抽水蓄能機組發電電動機停機過程振動分析

張 飛，周喜軍

(國網新源控股有限公司技術中心，北京100161)

大型抽水蓄能發電電動機運行穩定性受多方面因素影響，包括水力、電氣和機械因素。其中水力因素相對于其它兩個因素更為復雜，且難以預測，尤其是過渡過程工況[1]。傳統上，針對水力因素的影響主要集中在效率特性的研究上，近些年來隨著一系列在調試、運行等階段因水力因素導致的機組與廠房振動問題產生[2- 4]，加深了工程技術人員對機組穩定性的認識，使得對水力因素所產生的機組穩定性問題獲得了廣泛重視。水力因素對機組的影響研究主要采用兩種方法，計算流體動力學CFD(Calculated Fluid Dynamics)方法和試驗方法，其中試驗方法又包括模型與原型觀測。CFD方法中，由于模型及計算能力的限制，對過渡過程工況的脈動計算并不能夠完全實現[5,6]。基于模型試驗的機組穩定性預測受限于原模型的不完全相似導致預測結果和原型觀測存在較大差距[7]，且模型試驗重于穩態過程分析，對過渡過程工況鮮有相關文獻關注。因此，原型觀測在機組性能分析中起著至關重要的作用，這主要表現在原型觀測不僅可以獲得全水頭下機組的運行特征，而且可以獲得機組實際可能出現的所有工況下的穩定性情況[3,8]。

近年來隨著風電、光伏等發電機組大規模的投運，對電力系統的影響日趨嚴重，使得抽水蓄能機組利用小時數大幅上升，這導致抽水蓄能機組頻繁啟停、大量穿越諸如負荷增減、啟機、停機等各種過渡過程工況。而這些工況在模型試驗中并不關注，在各種模擬計算中由于計算誤差偏大，不能對此有良好的預測。基于此，本文針對原型蓄能機組進行觀測以獲得發電電動機停機情況下水力激振作為激振源所具有的振動特性。

蓄能機組的壓力脈動主要來自球閥下游側至尾水管這段區域內。根據頻率的高低可以大致分為：部分負荷和超負荷產生的低頻渦帶，通常小于一倍轉頻，如尾水管渦帶頻率[9]；與轉頻相關的中頻脈動，如轉輪與頂蓋間所產生的一倍及三倍葉片頻率脈動[10]；與活動導葉和固定導葉有關的高頻壓力脈動，主要有葉片過流頻率[11]、動靜干涉頻率[12]等，以及與空化[13]、卡門渦[4]等有關的高頻脈動。很多學者對穩態工況下的上述壓力脈動對機組及廠房的影響進行了詳細研究[14]，而對包含開、停機等過渡過程工況下的對機組及廠房的影響研究則較少。故本文對某抽水蓄能電站各種不同工況停機時發電電動機固定部件振動數據進行分析，獲得了停機過程中發電電動機固定部件頻率特征，同時結合機組與廠房在設計階段的結構動力分析，指出了設計階段存在的不足。

1 停機工況分析

蓄能機組穩定運行工況包括水泵方向調相工況(Synchronous Condenser Pump，SCP)、水輪機方向調相工況(Synchronous Condenser Turbine，SCT)抽水工況(Pumping Operation，PO)和發電工況(Generating Operation，GO)，對應四種穩定工況存在四種停機過程。四種工況下停機過程轉速曲線見圖1所示。

圖1 機組不同工況停機過程的轉速曲線

SCP和SCT工況停機基本類似，機組發電機出口回路斷路器斷開后監控系統啟動回水排氣流程，轉輪由在水環中旋轉過渡至水中旋轉，當機組轉速降至50%額定轉速時啟動電制動(不同的廠家對啟動電制動時對應的轉速有差異，參見文獻[15])，采用增大電磁阻力矩方法加速機組停機過程；至5%額定轉速時啟動機械制動，采用增大機械摩擦力矩方法加速機組停機過程。GO工況停機時，機組調速器連續關閉導葉，減負荷至小功率后斷開發電機回路斷路器，斷開勵磁回路斷路器，轉速降至50%時與SCP、SCT工況停機相同。PO工況停機時，調速器控制導葉持續關閉，至某一負荷時斷開發電機回路斷路器，此時由于導葉尚未完全關閉，機組在反向水錘作用下快速減速，至轉速50%時投電制動，5%時采用機械制動加速停機。

從圖1可見四種工況停機過程中當轉速低于95%額定轉速后，機組停機過程曲線相似。考慮到SCT和SCP工況停機時停機流程一致、轉速曲線基本相符，因此可以僅對其中一種工況進行研究。為充分對比正、反兩個方向停機過程機組振動特性特性，同時亦考慮到PO工況停機過程與GO工況截然不同的停機過程，本文亦對GO與PO工況的停機過程進行分析。

綜上，本文對PO、GO和SCT 3種工況進行分析。

2 時域分析

圖2 不同工況停機過程中發電電動機振動時域波形

SCT、GO和PO正常停機時發電電動機各振動測點時域波形圖見圖2所示，其對應的整個停機過程振動混頻幅值見圖3所示。混頻幅值計算采用95%置信度方法進行計算，計算時長取6個同步旋轉周期。

從時域波形圖和混頻幅值可以看出：整體上看，三種工況下斷路器斷開后，發電電動機振動先增大后隨轉速降低而逐漸減小，至約16%轉速左右時振動再次增大，后至5%轉速投機械制動時振動增大，至停機后振動趨于穩定；SCT工況停機時，斷路器斷開后首先執行排氣回水流程，最初30 s轉輪在水環中旋轉，此時轉速下降近似成直線，機組振動保持較為恒定，隨著氣體的排出，轉輪觸水后發電電動機受水力因素影響振動達到最大值，排氣回水流程完成后轉輪在水體中旋轉，機組振動在更大的阻尼作用下振動逐漸減小；GO與PO工況基本類似，均是斷路器斷開前的小負荷區存在振動最大值；斷路器斷開后，轉輪水體中旋轉，機組在由水體、風損等阻尼、50%轉速后電氣制動阻尼、5%轉速后機械制動阻尼的作用下完成停機。

圖3 停機過程中發電電動機振動混頻幅值趨勢

以上分析可見，SCT工況停機過程中發電電動機振動首先受機械因素影響，其次在排氣回水完成后受機械和水力因素的共同影響，轉速至50%后的停機過程受機械、水力和電氣因素共同影響。而PO和GO工況時發電電動機振動則一直是在水力和機械因素影響，在50%轉速時疊加電氣因素影響。SCT與GO、PO工況的主要差別在于水力因素疊加影響的時刻不同，SCT工況時由于排氣回水的原因，水力阻尼在轉速降至95%左右時疊加。由于停機流程設計時均在5%轉速時投機械制動，故機組在低轉速至停機過程時均是5%轉速后在制動器與制動盤摩擦下引起發電電動機振動增大。

3 頻域分析

機組停機過程是轉速不斷減小的過程，屬于典型的非穩態信號，為了實現對非穩態信號的分析，采用短時傅里葉變換對這一過程中的發電電動機振動信號進行時頻分析。短時傅里葉變換的思想是在傳統傅里葉變換的框架中，把非平穩信號看成是一系列短時平穩信號的疊加，而短時性則通過在時域上的加窗實現，并通過平移參數來覆蓋整個時域[16]。

在發電機振動測試過程中，采樣率為1 280 Hz，分析時長為斷路器斷開前的狀態至機組全停的整個過程，短時傅里葉變換采用的窗函數為漢寧窗，窗口長度為4 s(考慮時間與頻率分辨率的矛盾性，本文折中采用4 s時長，0.25 Hz頻域分辨率)，移動步長取0.5 s。

根據以上設置對SCT停機過程中定子機組垂直振動進行分析，其時頻圖見圖4所示。

圖4 SCT停機過程中定子基座垂直振動時頻

根據采樣率可以確定頻譜的最高分析頻率為640 Hz，而對時頻圖分析結果表明各種工況下頻率成分主要集中在200 Hz以下，基本不存在高于200 Hz的頻率成分，因此為了更加清晰表達時頻圖中的有效頻率成分，圖4中頻率上限定為200 Hz。從圖4中可以看到：在整個SCP停機過程中，定子基座振動中主要存在與轉速相關的頻率，分別為：一倍葉片過流頻率fbp1、動靜干涉頻率frsi(兩倍葉片過流頻率，動靜干涉頻率取決于轉輪葉片數與活動導葉數，對于案例抽水蓄能機組其轉輪葉片數與活動導葉數組合為9/20，當模數為2時的動靜干涉頻率為2倍葉片過流頻率[17])以及一倍與二倍推力瓦通過頻率ftp1、ftp2，這些頻率隨著機組的轉速降低而降低，其中與水力相關的葉片過流頻率和動靜干涉頻率在SCP穩定運行時并不存在，通過時頻圖可見該頻率成分起源的時刻自SCP工況停機時回水排氣后尾水管內水體接觸轉輪之后，這與混頻幅值分析圖3相一致。推力瓦通過頻率與推力瓦的個數緊密相關，表現為：

ftp2=2·ftp1=2·n·m/60

式中，n為機組轉速；m為推力瓦個數，共12個。

動靜干涉頻率為兩倍的葉片過流頻率，其與一倍葉片過流頻率關系為

frsi=2·fbp1=2·n·k/60

式中，k表示轉輪葉片數，共9片。

圖4中除了存在與轉速相關的水力干涉頻率和推力瓦通過頻率，停機過程中尚存在不同轉速條件下所激發出的共振頻率，對圖4中部分時頻圖進行放大，其結果見圖5所示。

圖5 SCT停機過程中定子基座垂直振動時頻圖局部放大

考慮到停機過程中，變轉速下所激發的共振頻率激振在較低的頻率區間和較高的轉速范圍，圖5中給出的圖像對應圖4中的時間范圍為50～400 s，頻率范圍為50～200 Hz。在轉速下降過程中，從圖5中可見在不同轉速下激發出了不同的共振頻率。考慮到當轉速緩慢變化時所激發的共振頻率值保持不變，對頻率與轉速進行提取，所提取出的共振頻率與轉速中心數值見表1所示。采用類似的分析方法可以獲得發電電動機不同部件在SCT工況下的所激發的共振頻率與轉速中心數值，結果見表1所示。

表1 SCT停機過程中定子基座垂直測點共振頻率及轉速

從表1可見，在轉速下降過程中50～200 Hz范圍內，各垂直測點表現出的共振頻率基本一致，在轉速下降過程中將激發出固定部件的固有頻率。發電電動機在設計階段通常需要進行各個部件力特性計算，此時考慮的激振力源包括：機組轉動頻率(轉頻，額定轉速對應的恒定值頻率)、機組飛逸轉速頻率、機組電磁激振頻率、轉輪葉片通過頻率和低頻水力激振頻率等。這些頻率基本包含了額定轉速下所對應的激振源頻率，然而并未考慮機組在啟、停機過程中的激振。圖5和表1充分說明了在停機這一過渡過程中，機組存在共振情況發生。

隨著我國抽水蓄能的大規模建設以及近一年來蓄能機組的可利用小時數急劇增加，機組啟、停機次數明顯增多，從而造成機組過渡過程工況運行時間顯著增多，由于蓄能機組雙向設計，導致過渡過程工況下機組穩定性參數較常規機組問題嚴重。因此在設計階段必須增加對諸如啟、停機、負荷增減、工況轉換等過渡過程中的激振力進行計算以確保在各種過渡過程中機組不發生共振問題導致對機組結構產生不利影響。

4 結 論

本文對抽水蓄能發電電動機包括SCT、SCP、GO和PO工況停機過程中的固定部件振動信號進行時域混頻幅值分析，采用窗口傅里葉變換對信號進行時頻分析獲得以下結論：

(1)不同工況停機過程中，發電電動機固定部件混頻幅值具有基本一致的變化規律，機組啟動停機流程從轉速開始降低后至5%轉速投電制動前振動混頻幅值隨著機組轉速降低逐漸降低，在投電制動后受制動阻尼影響振動混頻幅值增大，停機完成后混頻幅值降為零。

(2)停機過程中，發電電動機固定部件主要頻率成分包括：受水力激振影響固定部件存在一倍葉片過流頻率與動靜干涉頻率；受轉速影響并與推力瓦數目相關的推力瓦通過頻率。

(3)停機過程中，機組轉動部件將激發出共振頻率，共振頻率集中在中頻段100～200 Hz。考慮到設計階段機組關鍵部件的結構動力學計算集中在100 Hz以下，且不考慮諸如開、停機等過渡過程工況，因此應對加強對過渡過程工況共振情況進行校核，避免廠房與機組共振風險。

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