，很快進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。以上說(shuō)明，全特性曲線的“S”特性也會(huì)影響到機(jī)組的穩(wěn)定性問(wèn)題。

表1中數(shù)據(jù)可知，根據(jù)公式判定，甩負(fù)荷開始后3s、3.5s、4s、4.5s時(shí)刻工況點(diǎn)均大于零，處于穩(wěn)定區(qū)，脈動(dòng)幅值相對(duì)較小，最大有21.4m；甩負(fù)荷開始后6.5s、7s、7.5s、8s時(shí)刻工況點(diǎn)的均小于零，處于非穩(wěn)定區(qū)，脈動(dòng)壓力驟然增大。所以該電站在導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉10s內(nèi)出現(xiàn)很強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。

綜合以上分析可得，抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程，機(jī)組不穩(wěn)定區(qū)域越大，即< 0的區(qū)域越大，機(jī)組脈動(dòng)壓力幅值越大，持續(xù)時(shí)間越久。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行范圍以及甩負(fù)荷工況區(qū)的“S”特性及機(jī)組穩(wěn)定性的分析，得出了水輪機(jī)工況“S”特性對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響。具體結(jié)論如下：

機(jī)組正常運(yùn)行區(qū)“S”特性范圍對(duì)機(jī)組開機(jī)穩(wěn)定性以及正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性均有較大影響。正常運(yùn)行范圍離“S”區(qū)越遠(yuǎn)，包含完整“S”特性的等開度線條數(shù)越少，機(jī)組開機(jī)啟動(dòng)需投入MGV裝置的工況越少，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性越好。

抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過(guò)程，機(jī)組不穩(wěn)定區(qū)域越大，即< 0的區(qū)域越大，機(jī)組脈動(dòng)壓力幅值越大，持續(xù)時(shí)間越久。

參考文獻(xiàn)

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