大型抽水蓄能機(jī)組水力穩(wěn)定性分析及其預(yù)控措施

羅成宗，張　飛

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺(tái)州 317312；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161）

為滿足國(guó)家重要能源戰(zhàn)略需求，我國(guó)抽水蓄能建設(shè)在十三五期間邁入跨越式發(fā)展階段，已投運(yùn)包括浙江仙居、江西洪屏、廣東清遠(yuǎn)等三座大型抽蓄機(jī)組，將投運(yùn)河北豐寧、安微績(jī)溪、吉林敦化、海南?？诘却笮统樗钅軝C(jī)組。較常規(guī)機(jī)組而言，抽水蓄能機(jī)組具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、雙向運(yùn)行、水力、電氣和機(jī)械激振頻率范圍寬、頻繁啟停及工況轉(zhuǎn)換、振動(dòng)傳遞路徑復(fù)雜等特點(diǎn)。這導(dǎo)致抽水蓄能電站機(jī)組和廠房振動(dòng)、噪聲問(wèn)題較常規(guī)機(jī)組突出。張河灣機(jī)組投運(yùn)后由水力因素引發(fā)的機(jī)組與廠房振動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重且廠房噪聲嚴(yán)重超標(biāo)[1]。國(guó)內(nèi)某電站機(jī)組額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)層板梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)最大幅值為5.66 m/s2，位移響應(yīng)最大幅值為0.577 mm，板梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)明顯裂縫，裂縫最大寬度0.4 mm，最大深度達(dá)220 mm；天荒坪[2]、宜興[3]等機(jī)組在調(diào)試階段均發(fā)生小開(kāi)度下空載不穩(wěn)定造成的機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題等。上述問(wèn)題不僅影響了電站及電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，也對(duì)運(yùn)行人員的工作環(huán)境及身心健康造成不利影響。因此，在現(xiàn)有抽水蓄能電站在機(jī)組選型設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)及穩(wěn)定性研究等基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)建成或正在建設(shè)的大型抽水蓄能電站機(jī)組的選型設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)及穩(wěn)定性現(xiàn)狀為參考，結(jié)合電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，提出抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)、壓力脈動(dòng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及安全運(yùn)行區(qū)域建議，對(duì)已投運(yùn)的抽水蓄能電站機(jī)組和廠房振動(dòng)提出具有可行性的減振控制改進(jìn)措施，探索研究抽蓄機(jī)組振動(dòng)、脈動(dòng)控制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究大型抽水蓄能電站機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)合理可行的減振、避振措施，提出在確保機(jī)組振動(dòng)滿足要求方面需要進(jìn)行的各項(xiàng)振動(dòng)控制措施與要求，是目前抽水蓄能建設(shè)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

抽水蓄能電站機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜、涉及面廣的課題，它的研究對(duì)象是由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸承、機(jī)架和混凝土支撐結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及到流體、電磁等介質(zhì)。研究理論涉及到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、電磁動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的交叉。研究方法上，既要研究各個(gè)部件的振動(dòng)特性，又要將各個(gè)部件組成系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，并將理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合起來(lái)，才能較為全面地認(rèn)識(shí)地下廠房的振動(dòng)問(wèn)題，從而為避免由于振動(dòng)帶來(lái)的危害提供理論依據(jù)。

1　振動(dòng)源分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，引起抽水蓄能電站機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振源主要來(lái)自三個(gè)方面：水力振源、機(jī)械振源、電磁振源，其中尤以水力振源最為突出。蓄能機(jī)組普遍采用地下式廠房，水泵水輪機(jī)按照水泵工況設(shè)計(jì)、水輪機(jī)工況校核，安裝高程主要由水泵工況所決定，葉輪比轉(zhuǎn)速較低，因此水輪機(jī)工況的部分負(fù)荷下壓力脈動(dòng)問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)并不突出。但由于比轉(zhuǎn)速的降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪扁平化，從而使得葉輪流道相對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)葉區(qū)空間受到限制，因此蓄能機(jī)組普遍存在由不穩(wěn)定流場(chǎng)和轉(zhuǎn)輪葉片與活動(dòng)導(dǎo)葉之間的流體動(dòng)力干涉產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉（Rotor Stator Interference，RSI）和相位共振（Phase Resonance，PR）問(wèn)題。除此之外，“S”區(qū)的存在導(dǎo)致壓力脈動(dòng)增大的同時(shí)也將影響機(jī)組正常并網(wǎng)，水泵工況的空化亦引起機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行。與常規(guī)水輪機(jī)類似，部分負(fù)荷及小開(kāi)度的卡門渦、過(guò)渡過(guò)程尾水管中水柱分離引起的大幅壓力脈動(dòng)在水泵水輪機(jī)上也偶有存在?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料表明，機(jī)組擺度測(cè)點(diǎn)主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻、尾水管渦帶頻率。機(jī)組振動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻及其倍頻、葉片通過(guò)頻率及其倍頻率、尾水管渦帶頻率、極振頻率及其倍頻。分析認(rèn)為出現(xiàn)這些頻率的可能原因如下：

1.1　動(dòng)靜干涉

動(dòng)靜干涉是指轉(zhuǎn)輪葉片每轉(zhuǎn)一周經(jīng)過(guò)葉片尾流時(shí)，其周向均受到激勵(lì)而出現(xiàn)的特定徑向節(jié)點(diǎn)數(shù)的圓盤形振動(dòng)。動(dòng)靜干涉振型節(jié)點(diǎn)數(shù)k，轉(zhuǎn)輪振動(dòng)頻率fR和固定導(dǎo)葉頻率fG由葉片數(shù)ZR和導(dǎo)葉數(shù)ZG的組合所確定，滿足下式：

目前我國(guó)已投運(yùn)的抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)主要采用7葉片和9葉片設(shè)計(jì)，其中以9葉片數(shù)最多，導(dǎo)葉數(shù)則主要集中在20，因此動(dòng)靜干涉引起的節(jié)徑情況對(duì)于7/20組合主要為1，對(duì)9/20組合則主要為2。對(duì)于7/20組合，主要的頻率成分為一倍葉片通過(guò)頻率；對(duì)9/20組合，主要頻率成分為2倍葉片通過(guò)頻率。產(chǎn)生于無(wú)葉區(qū)的動(dòng)靜干涉對(duì)機(jī)組及廠房振動(dòng)有顯著的影響，對(duì)張河灣、桐柏、仙居、蒲石河等電站機(jī)組與廠房的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果表明，在不同負(fù)荷情況下機(jī)組固定部件、廠房振動(dòng)及關(guān)鍵部位噪音中均包含明顯的動(dòng)靜干涉頻率，其中在額定負(fù)荷時(shí)均以動(dòng)靜干涉頻率為主頻[4][5]。動(dòng)靜干涉現(xiàn)象使得機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)廠房與機(jī)組的振動(dòng)增大，且相對(duì)于其它水力干擾頻率，動(dòng)靜干涉頻率為高頻，對(duì)機(jī)組與廠房的疲勞強(qiáng)度、預(yù)期壽命影響不可忽視，同時(shí)噪聲中的動(dòng)靜干涉頻率極易對(duì)人產(chǎn)生疲勞感，造成運(yùn)維人員的職業(yè)安全傷害。

1.2　相位共振

相位共振[6]是動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)通過(guò)導(dǎo)水流道傳播至蝸殼并反射和疊加所形成的共振現(xiàn)象。影響相位共振的主要因素有流道的幾何參數(shù)與流動(dòng)參數(shù)，幾何參數(shù)通常包括轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)、活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)、固定導(dǎo)葉數(shù)、蝸殼流道的等效直徑等，流動(dòng)參數(shù)則包括波速、流速、壓力等參數(shù)。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的分析張河灣機(jī)組存在相位共振的風(fēng)險(xiǎn)極高[7]。目前對(duì)這一因素的研究主要集中在理論分析階段，由于影響共振發(fā)生的參數(shù)難以保證原型與模型一致，因此通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)尚存在很大難度，故原型觀測(cè)的方式對(duì)其進(jìn)行綜合分析亟需開(kāi)展，以對(duì)未來(lái)新機(jī)組進(jìn)行指導(dǎo)。

1.3　卡門渦

卡門渦是雷諾數(shù)增大到一定程度后流體繞流產(chǎn)生的重要現(xiàn)象。在一定條件下的定常來(lái)流繞過(guò)物體時(shí)，物體兩側(cè)周期性的脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過(guò)非線性作用后形成卡門渦。卡門渦的存在與相對(duì)速度w、圓柱體等效直徑d、旋轉(zhuǎn)脫落頻率fk以及斯特魯哈數(shù)之間Sh存在如下關(guān)系：

上式表明卡門渦頻率與相對(duì)流速成正比與特征尺寸成反比。卡門渦的存在對(duì)機(jī)組存在兩方面的影響：一是卡門渦使導(dǎo)葉兩側(cè)交替并周期地承受卡門渦作用力，導(dǎo)致固定部件產(chǎn)生振動(dòng)；二是當(dāng)導(dǎo)葉或周圍水體的固有頻率與卡門渦頻率一致，當(dāng)激振力足夠大時(shí)，在導(dǎo)葉對(duì)卡門渦的調(diào)制作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的共振現(xiàn)象?？ㄩT渦在常規(guī)水電機(jī)組及蓄能機(jī)組中均有出現(xiàn)。三峽右岸ALSTOM水輪機(jī)[8]在毛水頭82 m負(fù)荷區(qū)間550～590 MW時(shí)發(fā)生異常嘯叫聲，通過(guò)對(duì)水車室噪音及頂蓋振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪葉片出口存在嚴(yán)重的卡門渦，后經(jīng)葉片修型解決這一問(wèn)題。云南大朝山[9]、貴州董箐[10]等水電站也出現(xiàn)過(guò)這一現(xiàn)象。宜興蓄能電站機(jī)組在2009年調(diào)試期間發(fā)生泵工況小開(kāi)度活動(dòng)導(dǎo)葉卡門渦共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致活動(dòng)導(dǎo)葉嚴(yán)重振動(dòng)失穩(wěn)，B Nennemann和E Parkinson采用CFD方法對(duì)產(chǎn)生這一原因的機(jī)理進(jìn)行了分析指出雙穩(wěn)定流和卡門渦是其主要激振源，通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行修型解決了這一問(wèn)題[3]。

由于模型與原型的差異，卡門渦并不能夠通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行判斷，卡門渦頻率計(jì)算公式中的各個(gè)參數(shù)的精度也影響著頻率的計(jì)算，而通流部件中存在三種葉片（轉(zhuǎn)輪葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉），卡門渦的脫流點(diǎn)及頻率需分別計(jì)算，因此對(duì)水泵水輪機(jī)中的卡門渦需要進(jìn)一步研究，以避免卡門渦出現(xiàn)造成對(duì)機(jī)組的損傷。

1.4　“S”區(qū)特性

由于蓄能機(jī)組的大力發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泵水輪機(jī)“S”區(qū)特性研究較多，理論分析方面，Petersen[11]、Martin[12]等人基于葉片式水力機(jī)械內(nèi)特性解析理論建立了水泵水輪機(jī)全特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式；數(shù)值模擬方面，紀(jì)興英[13]、李仁年[14]等人采用不同的計(jì)算模型成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)“S”區(qū)特性進(jìn)行了模擬；模型試驗(yàn)觀測(cè)方面，陳德新[15]等針對(duì)模型試驗(yàn)中的流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)“S”區(qū)不穩(wěn)定流動(dòng)的原因進(jìn)行了分析；原型機(jī)方面，“S”區(qū)對(duì)已投運(yùn)機(jī)組的影響[16]極其對(duì)策有大量文獻(xiàn)可供參考。

縱觀“S”區(qū)對(duì)水泵水輪機(jī)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是水輪機(jī)工況空載的穩(wěn)定性，二是水輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象。早在1982年比利時(shí)COO II蓄能電站機(jī)組出現(xiàn)并網(wǎng)困難時(shí)，VOITH公司便提出了加裝導(dǎo)葉非同步開(kāi)啟裝置的解決方案[17]。國(guó)內(nèi)機(jī)組，包括惠州、黑麋峰、白蓮河、張河灣、仙游等均在采用導(dǎo)葉全同步開(kāi)啟方式啟動(dòng)時(shí)存在空載并網(wǎng)不成功現(xiàn)象，從而采用加裝導(dǎo)葉非同步開(kāi)啟裝置解決該問(wèn)題。如天荒坪機(jī)組低水頭發(fā)電空載運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)進(jìn)入“S”區(qū)，造成機(jī)組逆功率嚴(yán)重，機(jī)組并網(wǎng)困難，同樣因?yàn)椤癝”區(qū)問(wèn)題，機(jī)組在甩負(fù)荷后不能達(dá)到空載穩(wěn)態(tài)[2]。蓄能機(jī)組普遍甩滿負(fù)荷后形成兩次轉(zhuǎn)速極值過(guò)程，這一過(guò)程形成的原因就是水泵水輪機(jī)的“S”區(qū)特性。由于水泵水輪機(jī)固有的“S”特性，蓄能電站已發(fā)生多起事故，宜興機(jī)組調(diào)試期間，3號(hào)機(jī)組過(guò)速時(shí)尾水管直錐段出現(xiàn)的異常噪音以及頂蓋、底環(huán)和尾水錐管段的異常振動(dòng)、導(dǎo)葉失步現(xiàn)象也是因?yàn)椤癝”區(qū)所產(chǎn)生[18]。

1.5　水環(huán)

水環(huán)現(xiàn)象是具備調(diào)相工況運(yùn)行的水電機(jī)組所固有的現(xiàn)象，而蓄能機(jī)組廣泛具有調(diào)相功能，因此水環(huán)問(wèn)題在蓄能機(jī)組出現(xiàn)的問(wèn)題較多。蓄能機(jī)組水泵啟動(dòng)及調(diào)相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，此時(shí)為冷卻上、下止漏環(huán)，在頂蓋和底環(huán)的上、下止漏環(huán)處通入冷卻水，冷卻水從端面間隙進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪離心力的作用下甩向無(wú)葉區(qū)形成水環(huán)。水環(huán)起到冷卻轉(zhuǎn)輪和密封壓縮空氣的作用。而當(dāng)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，水環(huán)過(guò)厚將導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片與水環(huán)的摩擦，造成機(jī)組的振動(dòng)加劇。張河灣機(jī)組在調(diào)試初期由于水環(huán)管路設(shè)計(jì)問(wèn)題，曾發(fā)生水環(huán)排水管頻繁振裂的現(xiàn)象，造成機(jī)組安全穩(wěn)定性的重大安全隱患[19]。因此應(yīng)加強(qiáng)蓄能機(jī)組水環(huán)管路設(shè)計(jì)，對(duì)水環(huán)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)研究，避免后續(xù)電站出現(xiàn)類似問(wèn)題。

1.6　其它方面

影響水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定性除上述原因外，尚有以下幾個(gè)方面：

⑴部分負(fù)荷下的尾水管渦帶。相比較其他因素引起的機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題，抽水蓄能機(jī)組渦帶負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)并不突出，目前尚未發(fā)現(xiàn)因尾水管渦帶導(dǎo)致的機(jī)組及廠房穩(wěn)定性問(wèn)題。

⑵水輪機(jī)迷宮環(huán)止漏裝置的自激振動(dòng)。由于迷宮環(huán)導(dǎo)致的機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題在天荒坪曾經(jīng)出現(xiàn)[20]。天荒坪機(jī)組上迷宮環(huán)間隙設(shè)計(jì)間隙較大，導(dǎo)致密封泄露量增大，動(dòng)態(tài)情況下（負(fù)荷突變）造成推力軸承負(fù)荷過(guò)大或抬機(jī)現(xiàn)象，進(jìn)一步造成推力瓦溫突變、機(jī)組振動(dòng)過(guò)大等影響。

2　水力誘發(fā)振動(dòng)的控制措施

2.1　改善水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施

2.1.1減小水輪機(jī)工況尾水管壓力脈動(dòng)幅值

混流式水泵水輪機(jī)由于設(shè)計(jì)時(shí)以水泵為主，水輪機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，單位轉(zhuǎn)速高于最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行。由于混流式水輪機(jī)固有特性，葉片進(jìn)口撞擊和葉片出口有渦帶產(chǎn)生，從而使尾水管壓力較大。大量的工程案例表明，通過(guò)對(duì)通流部件的優(yōu)化，使尾水管壓力脈動(dòng)值不超過(guò)6%，可以有效保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。在水泵工況運(yùn)行時(shí)，由于尾水管水流較平順，壓力脈動(dòng)值較小，不會(huì)對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2.1.2改善“S”區(qū)特性

可逆式水泵水輪機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)輪直徑較大，離心力作用大，在高速區(qū)水輪機(jī)方向水的進(jìn)流速度很快下降，在n11-Q11四象限綜合特性曲線中開(kāi)度線顯著向下彎曲。由于彎曲的開(kāi)度線與單位力矩M11=0線的交角很小，故這種機(jī)組在達(dá)到飛逸后有可能繼續(xù)進(jìn)入制動(dòng)區(qū)。低比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機(jī)內(nèi)水流在受到自身慣性驅(qū)動(dòng)而進(jìn)入制動(dòng)區(qū)后，由于水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的阻擋作用，在流量減小的同時(shí)也使轉(zhuǎn)速下降，故開(kāi)度線出現(xiàn)向n11值反彎的現(xiàn)象。如果慣性力仍不消失，轉(zhuǎn)輪離心力將使水反向推出，即進(jìn)入反水泵區(qū)，此后轉(zhuǎn)速將再增大，使開(kāi)度線向更高n11方向變曲，總的形成一個(gè)S形，稱為“S”特性曲線。無(wú)論是7葉片還是9葉片或長(zhǎng)短葉片，可通過(guò)對(duì)水力通道和轉(zhuǎn)輪翼型的優(yōu)化取得較好的“S”區(qū)特性，避免機(jī)組在低水頭并網(wǎng)困難問(wèn)題。

2.1.3水泵工況的空化

模型試驗(yàn)表明，在同樣的泵工況進(jìn)口直徑D2的情況下，9葉片轉(zhuǎn)輪的空化性能優(yōu)于7葉片的轉(zhuǎn)輪，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪時(shí)，為了改善轉(zhuǎn)輪的空化性能，把模型轉(zhuǎn)輪的低壓邊直徑適當(dāng)增大。在選擇安裝高程時(shí)，應(yīng)滿足水泵工況無(wú)空化運(yùn)行，從而避免水泵工況由于空化引起的不穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.4駝峰區(qū)

在水泵水輪機(jī)水泵工況H-Q特性曲線中，在一定的較小流量區(qū)域，揚(yáng)程H隨著流量的減小而急劇下降，然后又逐漸上升，此區(qū)域即為水泵水輪機(jī)的駝峰區(qū)。駝峰區(qū)是泵及水泵水輪機(jī)的固有特性之一。針對(duì)駝峰區(qū)的控制，主要從水力設(shè)計(jì)入手。目前，存在兩個(gè)優(yōu)化方向：一是水泵工況設(shè)計(jì)點(diǎn)的合理選擇。在滿足電站最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程以及水泵效率要求的同時(shí)，最大設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hmax和駝峰區(qū)最小揚(yáng)程Hminhump間應(yīng)有足夠在的余量。二是水力設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)駝峰區(qū)的影響。大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，為滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，水泵工況模型最小協(xié)聯(lián)開(kāi)口時(shí)應(yīng)有2.0%的駝峰余量。

2.1.5防止水泵工況導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)的小開(kāi)度振動(dòng)

導(dǎo)葉分布圓直徑直接影響導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片之間的水流干涉強(qiáng)度。對(duì)高水頭低比速水泵水輪機(jī)，設(shè)計(jì)中取較大的導(dǎo)葉分布圓直徑，可有效的減小導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片之間的水力干涉強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉翼型優(yōu)化和導(dǎo)葉進(jìn)口長(zhǎng)度和出口長(zhǎng)度匹配關(guān)系的研究，使導(dǎo)葉頭部和尾部的搭接量盡可能小，盡可能的減小扭矩放大效應(yīng)，從而保證在水泵工況導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)不產(chǎn)生小開(kāi)度振動(dòng)。

2.1.6避免過(guò)渡過(guò)程中尾水管水柱分離

目前我國(guó)在建的抽水蓄能電站普遍采用地下式廠房，這些電站均采用長(zhǎng)尾水管或尾水管隧洞，因而尾水管中的水壓振蕩增大。尾水管壓力如過(guò)低，就會(huì)產(chǎn)生水柱分離。為避免水柱分離應(yīng)設(shè)置尾水調(diào)壓井或增大淹沒(méi)深度。應(yīng)通過(guò)過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算，保證在任何工況下尾水管進(jìn)口壓力不小于0 m水柱，從而避免水柱分離發(fā)生。

2.1.7減低活動(dòng)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)幅值

混流式水泵水輪機(jī)由于為雙向流動(dòng)，在水輪機(jī)部分負(fù)荷和水泵的小流量區(qū)出現(xiàn)高壓邊脫流、低壓邊脫流、死水區(qū)，在這些工況運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)幅值會(huì)急劇增大。應(yīng)通過(guò)對(duì)葉片的出口角、導(dǎo)葉分布圓直徑、導(dǎo)葉翼型的優(yōu)化，降低活動(dòng)導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力脈動(dòng)幅值，使該幅值在正常運(yùn)行范圍內(nèi)不大于12%。

2.1.8防止水輪機(jī)迷宮止漏裝置中的自激振動(dòng)

應(yīng)對(duì)高水頭水泵水輪機(jī)止漏環(huán)位置和間隙匹配問(wèn)題進(jìn)行研究，掌握防止止漏環(huán)產(chǎn)生自激振蕩的方法，避免因止漏環(huán)自激振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。

2.1.9水力激振頻率的計(jì)算

轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間的干擾將以一定的相位失真和時(shí)間滯后出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪周邊處，相位滯后由導(dǎo)葉數(shù)ZG和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)ZR組合確定。轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉間的相互干擾產(chǎn)生的激振力將引起某些振型，該振型具有一定數(shù)目的繞轉(zhuǎn)輪軸向旋轉(zhuǎn)的徑向節(jié)點(diǎn)。當(dāng)頻率fr同有k個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)輪固有頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)輪共振。因此轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率應(yīng)避開(kāi)上述頻率，除此之外，還應(yīng)避開(kāi)轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)反向振動(dòng)的頻率。

2.2　工程管理措施方面

機(jī)組振動(dòng)及廠房噪聲控制涉及多個(gè)專業(yè)和領(lǐng)域的協(xié)作項(xiàng)目，需要各參建單位通力協(xié)作，其中項(xiàng)目建設(shè)單位作為基建期主要管理方和產(chǎn)品的最終用戶，要做好核心主導(dǎo)作用，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)單位、設(shè)備制造單位、安裝調(diào)試單位和運(yùn)行單位的各階段工作，主要采取以下管理措施。

2.2.1工程設(shè)計(jì)單位

在工程設(shè)計(jì)階段，工程設(shè)計(jì)單位應(yīng)提交以下振動(dòng)專題報(bào)告并經(jīng)詳細(xì)評(píng)審：

⑴水力過(guò)渡過(guò)程專題研究報(bào)告（重點(diǎn)應(yīng)包括引水系統(tǒng)的水體共振）；

⑵經(jīng)科研機(jī)構(gòu)、高校等第三方復(fù)核的水力過(guò)渡過(guò)程專題研究報(bào)告；

⑶對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)頻與機(jī)組固定部件及廠房固有頻率作專題分析報(bào)告；

⑷根據(jù)《GB/T15613-2008水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》在主機(jī)招標(biāo)文件中對(duì)模型試驗(yàn)提出具體要求；

⑸對(duì)主機(jī)設(shè)備主要部件的剛度在招標(biāo)文件中提出具體要求。

2.2.2機(jī)組制造廠家

在機(jī)組前期設(shè)計(jì)階段，制造廠家應(yīng)提交關(guān)于振動(dòng)的一系列專題報(bào)告，在水力設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）葉片轉(zhuǎn)頻引起的動(dòng)靜干涉分析；

（2）壓力脈動(dòng)特性及壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行分析；

（3）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的自激振動(dòng)及共振分析；

（4）水泵制動(dòng)工況的導(dǎo)葉振動(dòng)分析；

（5）機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換及水輪機(jī)并網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定性分析。

（6）機(jī)組轉(zhuǎn)頻與機(jī)組固定部件固有頻率分析報(bào)告。

（7）主機(jī)設(shè)備動(dòng)靜不平衡產(chǎn)生的軸承振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪迷宮動(dòng)分析報(bào)告；

（8）機(jī)組軸系穩(wěn)定及強(qiáng)度分析報(bào)告。

2.2.3項(xiàng)目建設(shè)單位

項(xiàng)目建設(shè)單位應(yīng)高度重視水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)，并組織相關(guān)專家嚴(yán)格按照合同要求對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行見(jiàn)證和驗(yàn)收。水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收時(shí)，對(duì)以下關(guān)鍵指標(biāo)超過(guò)合同保證值的模型拒絕驗(yàn)收通過(guò)，這包括：

⑴水泵水輪機(jī)加權(quán)平均效率；

⑵正常運(yùn)行工況下導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間、尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)值；

⑶水泵水輪機(jī)駝峰區(qū)裕量；

⑷水泵水輪機(jī)空化性能；

⑸水泵水輪機(jī)“S”區(qū)特性，正常運(yùn)行區(qū)域避開(kāi)“S”區(qū)；

⑹水泵水輪機(jī)出力、入力及流量；

⑺水泵水輪機(jī)飛逸特性。

2.2.4機(jī)組安裝單位

應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量和工藝控制。重點(diǎn)是對(duì)座環(huán)水平調(diào)整、轉(zhuǎn)輪迷宮間隙、機(jī)組軸線調(diào)整、水導(dǎo)軸承間隙調(diào)整、固定部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的同心度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行管控。嚴(yán)格按照GB/T8564《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》和廠家提供的安裝指導(dǎo)書進(jìn)行作業(yè)，保障機(jī)組的安裝處于良好水平上。在安裝階段，定期組織各方檢查對(duì)影響機(jī)組穩(wěn)定性的相關(guān)專題工作，組織業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行咨詢?cè)u(píng)估，安排后續(xù)工作。

3　結(jié)論

眾多問(wèn)題的產(chǎn)生要求我們必須重視大容量抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，堅(jiān)持“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的思路?！邦A(yù)防為主”要求在機(jī)組設(shè)計(jì)階段采用高強(qiáng)度材料并選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高機(jī)組在不同工況下各個(gè)部件及整體剛強(qiáng)度及穩(wěn)定性；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，加強(qiáng)設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化機(jī)組局部與整體結(jié)構(gòu)?！胺乐谓Y(jié)合”要求機(jī)組在調(diào)試及運(yùn)行階段嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程要求，強(qiáng)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在運(yùn)維中的應(yīng)用，促進(jìn)故障診斷技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與導(dǎo)則。

隨著我國(guó)大規(guī)模特高壓交、直流輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中的重要性更加突出，為此在機(jī)組的穩(wěn)定性問(wèn)題尚未完全解決的前提下，合理的機(jī)組參數(shù)與結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)重視蓄能機(jī)組參數(shù)與結(jié)構(gòu)的合理選擇、重視發(fā)電電動(dòng)機(jī)與水泵水輪機(jī)的匹配，同時(shí)優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行方式，做到設(shè)計(jì)上避免問(wèn)題、制造與安裝中不產(chǎn)生問(wèn)題、運(yùn)行維護(hù)上遇到問(wèn)題能夠解決問(wèn)題。

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