抽水蓄能機組壓力脈動的測試與研究

衣傳寶 羅開明 孫鵬玉 馮云峰

(1.國網(wǎng)新能源控股有限公司,北京 100761;2.許繼電氣技術(shù)中心,北京 100085;3.文思海輝技術(shù)有限公司,北京 102627;4.江西儀能科思科技發(fā)展有限公司,江西吉安343000)

抽水蓄能機組壓力脈動的測試與研究

衣傳寶1羅開明2孫鵬玉3馮云峰4

(1.國網(wǎng)新能源控股有限公司,北京 100761;2.許繼電氣技術(shù)中心,北京 100085;3.文思海輝技術(shù)有限公司,北京 102627;4.江西儀能科思科技發(fā)展有限公司,江西吉安343000)

近年來,隨著社會和科技的不斷發(fā)展,我國的抽水蓄能機組的發(fā)展步伐也在不斷的加快,抽水蓄能機組的壓力脈動測試與研究也逐漸成為了研究的重點。本文對抽水蓄能機組壓力脈動測試點的設置、基本分析方法以及基本參數(shù)的確定等進行了分析介紹,并且對測試點所產(chǎn)生的壓力脈動所具有的頻率特征和時域特征、常見的分布特征和產(chǎn)生振動時所經(jīng)的路線進行了分析研究,僅供相關人士參考。

抽水蓄能機組 壓力脈動 蓄能機組 測試研究

抽水蓄能電廠不僅能夠?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生的負荷變化情況進行有效的調(diào)節(jié)，而且比起常規(guī)的電廠，抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)當中，還具有靈活性調(diào)節(jié)、頻繁性機組啟停、填谷調(diào)峰等多種優(yōu)點和功能。但是抽水蓄能機組由于其特殊的結(jié)構(gòu)和功能特點，導致其在過渡的過程中比起常規(guī)的水輪機要復雜得多：在工況進行轉(zhuǎn)換的過程中，抽水蓄能機需要經(jīng)歷一系列復雜的瞬態(tài)過程，在瞬態(tài)過程進行的過程中，往往會發(fā)生受力和振動，而此時的受力和振動則遠遠大于常規(guī)的水輪發(fā)電機。因此，對抽水蓄能機組來說，壓力動脈成為了影響機組安全穩(wěn)定運行的主要測試指標之一。

1 抽水蓄能機組壓力脈動的概述

1.1 抽水蓄能機組壓力脈動的概述

通常情況下，抽水蓄能機組產(chǎn)生的壓力脈動可能會使得機組內(nèi)過流部件產(chǎn)生的負荷應力瞬間超過額定的數(shù)值。此時，這些過流部件逐步產(chǎn)生了機械的作用效應力，此機械的作用效應力和組成機組的部件一起共同產(chǎn)生了交變作用力，從而導致機組的一些組成部件出現(xiàn)疲勞損壞的現(xiàn)象。與此同時，若是抽水蓄能機組部件固有頻率和產(chǎn)生的壓力脈動頻率出現(xiàn)重疊，那么就有很大的幾率導致機組的機械部件產(chǎn)生共振，從而影響機組的平穩(wěn)運行。隨著這幾年我國抽水蓄能機組的不斷改進和完善，抽水蓄能機組的應用和技術(shù)水平都得到了很大的提高，但是對于抽水蓄能機組尤其是對于運行過程中各部件產(chǎn)生的壓力脈動情況仍未充分了解，因此對抽水蓄能機組的相關部件開展壓力脈動試驗，對于了解和分析抽水蓄能機組運行過程中出現(xiàn)的壓力脈動的情況，以及抽水蓄能機組的設計改進和完善具有重要的意義。

1.2 抽水蓄能機組壓力脈動測試點的設置

由于在導葉出口和水流進行撞擊之后會產(chǎn)生比較大的壓力脈動，而尾水管作為水流經(jīng)過的一種特殊、復雜的部件，同時也是最容易產(chǎn)生壓力脈動的地方。因此，在導葉和尾水管處分別設置壓力脈動的測試點；同時，在渦殼進口處和上冠、下冠等部位也設置了壓力脈動的測試點。

表1 抽水過程中各測試點產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值

表2 發(fā)電過程中各測試點產(chǎn)生的壓脈動數(shù)值

2 抽水蓄能機組壓力脈動基本參數(shù)的確定

2.1 抽水蓄能機組壓力脈動的試驗概況

在對抽水蓄能機組進行試驗的過程中，通過比較不同的作業(yè)工程在各個測試點所產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值，我們可以看出：設計階段是不存在壓力脈動值的，數(shù)值稍大一點的便是大流量階段產(chǎn)生的壓力脈動，而在小流量階段產(chǎn)生的壓力脈動值是最大的。

若實際流量小于設計中所要求的流量，則轉(zhuǎn)輪出口處的水流就會慢慢的向著導葉另外一邊產(chǎn)生碰擊，導致導葉上面具有的吸力作用而出現(xiàn)脫流，隨著流量的逐漸減小，所出現(xiàn)的脫流情況會越來越嚴重，因此所產(chǎn)生的壓力脈動也越來越大，同時所產(chǎn)生的脈動幅值變化也逐漸變大。

當實際流量大于理想中良好作業(yè)情況下所產(chǎn)生的流量時，由于產(chǎn)生較大的來流沖角，使得導葉由于壓力導致邊界層產(chǎn)生活動分裂的情況，進而出現(xiàn)了脫流的情況，此時產(chǎn)生的壓力脈動值也是較大的。試驗表明，在小流量的情況下導葉和轉(zhuǎn)輪之間所產(chǎn)的壓力脈動比起其他作業(yè)情況下的壓力脈動大很多。這主要是因為：導葉和轉(zhuǎn)輪在小流量情況下，其過渡范圍內(nèi)具有很多的渦，同時由于流量的不斷減少，而產(chǎn)生越來越多的渦結(jié)構(gòu)。

2.2 壓力脈動的基本分析方法

壓力脈動的基本分析方法主要有頻譜分析法和時域分析法。頻譜分析法是對產(chǎn)生壓力脈動的頻率成分進行分析，得出對壓力脈動產(chǎn)生具有重要影響因素的頻率成分，有助于分析產(chǎn)生壓力脈動的主要原因；時域分析法通過數(shù)據(jù)采集裝置對時域信號進行傳送，在時域信號的基礎上對壓力脈動的產(chǎn)生因素和原因進行分析。

2.3 壓力脈動基本參數(shù)的確定

從一定程度上來說，為了能夠達到機組穩(wěn)定運行的基本要求，通常情況下，分析確定水力激振所產(chǎn)生的振動傳遞路線、作用域和振源的方式主要是從振動方面進行考慮，此種方法主要采用對測試點的具體位置進行監(jiān)測，利用信號功率頻譜分析方法，確定信號頻率的基本參數(shù)以及與信號頻率參數(shù)相應的幅值。同時，為了能夠預測機組的疲勞壽命以及對設計進行反饋，需要對獲得的關系到機組疲勞壽命問題的載荷譜進行分析。此時，最適合采用時域分析法對相對應的壓力信號所具有的最大峰峰值、最小峰峰值、峰峰值平均值和壓力信號的平均值等壓力脈動參數(shù)進行分析。通過利用時域分析法對載荷譜的建立提供了基礎條件。

3 抽水蓄能機組壓力脈動的測試結(jié)果分析

3.1 抽水蓄能機組各部件運行過程中壓力脈動的分析

3.1.1 水泵機運行過程中的壓力脈動

抽水蓄能機組水泵機在運行的時候，其運行的過程實質(zhì)上就是抽水蓄能機組在靜止的條件下逐步地運行到充滿負荷載力的作業(yè)過程，通常情況下都會將水泵機的運行過程分成壓水、排氣、導葉運行和正常抽水四個過程。通過試驗結(jié)果得出，隨著時間增長，壓水、排氣、導葉運行和正常抽水的相對脈動值分別為2.81、4.21、3.67、2.07，由此可見，在水泵機運行的過程中，在排氣的作業(yè)過程中產(chǎn)生的相對壓力脈動值比較大，其次是導葉開始運行的作業(yè)過程。

在水泵機運行的過程中，若是在排氣過程中，沒有啟動導葉的運行，那么流進到輪轉(zhuǎn)室內(nèi)部的水流就會和轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部原有的極少數(shù)的水所組成的水環(huán)融為一體，從而共同組成了一個回流的現(xiàn)象。因此，下游所產(chǎn)生的壓力逐漸從原來的1000kPa的水位壓力成為5500kPa的揚程壓力，這個時候所產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值最大；而當導葉開始進行作業(yè)的時候，所產(chǎn)生的壓力值就會逐漸的從具有5500kPa的關閉揚程壓力成為上游具有6000kPa的水位壓力，而此時所產(chǎn)生的壓力脈動值也是最大的。

通過分析試驗過程中產(chǎn)生的脈動頻率譜值和幅度數(shù)值可以看出，壓力脈動中所具有的主頻主要為轉(zhuǎn)動頻率，主要是經(jīng)由機組的主軸部分進行轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的，而在壓水和排氣的運行過程中，若導葉還沒有開始運行，此時所產(chǎn)生的20倍轉(zhuǎn)動頻率所占的頻率譜值和幅度數(shù)值比重雖比較少，但因為產(chǎn)生的回流具有較強大的影響作用力，所以其所占有的轉(zhuǎn)動頻率的比重比較大；而在導葉運行和正常抽水的情況下，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動頻率比重則比較小。

3.1.2 水輪機運行過程中的壓力脈動

水輪機從啟動到運行，抽水蓄能機組經(jīng)歷了從靜止到充滿了負荷載力的整個過程，包括了導葉的零負載、加負載、一半負載、加負載和滿負載五個階段，通過對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出，以上五個階段所產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值分別為：9.52、8.91、4.64、4.4、3.42。由此可見，在水輪機運行的整個過程中，隨著時間的增長，壓力脈動逐漸降低，在導葉開始運行的零負載過程中壓力脈動數(shù)值最大，在滿負載運行過程中所產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值與其他階段產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值相比是最小的。這主要是因為在導葉剛開始啟動作業(yè)時，機組內(nèi)部的活動會因其變得混亂，進而使得其產(chǎn)生的壓力脈動值比其他階段產(chǎn)生的壓力脈動值大。隨著負載以及導葉范圍的不斷增加，導葉對活動的障礙性以及攔阻的作用便會逐漸的減弱，當導流效力不斷加強的時候，活動便會逐步的恢復，通暢程度不斷的提高，從而使產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值不斷的減少。

3.2 抽水蓄能機組壓力脈動測試結(jié)果分析

3.2.1 壓力脈動的頻率特征和時域特征

在抽水蓄能機組中，不管是在抽水過程中還是在發(fā)電過程中，又或是在水輪機作業(yè)的環(huán)境下，在導葉前后所出現(xiàn)的壓力脈動是機組所產(chǎn)生的激振源的主要來源。抽水蓄能機組無論是在什么作業(yè)環(huán)境下，都不可避免的要產(chǎn)生壓力脈動。根據(jù)壓力脈動的分布情況分析，產(chǎn)生壓力脈動數(shù)值最小的渦殼進口處都分別存在著58.6Hz和8.3Hz的倍頻成分和轉(zhuǎn)頻成分，因此，在導葉前后所產(chǎn)生的壓力脈動頻率也是最高的，其具有的倍頻成分和轉(zhuǎn)頻成分分別116.2Hz和58.1Hz。

3.2.2 壓力脈動常見的分布特征

通過分析壓力脈動測試數(shù)據(jù)結(jié)果，在正常工作條件情況下，不管是進行抽水或者是發(fā)電作業(yè)，在轉(zhuǎn)輪和導葉之間因撞擊而致振動產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值比其他部件的都要大，也就是說，在所有產(chǎn)生壓力脈動的部件中，導葉出口和轉(zhuǎn)輪之間的壓力脈動數(shù)值是最大的，其次是在頂蓋和密封中，在尾水管過段的壓力脈動數(shù)值相對以上兩個測試點來說都比較小，而在渦殼進口處產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值相對來說是最小的。以下2個表列出了抽水過程和發(fā)電過程中各測試點產(chǎn)生的壓力脈動數(shù)值。

3.2.3 壓力脈動產(chǎn)生振動時所經(jīng)的路線

當各測試點產(chǎn)生壓力脈動的時候，抽水蓄能機組所產(chǎn)生的水力激振主要是通過導葉出口和輪轉(zhuǎn)之間經(jīng)過撞擊的時候所產(chǎn)生的壓力脈動以及在尾水管過段部分產(chǎn)生的渦帶振動，而轉(zhuǎn)輪也由于撞擊而出現(xiàn)了葉片的數(shù)倍轉(zhuǎn)頻，與此同時，在進行過渡的時候?qū)~也會產(chǎn)生數(shù)倍轉(zhuǎn)頻。在測試轉(zhuǎn)軸信號和壓力脈動信號時，可以將機組內(nèi)的電磁、機械和水力三種重要的影響因素的影響作用直接的體現(xiàn)出來；機組內(nèi)的機械振動還會經(jīng)過導軸所承載的基礎和結(jié)構(gòu)進行傳遞；對于機組內(nèi)的頂蓋等各種金屬結(jié)構(gòu)部件，還會經(jīng)過頂蓋之上具有的結(jié)構(gòu)向著推力和軸承進行向上傳遞；當在混凝土進行傳遞時，所產(chǎn)生的振動也會隨之減少；一般情況下，可以對混凝土進行施工來防止相應的振動。

4 結(jié)語

綜上所述，從對抽水蓄能機組進行壓力脈動的測試分析結(jié)果來看，不管是在發(fā)電還是在抽水過程中，在導葉前后、尾水管渦帶都存在很明顯的壓力脈動，這主要都是由導葉和轉(zhuǎn)輪兩者之間的運行碰撞而引起的。因此，為了能夠盡量的減小壓力脈動，使造壓過程能夠安穩(wěn)的進行，需要對導葉前后所流經(jīng)的路線部件采取相應措施；同時還要盡可能的防止抽水蓄能機組的機械部件因為水流與導葉之間的撞擊而產(chǎn)生的壓力脈動出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。

[1]茍智德,富立新,李廣德,魏長健.抽水蓄能機組飛輪力矩的測試與分析[J].大電機技術(shù),2013(09).

[2]姚澤,支發(fā)林,閻宗國,黃青松,畢慧麗,王正偉.壓力脈動對抽水蓄能機組穩(wěn)定性的影響分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014(05).

[3]馬素萍,朱雷,張海平,張建光,孟曉超.抽水蓄能機組水泵水輪機模型測試[J].水利水電技術(shù),2012(04).

[4]孫躍昆,劉樹紅,劉錦濤,吳玉林,左志剛.水泵水輪機開機過程壓力脈動的試驗研究[J].工程熱物理學報,2012(08).

[5]姚丹,盧池.水輪機模型壓力脈動的測試及分析方法[J].中國水能及電氣化,2012(11).

[6]錢忠東,鄭彪.不同步導葉對混流式水輪機壓力脈動的影響分析[J].水力發(fā)電學報,2010(06).

[7]劉錦濤,劉樹紅,孫躍昆,吳玉林,王樂勤.水泵水輪機空載開度壓力脈動特性預測[J].工程熱物理學報,2012(03).

[8]肖若富,孫卉,劉偉超,王福軍.預開導葉下水泵水輪機S特性及其壓力脈動分析[J].機械工程學報,2012(04).

[9]譚娟,胡軍華,石兆存,朱玉泉.蓄能器組吸水水壓泵壓力脈動機理與試驗研究[J].噪聲與振動控制,2010(10).

[10]王樂勤,劉迎圓,劉萬江,覃大清,焦磊.水泵水輪機泵工況的壓力脈動特性[J].排灌機械工程學報,2013(01).

衣傳寶(1982.7—),山東臨沂人,男,國網(wǎng)新源控股有限公司科技信息部主管,主要從事抽水蓄能和新能源技術(shù)管理工作。

羅開明,許繼電氣技術(shù)中心系統(tǒng)軟件部副經(jīng)理。

孫鵬玉(1982.7—),遼寧遼陽人,女,華北電力大學電氣工程專業(yè)工程碩士,主要從事電力系統(tǒng)及發(fā)電專業(yè)技術(shù)研究工作。

馮云峰,江西儀能科思科技發(fā)展有限公司總工程師。