水泵水輪機(jī)暫態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理方法探討

嚴(yán) 麗，鄧 磊

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311100；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市，100161）

0 引言

近10年來，我國抽水蓄能電站建設(shè)迅猛發(fā)展，每年都有數(shù)臺機(jī)組投運(yùn)，一般合同規(guī)定，質(zhì)保期內(nèi)均需做水輪發(fā)電機(jī)組的性能試驗(yàn)，以校驗(yàn)機(jī)組性能是否達(dá)到合同保證值要求。最重要的試驗(yàn)之一是過渡過程甩負(fù)荷/水泵斷電試驗(yàn)，測量蝸殼壓力上升和轉(zhuǎn)速上升值，用來校驗(yàn)調(diào)速器性能和蝸殼、尾水管設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿足合同要求。

當(dāng)現(xiàn)場測量值超過合同保證值時(shí)，特別是壓力上升，對這些測量值是否需要處理和如何評判，壓力脈動如何計(jì)入等，一直是困擾業(yè)內(nèi)人士的一個問題，常常會引起合同雙方的爭議。本文目的是通過研究機(jī)組現(xiàn)場暫態(tài)試驗(yàn)的國際標(biāo)準(zhǔn)和介紹機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際案例，建議行業(yè)制定一個操作性強(qiáng)的試驗(yàn)導(dǎo)則，用以指導(dǎo)現(xiàn)場試驗(yàn)值的分析和判斷。

1 IEC有關(guān)暫態(tài)特性試驗(yàn)的定義和規(guī)定

1.1 暫態(tài)特性試驗(yàn)定義

IEC 60041—1991規(guī)定為：暫態(tài)特性試驗(yàn)主要是甩負(fù)荷或斷電試驗(yàn)。據(jù)分析，實(shí)際出現(xiàn)概率最大的最惡劣工況是同一鋼管的幾臺機(jī)同時(shí)甩滿負(fù)荷或合同規(guī)定的其他工況，最惡劣工況的確定要在試驗(yàn)前，由合同雙方同意認(rèn)可[1]。

檢驗(yàn)合同保證值的參數(shù)有：蝸殼進(jìn)口壓力最大上升、尾水管進(jìn)口壓力最小值、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升、導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間以及關(guān)閉規(guī)律等。

對于壓力上升和壓力脈動可能同時(shí)出現(xiàn)的情況，如水泵水輪機(jī)，最好在合同中分別要求。

本文主要探討機(jī)組甩負(fù)荷后的對壓力上升值測量結(jié)果的分析和處理。

1.2 暫態(tài)試驗(yàn)—壓力變化的不確定度

IEC 60041—1991中7.2.3條：壓力測量最大允許不確定度為：±100×p-0.25%（p的單位為Pa）[1]。

IEC 60994—1991中10條：在對試驗(yàn)結(jié)果評判前，需要確認(rèn)不存在因電磁干擾引起的失真和出現(xiàn)尖峰。不確定度需要合同各方確認(rèn)是否存在測量誤差和測量儀表精度等。所有測量值的不確定度，應(yīng)直接根據(jù)儀表校驗(yàn)曲線確定或根據(jù)各記錄儀表綜合來考慮[2]。

1.3 關(guān)于壓力和壓力脈動的測量要求

IEC 60041—1991中7.2.3條：測量設(shè)備要對機(jī)械振動不敏感，盡量直接與壓力鋼管相連；如果無法做到直接連接，管路要盡可能短[1]。

測量中必須能重復(fù)出現(xiàn)低于上限頻率的壓力脈動，合同雙方對可以測到壓力脈動的上限頻率要達(dá)成一致意見，不因測頭阻尼或諧振而出現(xiàn)失真。高頻壓力脈動可通過適當(dāng)濾波加以清除。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

IEC 60994—1991中9.2.1和9.2.2條：對于峰值比較穩(wěn)定或變化不大或?qū)λ矐B(tài)值不感興趣的情況，可只考慮幅值分析，忽略頻率分析；對于隨時(shí)間變化劇烈的信號，就要做有效值的分析[2]。

從下面第3部分的兩個案例可以說明，現(xiàn)場試驗(yàn)后的確需要對結(jié)果做一定的分析和判斷，以求獲得有效的數(shù)據(jù)。

1.5 采樣頻率

在IEC 60994—1991中第6.1條，振動和脈動測量的采樣頻率建議：下限頻率fl=0.1fn，上限頻率fn=Z0×Z1×fn，Z0為導(dǎo)葉數(shù)，Z1為葉片數(shù)，fn為機(jī)組轉(zhuǎn)頻[2]。

因目前現(xiàn)場試驗(yàn)用的儀表的采樣頻率國內(nèi)規(guī)范沒有統(tǒng)一的要求和規(guī)定，某電站分別采用了200Hz和500Hz采樣頻率進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果差異見表1。

表1 不同的采樣頻率儀表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Field test data of different sample rate

從表1看出，蝸殼進(jìn)口壓力用200Hz采樣的比500Hz的小，說明一些頻率已過濾了。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和合同保證值的對比要求

試驗(yàn)后，需要將試驗(yàn)結(jié)果和合同保證值做對比，IEC 60041—1991的有關(guān)要求如下[1]。

2.1 試驗(yàn)工況

對于暫態(tài)過程特性試驗(yàn)，在不可能按照合同規(guī)定條件完成試驗(yàn)的條件下，測量值必須換算到規(guī)定的工況。

2.2 與保證值比較

IEC 60041中7.2.3規(guī)定：考慮暫態(tài)過渡工況的測量總精度和總偏差后，同時(shí)如果考慮了下列條件的話，則滿足了保證值。

在壓力變化和壓力脈動產(chǎn)生疊加的情況下，合同中應(yīng)解釋并對允許的偏差做出說明，如未說明，則該偏差為零。如：

瞬態(tài)轉(zhuǎn)速偏差，包括測量誤差在內(nèi)，為轉(zhuǎn)速變化保證值的10%；

瞬態(tài)壓力偏差，包括測量誤差在內(nèi)，為壓力變化保證值的總誤差，按Δ（Δpsp）=（k·Δpsp）0.5計(jì)算，k為5000Pa。

3 國內(nèi)兩個抽蓄電站甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析案例

通過上述研究可知，IEC 60041—1991和IEC 60994—1991對現(xiàn)場暫態(tài)試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)誤差以及和保證值的比較，都有一些規(guī)定。目前國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組的暫態(tài)試驗(yàn)結(jié)果都是按IEC規(guī)范要求把試驗(yàn)工況的參數(shù)換算到最不利工況，但對最終試驗(yàn)結(jié)果的分析和處理方法各異，下面介紹兩個工程案例。

3.1 A抽水蓄能電站

3.1.1 A抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)參數(shù)

A抽水蓄能電站裝機(jī)4臺額定容量300MW的水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動機(jī)組，輸水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)布置。試驗(yàn)工況為兩臺機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷。該電站主要參數(shù)如表2所示。

表2 A抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Pump turbine main technical data of A pumped storage power station

3.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果后分析過程

該項(xiàng)目的蝸殼進(jìn)口設(shè)置2個壓力測點(diǎn)，高于機(jī)組中心線0.89m；進(jìn)水閥前1個壓力測點(diǎn)，低于機(jī)組中心線2.6m。所有甩負(fù)荷壓力上升數(shù)據(jù)換算到機(jī)組中心線以及換算到最不利的2臺機(jī)相繼甩負(fù)荷工況。記錄試驗(yàn)信號的儀表的采樣頻率為800Hz。

在最初單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)中，因球閥前壓力高于蝸殼壓力很多，和理論分析明顯不符；對單機(jī)甩負(fù)荷的情況，通過計(jì)算出壓力脈動，并反演計(jì)算至最惡劣工況，發(fā)現(xiàn)蝸殼進(jìn)口壓力上升高于合同保證值，故主機(jī)廠在業(yè)主要求下做了分析，采取了低通濾波的方法，基本內(nèi)容如下：

（1）進(jìn)水閥前壓力濾波分析。

在穩(wěn)態(tài)情況下球閥前和蝸殼進(jìn)口壓力變化規(guī)律應(yīng)該是相似的，如圖1所示；對穩(wěn)態(tài)0～20s的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)存在不相似的情況，如圖2和圖3所示，判斷是由于管道放大效應(yīng)引起。根據(jù)波速和管路長度計(jì)算球閥前壓力測量管路的一階共振頻率在40Hz左右，所以分析認(rèn)為球閥前壓力40Hz附近帶寬頻率成分不可用。另外從圖3看出，20Hz前壓力變化的規(guī)律是相似的，所以球閥前壓力采取了低通濾波截止頻率為20Hz的方法，這樣處理后，球閥前的壓力和蝸殼進(jìn)口的壓力變化趨勢就接近了，符合壓力變化的規(guī)律。

圖1 壓力鋼管壓力（紅色）和蝸殼進(jìn)口壓力（綠色）Fig.1 Penstock pressure （red）and spiral case pressure（green）

圖2 甩前穩(wěn)態(tài)蝸殼壓力和鋼管壓力頻譜分析曲線（0～800Hz）Fig.2 Spectral analysis of the penstock pressure and spiral case pressure stable operation point before load rejection（0～800Hz）

圖3 甩前穩(wěn)態(tài)鋼管壓力和蝸殼壓力頻譜分析曲線（0～200Hz）Fig.3 Spectral analysis of the penstock pressure and spiral case pressure stable operation point before load rejection（0～200Hz）

（2）蝸殼進(jìn)口壓力濾波分析。

由于蝸殼壓力測量儀表直接裝在蝸殼上，其管道效應(yīng)是來自蝸殼到測點(diǎn)之間，根據(jù)計(jì)算管路一階共振頻率大概在500Hz左右，所以分析認(rèn)為500Hz附近帶寬頻率成分不可用；對甩負(fù)荷時(shí)蝸殼壓力進(jìn)行頻譜分析，如圖4所示，認(rèn)為管道效應(yīng)的頻率范圍在400～600Hz，分析認(rèn)為除由管道效應(yīng)引起的壓力脈動頻率成分外，無超過200Hz頻率成分導(dǎo)致的過大壓力脈動，所以蝸殼壓力采取了低通濾波截止頻率為200Hz的方法。

圖4 雙甩時(shí)暫態(tài)蝸殼進(jìn)口壓力頻譜分析Fig.4 The spiral case pressure spectral analysis during double load rejection transient

圖5是雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)蝸殼壓力沒有濾波的結(jié)果（紅色）和濾波200 Hz（綠色）的曲線。蝸殼進(jìn)口所測的最大壓力為791mWC，按200Hz濾波后779mWC，相差12m水柱。試驗(yàn)結(jié)果滿足合同要求。

圖5 雙甩時(shí)蝸殼進(jìn)口壓力（綠色濾波200Hz，紅色無濾波）Fig.5 The spiral case pressure during double load rejection（green：filtered 200Hz；red：unfiltered）

3.2 B抽水蓄能電站

3.2.1 B抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)參數(shù)

B抽水蓄能電站裝機(jī)4臺額定容量300MW的水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動機(jī)組，輸水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)布置，試驗(yàn)工況為兩臺機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷。該電站主要參數(shù)如表3所示。

表3 B抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Pump turbine main technical data of B pumped storage power station

3.2.2 試驗(yàn)情況介紹

該電站甩負(fù)荷試驗(yàn)做過幾次，第一次甩75%負(fù)荷試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水閥前的壓力明顯過高，超過蝸殼進(jìn)口壓力很多，見表4中的老測點(diǎn)數(shù)值。

表4 甩75%負(fù)荷實(shí)測結(jié)果對比Tab.4 The 75% load rejection test results of different sample rate

經(jīng)多方分析，因進(jìn)水閥前的測壓管路是從壓力鋼管環(huán)繞一圈引入一個總管接到水輪機(jī)機(jī)墩邊，然后再接測量儀表。管路長，固定不夠牢固，又多彎道，內(nèi)部可能存有氣體，導(dǎo)致動態(tài)測量有誤，故進(jìn)水閥前壓力過高的結(jié)果是失真的。

分析原因后，測試單位1把進(jìn)水閥前壓力測量改到水輪機(jī)層墻邊，管路縮短，但測試單位2還是用原來的測量管路。另外要說明的是進(jìn)水閥前壓力測點(diǎn)原是4個，測的是均壓，而蝸殼壓力測點(diǎn)是一個，是局部壓力，為便于比較結(jié)果，球閥前壓力測量也改為單點(diǎn)。表4的老測點(diǎn)是指4個測點(diǎn)均壓，新測點(diǎn)指改造后的單點(diǎn)測量值。從試驗(yàn)結(jié)果看，均壓比局部壓力要小。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析和換算

（1）蝸殼進(jìn)口壓力上升和合同保證值對比。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)甩75%負(fù)荷的結(jié)果看出，壓力脈動比較大，通過演算，推算2臺機(jī)相繼甩負(fù)荷最惡劣工況下，蝸殼進(jìn)口最大壓力為702.23m，蝸殼進(jìn)口最大壓力能夠滿足不超過728m水柱的合同中的要求。

（2）數(shù)據(jù)采樣頻率對結(jié)果的影響。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，采樣頻率不同，結(jié)果略有不同，500Hz的比200Hz的采集的蝸殼最大壓力絕對值差6.3～10m，相對差1.0%～1.7%，500Hz采樣頻率對用戶來講更可信，該電站后續(xù)試驗(yàn)都是用的這個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（3）置信度和數(shù)據(jù)分析。

因各個工況的試驗(yàn)值都在合同范圍內(nèi)，500Hz采樣的沒有做數(shù)據(jù)處理，直接采納的是試驗(yàn)測量值。

200Hz采樣的在結(jié)果分析中用了97%置信度，參考的是IEC 60193—1999水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)中的有關(guān)穩(wěn)態(tài)要求的規(guī)定。但暫態(tài)試驗(yàn)中，國標(biāo)和IEC都沒有提到置信度，筆者研究認(rèn)為可根據(jù)IEC 60041—1991的規(guī)定引入測量誤差來修正試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 案例分析小結(jié)

從上述2個案例中可以看出：

（1）管道和測點(diǎn)的布置位置和距離對壓力測量的試驗(yàn)結(jié)果影響較大[4]、[5]；

（2）對測量儀表的采樣頻率，各個試驗(yàn)單位和主機(jī)廠家選取了不同，但近幾年，根據(jù)統(tǒng)計(jì)國內(nèi)多個抽水蓄能電站，試驗(yàn)中多采用1000～1200Hz的采樣頻率。

（3）對試驗(yàn)結(jié)果的高頻過濾值，沒有統(tǒng)一的原則和規(guī)律，一般主機(jī)廠會根據(jù)試驗(yàn)頻譜結(jié)果做分析，采用低通濾波的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（4）對試驗(yàn)結(jié)果的不確定度和測量誤差，各電站國內(nèi)試驗(yàn)方?jīng)]有按IEC規(guī)范要求來修正試驗(yàn)值，而部分主機(jī)廠則考慮了置信度。

（5）當(dāng)與合同保證值對比時(shí)，各項(xiàng)目都把試驗(yàn)工況的測量值或低通濾波后的數(shù)據(jù)換算到最不利的工況，符合IEC的要求。

4 問題探討和建議

通過對IEC有關(guān)試驗(yàn)規(guī)范的研究，以及國內(nèi)電站的現(xiàn)場試驗(yàn)值的分析案例，對現(xiàn)場試驗(yàn)要求和數(shù)據(jù)處理有了進(jìn)一步認(rèn)識，針對目前國內(nèi)水泵水輪機(jī)招標(biāo)文件中缺少現(xiàn)場性能試驗(yàn)方面的具體要求和試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析方法的約定，筆者認(rèn)為有必要增加相應(yīng)內(nèi)容，具體建議如下：

4.1 數(shù)據(jù)采集要盡量準(zhǔn)確

（1）對現(xiàn)場測試用傳感器的選擇提出要求，主要是精度及頻響，建議0.1%級和頻響2000Hz以上[4]。

（2）對現(xiàn)場測試系統(tǒng)的測試精度、采樣頻率做個約定。目前很多測試單位使用較多的是1000Hz和1200Hz[6]。

（3）對測點(diǎn)的布置提出要求，對于過渡過程而言重要的蝸殼壓力、進(jìn)水閥前壓力、尾水管進(jìn)口壓力等測點(diǎn)，儀表盡量靠近被測對象，管路應(yīng)盡可能短，避免長管路[1][4]。

（4）測試前需要盡可能長時(shí)間的排氣，以避免管路中氣體對測試數(shù)據(jù)造成影響[1]。

4.2 制定暫態(tài)試驗(yàn)導(dǎo)則

建議抽蓄行業(yè)內(nèi)制定一個暫態(tài)試驗(yàn)導(dǎo)則，對暫態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理方法提供指導(dǎo)性意見。

4.3 關(guān)于置信度和誤差的取用

IEC 60041-1991中對暫態(tài)試驗(yàn)沒有置信度的描述，說明是不需要考慮的；但對試驗(yàn)結(jié)果誤差有明確的要求，實(shí)踐中可直接采納使用。建議以后主機(jī)合同中明確這條，以免各個項(xiàng)目的各個試驗(yàn)單位或主機(jī)廠采用不同的方法和數(shù)據(jù)。同時(shí)為試驗(yàn)人員分析數(shù)據(jù)提供依據(jù)，減少各方對試驗(yàn)結(jié)果的爭議。