抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換過程中無葉區(qū)壓力特性

付 婧，張 飛

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 信息中心，北京 100048；2.國網(wǎng)新源控股有限公司 技術(shù)中心，北京 100161）

1 研究背景

抽水蓄能機(jī)組無葉區(qū)（轉(zhuǎn)輪葉片與活動導(dǎo)葉之間區(qū)域）壓力脈動是機(jī)組及廠房振動的主要振源［1］，屬于典型的水力激振源。通常情況下無葉區(qū)含有豐富的頻率成分，包括：動靜干涉頻率、葉片過流頻率、轉(zhuǎn)頻及其倍頻等。這些頻率成分通過蝸殼、機(jī)墩以及轉(zhuǎn)輪、軸系等方式傳播至機(jī)組及廠房［2］，引起結(jié)構(gòu)件的振動，造成機(jī)組性能劣化，影響機(jī)組運行穩(wěn)定性，并對機(jī)組的預(yù)期壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響［3-4］，左志剛、劉樹紅等人從數(shù)值模擬、試驗分析兩方面對無葉區(qū)動靜干涉所產(chǎn)生的壓力脈動及其與廠房的關(guān)系等方面進(jìn)行了詳細(xì)綜述［5］。目前，針對常規(guī)水電機(jī)組包含動靜干涉等頻率成分的無葉區(qū)壓力脈動研究主要集中在偏離設(shè)計點的運行工況［6-8］、開機(jī)過程［9-10］以及飛逸工況［11］等。考慮到抽水蓄能機(jī)組的運行特性，對于開機(jī)工況的研究主要包括水泵工況和水輪機(jī)工況開機(jī)，而對工況轉(zhuǎn)換過程中的無葉區(qū)壓力脈動關(guān)注則鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報道?；诖?，本文對兩個典型工況轉(zhuǎn)換過程：抽水方向調(diào)相（Synchronous Condenser Pump，SCP）轉(zhuǎn)抽水（Pumping Operation，PO）和發(fā)電方向調(diào)相（Synchronous Condenser Turbine，SCT）轉(zhuǎn)發(fā)電（Generating Operation，GO）過程中無葉區(qū)壓力、有功功率、導(dǎo)葉開度等進(jìn)行了觀測，采用相關(guān)技術(shù)手段獲得了葉片過流頻率、動靜干涉產(chǎn)生的過程。

2 工況轉(zhuǎn)換流程

抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中承擔(dān)功能包含事故備用、調(diào)峰、調(diào)頻等重要功能，因此要求機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)各種運行工況間的快速轉(zhuǎn)換［12］。抽水蓄能機(jī)組典型工況轉(zhuǎn)換主要有抽水方向調(diào)相（SCP）與抽水工況（PO）相互轉(zhuǎn)換、發(fā)電方向調(diào)相（SCT）與發(fā)電工況（GO）相互轉(zhuǎn)換以及水泵工況（PO）向發(fā)電方向轉(zhuǎn)換（GO）等過程，見圖1所示。

圖1 工況轉(zhuǎn)換圖

考慮到系統(tǒng)存在由于短路等相關(guān)故障而導(dǎo)致的頻率突然降低可能，因此在工況轉(zhuǎn)換圖中存在PO向GO轉(zhuǎn)換的情況發(fā)生。對于電力系統(tǒng)而言，發(fā)電負(fù)荷均根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對負(fù)荷進(jìn)行有序調(diào)整，因此抽水蓄能機(jī)組一般不設(shè)置GO向PO轉(zhuǎn)換。PO向GO轉(zhuǎn)換可以分解成PO向停機(jī)熱備轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步由停機(jī)熱備向GO轉(zhuǎn)換，即可以看做PO停機(jī)，然后GO開機(jī)并帶負(fù)荷。而PO停機(jī)與GO開機(jī)帶負(fù)荷過程相關(guān)研究已有大量報道［5］，本文不在贅述。故著重分析SCP與PO以及SCT與GO之間的相互轉(zhuǎn)換過程中的無葉區(qū)壓力脈動情況。

通常調(diào)相工況運行時，在離心力的影響下迷宮環(huán)冷卻水沿活動導(dǎo)葉表面流動，無葉區(qū)靠近活動導(dǎo)葉側(cè)將形成水環(huán)。受水環(huán)厚度影響，一方面過厚的水環(huán)將造成機(jī)組吸入有功功率增大，引起機(jī)組振動增大；另一方面水環(huán)可以密封轉(zhuǎn)輪室內(nèi)氣體同時對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行冷卻［13］。調(diào)相時無葉區(qū)壓力取決于下庫尾水位，其壓力脈動取決于水環(huán)厚度。水環(huán)設(shè)計合理的機(jī)組，水環(huán)厚度適中并不引起明顯的無葉區(qū)壓力脈動，其數(shù)值較有水工況小。故下文著重研究有水情況下的壓力脈動數(shù)據(jù)。

圖2 SCP向PO及SCT向GO轉(zhuǎn)換流程

圖3 PO向SCP及GO向SCT轉(zhuǎn)換流程圖

抽水蓄能電站通常在上游側(cè)引水管路末端與蝸殼進(jìn)口段的聯(lián)結(jié)部分設(shè)置球閥，用于停機(jī)時遮斷水流以便機(jī)組檢修，或者參與機(jī)組運行時的動水條件下調(diào)節(jié)保障等功能。這一條件下機(jī)組SCP與PO以及SCT與GO之間廣泛采用的典型工況轉(zhuǎn)換流程分別見圖2和圖3所示。

根據(jù)工況轉(zhuǎn)換流程圖2和圖3，本文所研究的過渡過程無葉區(qū)壓力脈動是指：在SCP向PO轉(zhuǎn)換時，無葉區(qū)壓力脈動自球閥工作密封退出、調(diào)用排氣回水流程開始形成時產(chǎn)生，至機(jī)組導(dǎo)葉開度至協(xié)聯(lián)時結(jié)束；在SCT向GO轉(zhuǎn)換時無葉區(qū)壓力脈動亦自球閥工作密封退出、調(diào)用排氣回水流程開始，至導(dǎo)葉開度至指定負(fù)荷點結(jié)束。對于PO向SCP和GO向SCT轉(zhuǎn)換時則分別是SCP向PO和SCT向GO的反過程，具有對稱性。本文以調(diào)相工況向有水工況轉(zhuǎn)換過程為對象進(jìn)行分析。

3 機(jī)組參數(shù)與測點信息

某抽水蓄能電站立軸、單機(jī)、混流可逆式水泵水輪機(jī)主要參數(shù)如下：

水輪機(jī)工況額定出力：382.7 MW

額定水頭：428 m

額定流量：96.34 m3/s

額定轉(zhuǎn)速375 rpm

水泵工況最大凈水頭：492.33 m

相應(yīng)流量：85.51 m3/s

最小凈水頭：421.86 m

相應(yīng)流量：92.75 m3/s

圖4 無葉區(qū)壓力測點位置圖

無葉區(qū)壓力傳感器采用通用電氣公司生產(chǎn)的PTX5072型壓力傳感器，精度為±0.2%，頻響范圍0～5kHz（-3dB）。

無葉區(qū)壓力脈動測點布置在頂蓋上，對稱布置，與廠房橫向中心線夾角分別為45°和225°，見圖4所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用HBM公司的QuantumX MX840A-P，其采樣精度為24位A/D，采樣率為600 Hz。

工況轉(zhuǎn)換過程中，對導(dǎo)葉開度、機(jī)組吸入有功功率和無葉區(qū)壓力進(jìn)行連續(xù)采集。

圖5 SCP向PO轉(zhuǎn)換時有功、導(dǎo)葉開度與無葉區(qū)壓力錄波

圖6 SCP向PO轉(zhuǎn)換時無葉區(qū)壓力脈動項與趨勢項

4 SCP轉(zhuǎn)PO時無葉區(qū)壓力脈動分析

由于水泵水輪機(jī)在正常啟機(jī)抽水時，首先經(jīng)靜止變頻器（Static Frequency Converter，SFC）拖動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)，并網(wǎng)后工況即SCP工況，短時SCP運行即向PO工況轉(zhuǎn)換，故SCP工況向PO工況轉(zhuǎn)換是發(fā)生最高的工況轉(zhuǎn)換過程。典型SCP向PO工況轉(zhuǎn)換時有功功率、導(dǎo)葉開度和無葉區(qū)壓力數(shù)據(jù)見圖5所示（考慮到兩個壓力測點數(shù)據(jù)趨勢一致，以下分析以P1測點為例進(jìn)行分析）。圖5中為SCP穩(wěn)定運行10 min后向PO工況轉(zhuǎn)換過程的錄波圖。根據(jù)機(jī)組吸入有功功率及導(dǎo)葉開度變化情況，圖中給出了6個關(guān)鍵時刻點。

圖5可見：在T1時刻前SCP穩(wěn)定運行時機(jī)組吸入功率與無葉區(qū)壓力數(shù)值穩(wěn)定；當(dāng)上位機(jī)或LCU啟動工況轉(zhuǎn)換流程之后，同時啟動排氣回水流程并發(fā)出退出球閥工作密封指令，在T1至T2時刻之間執(zhí)行球閥工作密封退出工作，密封退出后啟動球閥開啟流程，這一時間段內(nèi)由于蝸殼內(nèi)水壓力由下庫水位作用變換為上庫水位壓力，水環(huán)厚度隨著球閥漏水量增大而逐漸增大，導(dǎo)致機(jī)組吸入功率與無葉區(qū)壓力也逐漸增大；T2時刻之后，機(jī)組吸入功率不受尾水水位上升的影響，頂蓋排氣過程中轉(zhuǎn)輪濺水后亦基本不受排氣過程的影響，無葉區(qū)壓力逐漸增大；T3時刻時頂蓋排氣完畢，排氣閥開始關(guān)閉，此后至T4時間段內(nèi)（T4時刻對應(yīng)頂蓋排氣閥完全關(guān)閉）轉(zhuǎn)輪開始造壓，無葉區(qū)壓力急劇增大，機(jī)組吸入功率也增大，形成濺水功率；機(jī)組在T4至T5期間形成穩(wěn)定的濺水功率，使其具備泵水條件；T5時刻，機(jī)組導(dǎo)葉開啟，至T6時刻完成第一階段導(dǎo)葉開啟工作；T6時間之后，導(dǎo)葉開啟尋優(yōu)工作，從而正式進(jìn)入泵水工況。上述過程中無葉區(qū)壓力脈動項及趨勢項情況見圖6所示。

從圖6可以看出：在T1時刻之前機(jī)組SCP工況穩(wěn)定運行時脈動項混頻幅值的均值為2.7 kPa，表明SCP工況運行時無葉區(qū)壓力脈動處在較小的水平上；當(dāng)球閥工作密封退出后T2至T3時無葉區(qū)壓力脈動保持恒定，亦說明在尾水水位上升期間及頂蓋排氣完成前時間段內(nèi)，無葉區(qū)壓力脈動雖然較T1之前明顯增大，但保持較為恒定，其混頻幅值的均值在68.2 kPa，引起增大的原因可以解釋為水環(huán)工作密封退出后，蝸殼內(nèi)水壓由下庫壓力變?yōu)樯蠋靿毫?，使水環(huán)厚度明顯增大，摩擦損耗大幅增加，造成吸入功率增大；在T4與T5時間段轉(zhuǎn)輪造壓期間一方面無葉區(qū)壓力均值達(dá)到最大，以便機(jī)組形成揚程具備泵水條件，另一方面無葉區(qū)壓力脈動達(dá)到最大，此時在無葉區(qū)高幅值壓力脈動的影響下機(jī)組振動、擺度混頻幅值亦達(dá)到最大；當(dāng)導(dǎo)葉打開后，無葉區(qū)壓力脈動混頻幅值隨著導(dǎo)葉開度的增大逐漸減小，至T6時刻之后穩(wěn)定，且基本不受導(dǎo)葉開度進(jìn)一步增大的影響。

為進(jìn)一步研究頻率變化情況，采用短時傅里葉變換（Short-Time-Fourier-Transform，ST?FT）方法對這一過程無葉區(qū)壓力進(jìn)行分析，考慮到漢寧窗具有較好的頻率分辨率及其良好的抑制泄露能力，對數(shù)據(jù)采用漢寧窗進(jìn)行加窗操作。分析時滑移步長取0.33 s，窗口時間長度2s。

圖7可見：在T1時刻之前SCP穩(wěn)定運行時無葉區(qū)壓力不存在葉片過流頻率及其倍頻；在T1和T2之間，球閥工作密封退出后，蝸殼內(nèi)水壓力由尾水壓力增大至上游側(cè)壓力，水環(huán)厚度增加，無葉區(qū)產(chǎn)生一倍葉片過流頻率56.25 Hz（葉片數(shù)9×轉(zhuǎn)頻6.25 Hz）；在T2時刻之后，48 s時產(chǎn)生動靜干涉頻率［14］112.50Hz（兩倍葉片過流頻率），根據(jù)整個回水排氣流程所對應(yīng)的時間約61s，這一時刻對應(yīng)于轉(zhuǎn)輪觸水時刻，即當(dāng)轉(zhuǎn)輪接觸水的瞬間；在T3～T5之間轉(zhuǎn)輪造壓過程中，水泵流量為零，在額定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，無葉區(qū)流態(tài)復(fù)雜不穩(wěn)定，產(chǎn)生復(fù)雜的低頻壓力脈動，造成機(jī)組及廠房的振動加大；T5之后，隨著導(dǎo)葉的開啟，機(jī)組低頻壓力脈動逐漸減?。辉趯?dǎo)葉尋優(yōu)的過程中，無葉區(qū)壓力脈動以一倍葉片過流頻率和動靜干涉頻率為主頻。

圖7 SCP向PO轉(zhuǎn)換時無葉區(qū)壓力短時傅里葉變換圖

5 SCT轉(zhuǎn)GO時無葉區(qū)壓力脈動分析

SCT轉(zhuǎn)GO時機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度和無葉區(qū)壓力見圖8所示。根據(jù)機(jī)組有功功率及導(dǎo)葉開度變化，圖中給出了5個關(guān)鍵時間點。

圖8可見：在T1時刻前機(jī)組SCT穩(wěn)定運行，機(jī)組吸入功率保持恒定；T1時刻后球閥工作密封退出至T2時刻時工作密封退出到位，當(dāng)工作密封退出瞬間機(jī)組吸入功率增大，無葉區(qū)壓力急劇增大；密封退出到位，球閥開啟過程中以及排氣回水過程中機(jī)組吸入功率基本保持恒定；T2至T3期間，在回水排氣流程期間，無葉區(qū)建壓至恒定值；頂蓋排氣閥自T3時開始關(guān)閉，至T4時關(guān)閉結(jié)束，在此之間機(jī)組流量為零，機(jī)組吸入功率增大，無葉區(qū)壓力達(dá)到最大；T4時至T5時刻之間時，由于頂蓋排氣閥已完全關(guān)閉且導(dǎo)葉尚未打開，因此吸入功率基本保持穩(wěn)定，而壓力脈動則達(dá)到最大；此后，T5時導(dǎo)葉開啟，受限于導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)葉前壓力與無葉區(qū)水壓進(jìn)行消減，從而導(dǎo)致機(jī)組吸入功率達(dá)到最大，在此之后隨著導(dǎo)葉開度的增大，機(jī)組有功功率逐漸增大，并由吸入轉(zhuǎn)為發(fā)出功率。上述過程無葉區(qū)壓力趨勢及脈動見圖9所示。

圖9 SCT向GO轉(zhuǎn)換時無葉區(qū)壓力脈動項與趨勢項

圖9可見：SCT轉(zhuǎn)GO過程中壓力脈動自T1時刻球閥工作密封退出時增大，至T5導(dǎo)葉開始打開時壓力脈動基本保持在恒定的水平上，這一現(xiàn)象可以解釋為工作密封退出后，水環(huán)厚度增加，導(dǎo)致摩擦損耗增大，壓力脈動增大，從而吸入功率亦增大；在回水排氣過程無葉區(qū)壓力雖然增大，而壓力脈動基本保持恒定，這一過程中無葉區(qū)壓力基本與吸入功率絕對值趨勢一致；T5之后導(dǎo)葉開啟，在小負(fù)荷區(qū)20MW附近達(dá)到最大。上述過程無葉區(qū)壓力側(cè)點的短時傅里葉變換結(jié)果見圖10所示。參數(shù)設(shè)置與圖7一致。

圖10可見：SCT轉(zhuǎn)GO時無葉區(qū)一倍葉片過流頻率產(chǎn)生時間與SCP轉(zhuǎn)PO時一致，均是在球閥密封退出后活動導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)水環(huán)厚度增大后產(chǎn)生；SCT轉(zhuǎn)GO時的動靜干涉頻率幅值弱于SCP轉(zhuǎn)PO過程，其產(chǎn)生時間與一倍葉片過流頻率基本一致；相較于SCP轉(zhuǎn)PO工況，SCT轉(zhuǎn)GO時將激發(fā)169 Hz左右與260 Hz左右頻率成分，這一頻率在工況轉(zhuǎn)換時呈帶狀均勻分布在頻譜中，可能是由空化情況所導(dǎo)致。

圖10 SCT向GO轉(zhuǎn)換時無葉區(qū)壓力短時傅里葉變換圖

6 結(jié)論

本文對抽水蓄能機(jī)組SCT轉(zhuǎn)GO和SCP轉(zhuǎn)PO兩個工況轉(zhuǎn)換過程中的無葉區(qū)壓力采用時域混頻幅值與時頻域窗口傅里葉變換方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，獲得以下結(jié)論：

（1）工況轉(zhuǎn)換過程中，因球閥工作密封退出導(dǎo)致蝸殼水壓增大，水環(huán)厚度增大，從而導(dǎo)致機(jī)組吸入功率增大；排氣回水過程中機(jī)組吸入功率保持恒定。

（2）工況轉(zhuǎn)換過程中，球閥工作密封退出后及排氣回水過程中，無葉區(qū)壓力增大，至頂蓋排氣閥關(guān)閉瞬間達(dá)到最大值。

（3）SCP轉(zhuǎn)PO時，無葉區(qū)壓力脈動在轉(zhuǎn)輪造壓時最大；SCT轉(zhuǎn)GO時，無葉區(qū)壓力脈動在導(dǎo)葉開啟后的小負(fù)荷區(qū)時最大。

（4）工況轉(zhuǎn)換過程中無葉區(qū)存在明顯的一倍葉片過流頻率與動靜干涉頻率；受水環(huán)厚度影響，一倍葉片過流頻率起源于球閥密封退出瞬間；SCP轉(zhuǎn)PO時，動靜干涉頻率起源于排氣回水過程中尾水與轉(zhuǎn)輪接觸瞬間；SCT轉(zhuǎn)GO時，動靜干涉頻率與葉片過流頻率同時產(chǎn)生。

［1］ 袁壽其，方玉建，袁建平，等.我國已建抽水蓄能電站機(jī)組振動問題綜述［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2015，34（11）：1-15

［2］ 馬震岳，董毓新.水電站機(jī)組及廠房振動的研究與治理［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：35-36

［3］ OHASHI H.Case study of pump failure due to rotor-stator interaction［J］.International Journal of Rotating Ma?chinery，1994，1（1）：53-60.

［4］ EGUSQUIZA E，VALERO C，HUANG XX，et al.Failure investigation of a large pump-turbine runner［C］//Eng Fail Anal，2012，23：27-34.

［5］ ZUO Z，LIU S，SUN Y，et al.Pressure fluctuations in the vaneless space of High-head pump-turbines—A review［J］.Renewable&Sustainable Energy Reviews，2015，41：965-974.

［6］ RAN HJ，LUO XW，ZHU L，et al.Experimental study of the pressure fluctuations in a pump turbine at large par?tial flow conditions［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012，25：1-5.

［7］ YAN JP，SEIDEL U，KOUTNIK J.Numerical simulation of hydrodynamics in a pump turbine at off-design oper?ating conditions in turbine mode［C］//26th IAHR symposium on hydraulic machinery and system.Beijing，China，2012.

［8］ GUO L，LIU JT，WANG LQ，et al.Pressure fluctuation propagation of a pump turbine at pump mode under low head condition［J］.Science China of Technical Science，2014，57（4）：811-818.

［9］ XIAO YX，SUN DG，WANG ZW.Numerical analysis of unsteady flow behavior and pressure pulsation in pump turbine with misaligned guide vanes［C］//26th IAHR symposium on hydraulic machinery and system.Beijing，Chi?na，2012.

［10］ LIU DM，ZHENG JS，SHI QH.Numerical simulation on the S characteristics and pressure fluctuation of reduced pump turbine a start-up condition［C］//26th IAHR symposium on hydraulic machinery and system，Beijing，Chi?na，2012.

［11］ 楊建東，胡金弘，曾威，等.原型混流式水泵水輪機(jī)過渡過程中的壓力脈動［J］.水利學(xué)報，2016，47（7）：858-864.

［12］ 高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：1-6.

［13］ 徐桅，潘雪石.張河灣抽水蓄能電站機(jī)組水環(huán)設(shè)計與現(xiàn)狀分析［J］.水電與新能源，2016（1）：46-48.

［14］ NICOLAS R，CHRISTOPHE N，F(xiàn)RANCOIS A.Hydroacoustic modeling of rotor stator interaction in Francis pump-turbine［C］//IAHR Int.Meeting of WG on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems，Barcelona，2006.