抽水蓄能電站廠房振動問題分析及經(jīng)驗

郭 鵬，劉殿海，李赟俐，秦 俊，張 飛

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

0 引言

2020年習(xí)近平總書記提出了我國力爭2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)，我國能源清潔低碳轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)。作為目前最為成熟的儲能技術(shù)，抽水蓄能電站對能源的低碳、高效、安全利用具有重要作用[1]。目前我國抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模已位居世界首位，其中已投產(chǎn)電站裝機(jī)規(guī)模3249萬kW，在建電站裝機(jī)規(guī)模5393萬kW，預(yù)計到2025年投產(chǎn)裝機(jī)總規(guī)?？蛇_(dá)6200萬kW。隨著我國抽水蓄能電站的迅猛發(fā)展，助推了抽水蓄能機(jī)組運行小時數(shù)的快速增長，由此帶來了廠房振動問題進(jìn)一步的凸顯。

由于抽水蓄能電站運行水頭高，水泵水輪機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高，水力設(shè)計復(fù)雜，存在嚴(yán)重的壓力脈動現(xiàn)象[2，3]，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組與廠房存在較為突出的振動問題[4，5]。目前針對抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)壓力脈動，國內(nèi)、外學(xué)者通過理論分析、內(nèi)部流固耦合計算和模型試驗驗證等方法對動靜干涉機(jī)理進(jìn)行了研究，但是關(guān)于動靜干涉引起的壓力脈動對機(jī)組和廠房振動影響的文章很少[2-4]。近年來國內(nèi)已投產(chǎn)大型抽水蓄能電站普遍存在廠房劇烈振動問題[5]，嚴(yán)重危及機(jī)組儀器設(shè)備、自動化元器件的正常運行，甚至造成機(jī)組非計劃停運，降低區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰能力及電網(wǎng)調(diào)度靈活性[6-9]。另外，廠房劇烈振動給機(jī)組運行維護(hù)人員的職業(yè)健康也造成嚴(yán)重負(fù)面影響。

因此，本文結(jié)合張河灣抽水蓄能電站生產(chǎn)技術(shù)改造工程實例，對比分析了轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉更換前、后的廠房振動情況，揭示了發(fā)電和水泵工況下廠房振動與無葉區(qū)動靜干涉引起的壓力脈動之間的聯(lián)系，得到了引起廠房振動問題的原因，優(yōu)化設(shè)計后轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉切實有效降低了無葉區(qū)壓力脈動，成功地解決了廠房振動問題，提高了機(jī)組的運行穩(wěn)定性，對于其他存在類似抽水蓄能電站廠房振動問題的解決提供新的思路。

1 電站概況

張河灣純抽水蓄能電站裝機(jī)容量為4×250MW，安裝了單級混流可逆式水泵水輪機(jī)，采用“一管兩機(jī)”布置方式，主管長約570m，尾水洞長約170m，電站距高比為1.58。該電站水泵水輪機(jī)組額定水頭為305m，最大水頭為346m，最小毛水頭為291m，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義直徑為4.641m，額定轉(zhuǎn)速為333.3r/min，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，活動導(dǎo)葉數(shù)為20，固定導(dǎo)葉數(shù)為20。

2 廠房振動改造前情況分析

自機(jī)組投產(chǎn)以來，該抽水蓄能電站廠房樓板振動嚴(yán)重危及到了廠房結(jié)構(gòu)、機(jī)組設(shè)備和工作人員的安全。如圖1所示為發(fā)電工況和抽水工況下廠房振動測點時域波形圖，其中采用0.1s的同步采樣數(shù)據(jù)清晰顯示發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層和蝸殼層波形圖細(xì)致結(jié)構(gòu)，在額定負(fù)荷下，發(fā)電與抽水工況中廠房各層樓板振動波形均具有明顯的簡諧振動特征，在負(fù)荷基本相同的情況下，發(fā)電工況下各層樓板振動測點的波動幅值較抽水工況大，發(fā)電工況運行的動靜干涉強(qiáng)度更加明顯；各層樓板振動測點振動速度有效值相比較，母線層最大，蝸殼層最小，同時各層樓板振動測點之間振動不同步，存在明顯的相位差。

圖1 廠房振動時域波形圖Figure 1 Time-domain waveform of powerhouse vibration

另外，圖2給出了變負(fù)荷過程中動靜干涉作用下的廠房振動時域波形圖，在機(jī)組正常抽水工況啟機(jī)過程中，抽水方向調(diào)相（synchronous condenser pump，SCP）轉(zhuǎn)正常抽水工況（pump operation，PO）最終至額定負(fù)荷穩(wěn)定，無葉區(qū)動靜干涉幅值穩(wěn)定，從而對廠房各層樓板造成穩(wěn)定持續(xù)的激勵，廠房各層樓板中存在恒定幅值的振動效應(yīng)現(xiàn)象。

圖2 變負(fù)荷過程中廠房振動時域波形圖Figure 2 Time-domain waveform of powerhouse vibration in SCP to PO

為解決上述問題，對機(jī)組和廠房振動、壓力脈動開展了相關(guān)測試與分析。水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動中的動靜干涉是引起電站機(jī)組及廠房振動的主要激振源。動靜干涉產(chǎn)生以葉片通過頻率為主頻的高頻壓力脈動。當(dāng)壓力脈動頻率與廠房或機(jī)組振動固有頻率重合時，使得機(jī)組與廠房發(fā)生了水力共振現(xiàn)象，造成機(jī)組與廠房振動過大。

當(dāng)抽水蓄能機(jī)組的導(dǎo)葉數(shù)和水泵水輪機(jī)葉片數(shù)分別為Zg和Zr時，抽水蓄能機(jī)組靜止系統(tǒng)（導(dǎo)葉）和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)（水泵水輪機(jī)葉片）相互作用產(chǎn)生動靜干涉[10，11]：

式中，m為機(jī)組靜止系統(tǒng)（導(dǎo)葉）過流頻率（導(dǎo)葉數(shù)×轉(zhuǎn)頻）下的諧波階數(shù)；n為轉(zhuǎn)動系統(tǒng)（水泵水輪機(jī)葉片）過流頻率（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻）下的諧波階數(shù)；ν為節(jié)徑，整數(shù)。

如圖3所示為無葉區(qū)壓力脈動頻域瀑布圖，無葉區(qū)壓力脈動以1倍葉片過流頻率50Hz為主頻（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=9×5.55Hz=49.95Hz），同時存在較為明顯的2倍葉片過流頻率100Hz（動靜干涉頻率）。

圖3 無葉區(qū)壓力脈動頻域瀑布圖Figure 3 Frequency waterfall of vaneless zone pressures

如圖4所示給出了額定負(fù)荷發(fā)電工況和抽水工況時廠房各層樓板振動頻域瀑布圖，廠房各層樓板振動中均以2倍葉片過流頻率100Hz為主頻（2×葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=2×9×5.55Hz=99.9Hz），反映出100Hz頻率在廠房振動中起主導(dǎo)作用。同時，母線層振動最大，水輪機(jī)層次之，蝸殼層最小。

圖4 廠房振動頻域瀑布圖Figure 4 Frequency waterfall of powerhouse vibration

如圖5所示給出了機(jī)組頂蓋垂直振動時頻分析圖，機(jī)組頂蓋垂直振動測點含有明顯的100Hz頻率成分，同時機(jī)組葉片過流頻率的2倍約為100Hz（2×葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=2×9×5.55Hz=99.9Hz），因此機(jī)組運行時機(jī)組與廠房振動中的100Hz頻率成分均為兩倍葉片過流頻率，機(jī)組頂蓋振動頻率是由動靜干涉頻率所引起。

圖5 機(jī)組頂蓋垂直振動時頻分析Figure 5 Spectrograms of head cover vertical vibration

廠房振動主要是由于廠房的固有頻率與激振源的頻率接近或相同所產(chǎn)生的共振。作為激振源，機(jī)組無葉區(qū)壓力脈動存在100Hz的2倍葉片過流頻率，且廠房各層樓板和機(jī)組振動固有頻率中也均以2倍葉片過流頻率100Hz起主導(dǎo)作用，符合共振的條件。

3 廠房振動問題改造方案

考慮到優(yōu)化廠房結(jié)構(gòu)來改變廠房的自激振頻率將造成機(jī)組長時間停機(jī)，且改造效果不可控，同時現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動也較大，決定采用更換水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的改造方案，其可以從根本上降低或消除振動，且付出的成本較低。為了兼顧機(jī)組的效率和穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不變的情況下，變更導(dǎo)葉分布圓直徑比（或無葉區(qū)寬度），將其從原來的1.167增加到1.197，以及改變轉(zhuǎn)輪的幾何參數(shù)，進(jìn)水邊向軸向深挖，適當(dāng)調(diào)整活動導(dǎo)葉型線，以增加無葉區(qū)寬度，減小無葉區(qū)壓力脈動的幅值，改變激振源的頻率并降低激振的能量來消除過大的廠房振動。改造前、后的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉對比如圖6和圖7所示。

圖6 改造前、后轉(zhuǎn)輪實物圖Figure 6 Runner pictures before and after modification

圖7 改造前、后導(dǎo)葉示意圖Figure 7 Profiles of guide vane before and after modification

4 廠房振動改造后效果分析

目前電站已通過大修先后完成1號、3號和4號機(jī)組轉(zhuǎn)輪更換與活動導(dǎo)葉修型工作。由于廠房振動的激勵源為無葉區(qū)（轉(zhuǎn)輪入口前與活動導(dǎo)葉后空間）所產(chǎn)生的壓力脈動，因此本小節(jié)主要針對無葉區(qū)壓力脈動、頂蓋振動和廠房振動進(jìn)行現(xiàn)場試驗分析，從而實現(xiàn)改造效果的評估。

4.1 無葉區(qū)壓力脈動

發(fā)電工況下，1號、3號和4號機(jī)組檢修前、后無葉區(qū)壓力脈動分別如圖8（a）、（b）和（c）所示。圖8（a）中1號機(jī)組與圖8（b）中3號機(jī)組改造前后均為同一測點，圖8（c）中4號機(jī)組改造前為水車室儀表柜終端測點，改造后為水車室頂蓋上直接測量。

圖8 無葉區(qū)壓力脈動示意圖Figure 8 Layout of vaneless zone pressures

由圖8無葉區(qū)壓力脈動可見：改造后，1號、3號和4號機(jī)組250MW負(fù)荷運行時，無葉區(qū)壓力脈動均有大幅緩解；3號機(jī)組150～250MW運行時無葉區(qū)壓力脈動均有降低，1號機(jī)組200～250MW運行時無葉區(qū)壓力脈動均有降低；4號機(jī)組150～250MW運行時無葉區(qū)壓力脈動變化趨勢與1號機(jī)組、3號機(jī)組相同。無葉區(qū)壓力脈動方面，同一測點改造前后對比分析表明，改造后無葉區(qū)壓力脈動較改造前明顯降低，提高了機(jī)組運行穩(wěn)定性。

4.2 頂蓋振動

發(fā)電工況下，1號、3號和4號機(jī)組檢修前、后頂蓋水平與垂直振動分別如圖9（a）～（f）所示。由圖9（a）～（f）頂蓋振動可見：1號、3號和4號機(jī)組250MW工況運行時，以振動速度有效值和振動位移峰峰值兩個方面看，頂蓋水平振動和垂直振動均有大幅改善；在150～250MW負(fù)荷區(qū)間，3號機(jī)組頂蓋水平振動基本接近，其他機(jī)組頂蓋水平和垂直振動均低于改造前。以振動速度有效值和振動位移峰峰值來看，改造后頂蓋振動較改造前有明顯改善，提高了機(jī)組運行穩(wěn)定性。

圖9 機(jī)組頂蓋振動示意圖Figure 9 Layout of horizontal and vertical vibration of head cover

4.3 廠房振動

發(fā)電工況下，1號、3號和4號機(jī)組檢修前、后廠房母線層振動分別如圖10（a）、（b）和（c）所示。

如圖10所示，150～250MW負(fù)荷范圍內(nèi)運行時，1號、3號和4號機(jī)組150～250MW運行時，廠房母線層振動均有改善；改造前隨著負(fù)荷的增大，廠房母線層振動有逐漸增大的趨勢，改造后廠房母線層振動隨著負(fù)荷的增大基本維持不變。廠房振動方面，整體上，改造后廠房振動較改造前有明顯改善。

圖10 機(jī)組母線層振動示意圖Figure 10 Layout of busbar floor vibration

4.4 機(jī)組效率

發(fā)電工況下，3號機(jī)組檢修前、后機(jī)組指數(shù)效率試驗結(jié)果如圖11所示。1號機(jī)組與4號機(jī)組由于檢修前、后用于測量發(fā)電工況流量的測壓管路堵塞，故無數(shù)據(jù)。3號機(jī)組改造前平均工作水頭為324.91m，改造后平均水頭為323.49m。圖11機(jī)組相對效率試驗結(jié)果可見：3號機(jī)組改造后效率較改造前有所提升，平均約提升1.08%。

圖11 3號機(jī)組改造前、后相對效率試驗對比Figure 11 Comparison of relative efficiency test before and after unit 3# modification

4.5 泵工況對比

水泵工況下，1號機(jī)組檢修前、后頂蓋振動、無葉區(qū)壓力脈動、廠房振動和泵效率如表1所示。表1中1號機(jī)組改造前、后均為同一測點。由表1可見：整體上看，檢修后泵工況機(jī)組與廠房穩(wěn)定性指標(biāo)均有所提升，更有利于機(jī)組與廠房的長期安全穩(wěn)定運行；改造前、后，泵效率基本相當(dāng)。

表1 1號機(jī)組檢修前后泵工況試驗對比Table 1 Pump condition test comparison before and after unit 1# maintenance

5 結(jié)束語

通過對機(jī)組和廠房振動、壓力脈動開展了相關(guān)測試與分析，確定了電站廠房振動過大的原因是轉(zhuǎn)輪葉片與活動導(dǎo)葉之間動靜干涉而產(chǎn)生的壓力脈動（無葉區(qū)壓力脈動）幅值較大，且脈動中2倍葉片過流頻率100Hz與局部廠房結(jié)構(gòu)某階固有頻率相接近而引發(fā)局部廠房結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。更換新型轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉（增大導(dǎo)葉分布圓直徑比和對活動導(dǎo)葉適當(dāng)修型）以降低無葉區(qū)內(nèi)因動靜干涉引起的壓力脈動。轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉更換后的現(xiàn)場測試表明，新型水力設(shè)計成功解決了電站廠房振動過大問題，電站的運行穩(wěn)定性得到有效提高，為其他相關(guān)電站的更新改造提供了新的思路。