大型抽水蓄能機組水力穩定性分析及其預控措施

羅成宗，張　飛

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺州 317312；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161）

為滿足國家重要能源戰略需求，我國抽水蓄能建設在十三五期間邁入跨越式發展階段，已投運包括浙江仙居、江西洪屏、廣東清遠等三座大型抽蓄機組，將投運河北豐寧、安微績溪、吉林敦化、海南?？诘却笮统樗钅軝C組。較常規機組而言，抽水蓄能機組具有高水頭、高轉速、雙向運行、水力、電氣和機械激振頻率范圍寬、頻繁啟停及工況轉換、振動傳遞路徑復雜等特點。這導致抽水蓄能電站機組和廠房振動、噪聲問題較常規機組突出。張河灣機組投運后由水力因素引發的機組與廠房振動問題嚴重且廠房噪聲嚴重超標[1]。國內某電站機組額定運行時發電機層板梁結構實測加速度響應最大幅值為5.66 m/s2，位移響應最大幅值為0.577 mm，板梁結構的出現明顯裂縫，裂縫最大寬度0.4 mm，最大深度達220 mm；天荒坪[2]、宜興[3]等機組在調試階段均發生小開度下空載不穩定造成的機組并網問題等。上述問題不僅影響了電站及電網的安全、穩定運行，也對運行人員的工作環境及身心健康造成不利影響。因此，在現有抽水蓄能電站在機組選型設計、水力設計、廠房結構設計、模型試驗及穩定性研究等基礎上，以國內建成或正在建設的大型抽水蓄能電站機組的選型設計、水力設計、廠房結構設計、模型試驗及穩定性現狀為參考，結合電站現場測試數據的分析統計，提出抽水蓄能機組振動、壓力脈動評判標準及安全運行區域建議，對已投運的抽水蓄能電站機組和廠房振動提出具有可行性的減振控制改進措施，探索研究抽蓄機組振動、脈動控制評價標準，研究大型抽水蓄能電站機組和廠房結構合理可行的減振、避振措施，提出在確保機組振動滿足要求方面需要進行的各項振動控制措施與要求，是目前抽水蓄能建設過程中亟待解決的問題。

抽水蓄能電站機組振動問題是一個系統、復雜、涉及面廣的課題，它的研究對象是由水輪機、發電機、軸承、機架和混凝土支撐結構組成的復雜系統，涉及到流體、電磁等介質。研究理論涉及到結構動力學、電磁動力學、流體動力學等多學科的交叉。研究方法上，既要研究各個部件的振動特性，又要將各個部件組成系統進行綜合分析，并將理論分析、現場測試結合起來，才能較為全面地認識地下廠房的振動問題，從而為避免由于振動帶來的危害提供理論依據。

1　振動源分析

根據工程經驗，引起抽水蓄能電站機組及廠房結構振動的振源主要來自三個方面：水力振源、機械振源、電磁振源，其中尤以水力振源最為突出。蓄能機組普遍采用地下式廠房，水泵水輪機按照水泵工況設計、水輪機工況校核，安裝高程主要由水泵工況所決定，葉輪比轉速較低，因此水輪機工況的部分負荷下壓力脈動問題相對來說并不突出。但由于比轉速的降低，導致轉輪扁平化，從而使得葉輪流道相對較長，無葉區空間受到限制，因此蓄能機組普遍存在由不穩定流場和轉輪葉片與活動導葉之間的流體動力干涉產生的動靜干涉（Rotor Stator Interference，RSI）和相位共振（Phase Resonance，PR）問題。除此之外，“S”區的存在導致壓力脈動增大的同時也將影響機組正常并網，水泵工況的空化亦引起機組的不穩定運行。與常規水輪機類似，部分負荷及小開度的卡門渦、過渡過程尾水管中水柱分離引起的大幅壓力脈動在水泵水輪機上也偶有存在。現場測試資料表明，機組擺度測點主頻為機組轉頻及其倍頻、尾水管渦帶頻率。機組振動主頻為轉頻及其倍頻、葉片通過頻率及其倍頻率、尾水管渦帶頻率、極振頻率及其倍頻。分析認為出現這些頻率的可能原因如下：

1.1　動靜干涉

動靜干涉是指轉輪葉片每轉一周經過葉片尾流時，其周向均受到激勵而出現的特定徑向節點數的圓盤形振動。動靜干涉振型節點數k，轉輪振動頻率fR和固定導葉頻率fG由葉片數ZR和導葉數ZG的組合所確定，滿足下式：

目前我國已投運的抽水蓄能機組轉輪葉片數主要采用7葉片和9葉片設計，其中以9葉片數最多，導葉數則主要集中在20，因此動靜干涉引起的節徑情況對于7/20組合主要為1，對9/20組合則主要為2。對于7/20組合，主要的頻率成分為一倍葉片通過頻率；對9/20組合，主要頻率成分為2倍葉片通過頻率。產生于無葉區的動靜干涉對機組及廠房振動有顯著的影響，對張河灣、桐柏、仙居、蒲石河等電站機組與廠房的振動進行測試結果表明，在不同負荷情況下機組固定部件、廠房振動及關鍵部位噪音中均包含明顯的動靜干涉頻率，其中在額定負荷時均以動靜干涉頻率為主頻[4][5]。動靜干涉現象使得機組在滿負荷運行時廠房與機組的振動增大，且相對于其它水力干擾頻率，動靜干涉頻率為高頻，對機組與廠房的疲勞強度、預期壽命影響不可忽視，同時噪聲中的動靜干涉頻率極易對人產生疲勞感，造成運維人員的職業安全傷害。

1.2　相位共振

相位共振[6]是動靜干涉引起的壓力脈動通過導水流道傳播至蝸殼并反射和疊加所形成的共振現象。影響相位共振的主要因素有流道的幾何參數與流動參數，幾何參數通常包括轉輪葉片數、活動導葉數、固定導葉數、蝸殼流道的等效直徑等，流動參數則包括波速、流速、壓力等參數。根據相關學者的分析張河灣機組存在相位共振的風險極高[7]。目前對這一因素的研究主要集中在理論分析階段，由于影響共振發生的參數難以保證原型與模型一致，因此通過模型試驗對其進行預測尚存在很大難度，故原型觀測的方式對其進行綜合分析亟需開展，以對未來新機組進行指導。

1.3　卡門渦

卡門渦是雷諾數增大到一定程度后流體繞流產生的重要現象。在一定條件下的定常來流繞過物體時，物體兩側周期性的脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后形成卡門渦?？ㄩT渦的存在與相對速度w、圓柱體等效直徑d、旋轉脫落頻率fk以及斯特魯哈數之間Sh存在如下關系：

上式表明卡門渦頻率與相對流速成正比與特征尺寸成反比。卡門渦的存在對機組存在兩方面的影響：一是卡門渦使導葉兩側交替并周期地承受卡門渦作用力，導致固定部件產生振動；二是當導葉或周圍水體的固有頻率與卡門渦頻率一致，當激振力足夠大時，在導葉對卡門渦的調制作用下產生嚴重的共振現象?？ㄩT渦在常規水電機組及蓄能機組中均有出現。三峽右岸ALSTOM水輪機[8]在毛水頭82 m負荷區間550～590 MW時發生異常嘯叫聲，通過對水車室噪音及頂蓋振動測試結果表明轉輪葉片出口存在嚴重的卡門渦，后經葉片修型解決這一問題。云南大朝山[9]、貴州董箐[10]等水電站也出現過這一現象。宜興蓄能電站機組在2009年調試期間發生泵工況小開度活動導葉卡門渦共振現象，從而導致活動導葉嚴重振動失穩，B Nennemann和E Parkinson采用CFD方法對產生這一原因的機理進行了分析指出雙穩定流和卡門渦是其主要激振源，通過對導葉進行修型解決了這一問題[3]。

由于模型與原型的差異，卡門渦并不能夠通過模型試驗進行判斷，卡門渦頻率計算公式中的各個參數的精度也影響著頻率的計算，而通流部件中存在三種葉片（轉輪葉片、活動導葉與固定導葉），卡門渦的脫流點及頻率需分別計算，因此對水泵水輪機中的卡門渦需要進一步研究，以避免卡門渦出現造成對機組的損傷。

1.4　“S”區特性

由于蓄能機組的大力發展，近年來國內外學者對水泵水輪機“S”區特性研究較多，理論分析方面，Petersen[11]、Martin[12]等人基于葉片式水力機械內特性解析理論建立了水泵水輪機全特性曲線的數學表達式；數值模擬方面，紀興英[13]、李仁年[14]等人采用不同的計算模型成功實現了對“S”區特性進行了模擬；模型試驗觀測方面，陳德新[15]等針對模型試驗中的流態進行了觀測，并對“S”區不穩定流動的原因進行了分析；原型機方面，“S”區對已投運機組的影響[16]極其對策有大量文獻可供參考。

縱觀“S”區對水泵水輪機的影響主要表現在兩個方面，一是水輪機工況空載的穩定性，二是水輪機甩負荷時導葉關閉過程中的不穩定現象。早在1982年比利時COO II蓄能電站機組出現并網困難時，VOITH公司便提出了加裝導葉非同步開啟裝置的解決方案[17]。國內機組，包括惠州、黑麋峰、白蓮河、張河灣、仙游等均在采用導葉全同步開啟方式啟動時存在空載并網不成功現象，從而采用加裝導葉非同步開啟裝置解決該問題。如天荒坪機組低水頭發電空載運行時水輪機進入“S”區，造成機組逆功率嚴重，機組并網困難，同樣因為“S”區問題，機組在甩負荷后不能達到空載穩態[2]。蓄能機組普遍甩滿負荷后形成兩次轉速極值過程，這一過程形成的原因就是水泵水輪機的“S”區特性。由于水泵水輪機固有的“S”特性，蓄能電站已發生多起事故，宜興機組調試期間，3號機組過速時尾水管直錐段出現的異常噪音以及頂蓋、底環和尾水錐管段的異常振動、導葉失步現象也是因為“S”區所產生[18]。

1.5　水環

水環現象是具備調相工況運行的水電機組所固有的現象，而蓄能機組廣泛具有調相功能，因此水環問題在蓄能機組出現的問題較多。蓄能機組水泵啟動及調相運行時，轉輪在空氣中旋轉，此時為冷卻上、下止漏環，在頂蓋和底環的上、下止漏環處通入冷卻水，冷卻水從端面間隙進入轉輪室，在旋轉轉輪離心力的作用下甩向無葉區形成水環。水環起到冷卻轉輪和密封壓縮空氣的作用。而當設計不合理時，水環過厚將導致轉輪葉片與水環的摩擦，造成機組的振動加劇。張河灣機組在調試初期由于水環管路設計問題，曾發生水環排水管頻繁振裂的現象，造成機組安全穩定性的重大安全隱患[19]。因此應加強蓄能機組水環管路設計，對水環產生的機理進行相應研究，避免后續電站出現類似問題。

1.6　其它方面

影響水泵水輪機的穩定性除上述原因外，尚有以下幾個方面：

⑴部分負荷下的尾水管渦帶。相比較其他因素引起的機組穩定性問題，抽水蓄能機組渦帶負荷區壓力脈動并不突出，目前尚未發現因尾水管渦帶導致的機組及廠房穩定性問題。

⑵水輪機迷宮環止漏裝置的自激振動。由于迷宮環導致的機組穩定性問題在天荒坪曾經出現[20]。天荒坪機組上迷宮環間隙設計間隙較大，導致密封泄露量增大，動態情況下（負荷突變）造成推力軸承負荷過大或抬機現象，進一步造成推力瓦溫突變、機組振動過大等影響。

2　水力誘發振動的控制措施

2.1　改善水泵水輪機運行穩定性的措施

2.1.1減小水輪機工況尾水管壓力脈動幅值

混流式水泵水輪機由于設計時以水泵為主，水輪機工況運行時，單位轉速高于最優單位轉速，在偏離最優工況運行。由于混流式水輪機固有特性，葉片進口撞擊和葉片出口有渦帶產生，從而使尾水管壓力較大。大量的工程案例表明，通過對通流部件的優化，使尾水管壓力脈動值不超過6%，可以有效保證機組安全穩定運行。在水泵工況運行時，由于尾水管水流較平順，壓力脈動值較小，不會對穩定運行產生不利影響。

2.1.2改善“S”區特性

可逆式水泵水輪機因為轉輪直徑較大，離心力作用大，在高速區水輪機方向水的進流速度很快下降，在n11-Q11四象限綜合特性曲線中開度線顯著向下彎曲。由于彎曲的開度線與單位力矩M11=0線的交角很小，故這種機組在達到飛逸后有可能繼續進入制動區。低比轉速的水泵水輪機內水流在受到自身慣性驅動而進入制動區后，由于水流對轉輪的阻擋作用，在流量減小的同時也使轉速下降，故開度線出現向n11值反彎的現象。如果慣性力仍不消失，轉輪離心力將使水反向推出，即進入反水泵區，此后轉速將再增大，使開度線向更高n11方向變曲，總的形成一個S形，稱為“S”特性曲線。無論是7葉片還是9葉片或長短葉片，可通過對水力通道和轉輪翼型的優化取得較好的“S”區特性，避免機組在低水頭并網困難問題。

2.1.3水泵工況的空化

模型試驗表明，在同樣的泵工況進口直徑D2的情況下，9葉片轉輪的空化性能優于7葉片的轉輪，在設計轉輪時，為了改善轉輪的空化性能，把模型轉輪的低壓邊直徑適當增大。在選擇安裝高程時，應滿足水泵工況無空化運行，從而避免水泵工況由于空化引起的不穩定運行。

2.1.4駝峰區

在水泵水輪機水泵工況H-Q特性曲線中，在一定的較小流量區域，揚程H隨著流量的減小而急劇下降，然后又逐漸上升，此區域即為水泵水輪機的駝峰區。駝峰區是泵及水泵水輪機的固有特性之一。針對駝峰區的控制，主要從水力設計入手。目前，存在兩個優化方向：一是水泵工況設計點的合理選擇。在滿足電站最大揚程和最小揚程以及水泵效率要求的同時，最大設計揚程Hmax和駝峰區最小揚程Hminhump間應有足夠在的余量。二是水力設計參數對駝峰區的影響。大量工程經驗表明，為滿足機組安全穩定運行要求，水泵工況模型最小協聯開口時應有2.0%的駝峰余量。

2.1.5防止水泵工況導葉開啟時的小開度振動

導葉分布圓直徑直接影響導葉與轉輪葉片之間的水流干涉強度。對高水頭低比速水泵水輪機，設計中取較大的導葉分布圓直徑，可有效的減小導葉與轉輪葉片之間的水力干涉強度。通過對導葉翼型優化和導葉進口長度和出口長度匹配關系的研究，使導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，從而保證在水泵工況導葉開啟時不產生小開度振動。

2.1.6避免過渡過程中尾水管水柱分離

目前我國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。尾水管壓力如過低，就會產生水柱分離。為避免水柱分離應設置尾水調壓井或增大淹沒深度。應通過過渡過程分析計算，保證在任何工況下尾水管進口壓力不小于0 m水柱，從而避免水柱分離發生。

2.1.7減低活動導葉后轉輪前的壓力脈動幅值

混流式水泵水輪機由于為雙向流動，在水輪機部分負荷和水泵的小流量區出現高壓邊脫流、低壓邊脫流、死水區，在這些工況運行時，導葉后轉輪前的壓力脈動幅值會急劇增大。應通過對葉片的出口角、導葉分布圓直徑、導葉翼型的優化，降低活動導葉后轉輪前的壓力脈動幅值，使該幅值在正常運行范圍內不大于12%。

2.1.8防止水輪機迷宮止漏裝置中的自激振動

應對高水頭水泵水輪機止漏環位置和間隙匹配問題進行研究，掌握防止止漏環產生自激振蕩的方法，避免因止漏環自激振動產生的機組運行穩定問題。

2.1.9水力激振頻率的計算

轉輪葉片與導葉之間的干擾將以一定的相位失真和時間滯后出現在轉輪周邊處，相位滯后由導葉數ZG和轉輪葉片數ZR組合確定。轉輪葉片與導葉間的相互干擾產生的激振力將引起某些振型，該振型具有一定數目的繞轉輪軸向旋轉的徑向節點。當頻率fr同有k個節點的轉輪固有頻率一致時，就會發生轉輪共振。因此轉輪在水中的固有頻率應避開上述頻率，除此之外，還應避開轉輪上冠和下環反向振動的頻率。

2.2　工程管理措施方面

機組振動及廠房噪聲控制涉及多個專業和領域的協作項目，需要各參建單位通力協作，其中項目建設單位作為基建期主要管理方和產品的最終用戶，要做好核心主導作用，協調設計單位、設備制造單位、安裝調試單位和運行單位的各階段工作，主要采取以下管理措施。

2.2.1工程設計單位

在工程設計階段，工程設計單位應提交以下振動專題報告并經詳細評審：

⑴水力過渡過程專題研究報告（重點應包括引水系統的水體共振）；

⑵經科研機構、高校等第三方復核的水力過渡過程專題研究報告；

⑶對機組轉頻與機組固定部件及廠房固有頻率作專題分析報告；

⑷根據《GB/T15613-2008水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》在主機招標文件中對模型試驗提出具體要求；

⑸對主機設備主要部件的剛度在招標文件中提出具體要求。

2.2.2機組制造廠家

在機組前期設計階段，制造廠家應提交關于振動的一系列專題報告，在水力設計開發階段，至少應包括以下內容：

（1）葉片轉頻引起的動靜干涉分析；

（2）壓力脈動特性及壓力脈動對機組穩定運行分析；

（3）導水機構的自激振動及共振分析；

（4）水泵制動工況的導葉振動分析；

（5）機組在工況轉換及水輪機并網時的穩定性分析。

（6）機組轉頻與機組固定部件固有頻率分析報告。

（7）主機設備動靜不平衡產生的軸承振動、轉輪迷宮動分析報告；

（8）機組軸系穩定及強度分析報告。

2.2.3項目建設單位

項目建設單位應高度重視水泵水輪機模型試驗，并組織相關專家嚴格按照合同要求對模型試驗進行見證和驗收。水泵水輪機模型驗收時，對以下關鍵指標超過合同保證值的模型拒絕驗收通過，這包括：

⑴水泵水輪機加權平均效率；

⑵正常運行工況下導葉與轉輪間、尾水管進口壓力脈動值；

⑶水泵水輪機駝峰區裕量；

⑷水泵水輪機空化性能；

⑸水泵水輪機“S”區特性，正常運行區域避開“S”區；

⑹水泵水輪機出力、入力及流量；

⑺水泵水輪機飛逸特性。

2.2.4機組安裝單位

應加強對機組現場安裝質量和工藝控制。重點是對座環水平調整、轉輪迷宮間隙、機組軸線調整、水導軸承間隙調整、固定部件與轉動部件的同心度等關鍵指標進行管控。嚴格按照GB/T8564《水輪發電機組安裝技術規范》和廠家提供的安裝指導書進行作業，保障機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影響機組穩定性的相關專題工作，組織業內專家進行咨詢評估，安排后續工作。

3　結論

眾多問題的產生要求我們必須重視大容量抽水蓄能機組的運行穩定性，堅持“預防為主，防治結合”的思路。“預防為主”要求在機組設計階段采用高強度材料并選擇合理的結構設計，提高機組在不同工況下各個部件及整體剛強度及穩定性；依據標準規范要求，加強設計水平，優化機組局部與整體結構。“防治結合”要求機組在調試及運行階段嚴格按照運行規程要求，強化狀態監測技術在運維中的應用，促進故障診斷技術的發展，同時進一步完善相關技術標準與導則。

隨著我國大規模特高壓交、直流輸電網絡的建設，蓄能機組在電網中的重要性更加突出，為此在機組的穩定性問題尚未完全解決的前提下，合理的機組參數與結構對機組的安全穩定運行具有至關重要的作用，因此應重視蓄能機組參數與結構的合理選擇、重視發電電動機與水泵水輪機的匹配，同時優化機組的運行方式，做到設計上避免問題、制造與安裝中不產生問題、運行維護上遇到問題能夠解決問題。

參考文獻：

[1]尹銚,劉碧龍，常道慶，等.張河灣蓄能電站廠房噪聲與振動調查[C]//全國環境聲學學術會議論文集,2012.

[2]游光華,孔令華，劉德有.天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪“S”形特性及其對策[J].水力發電學報,2006,25(6)：136-139.

[3]Nennemann B,Parkinson E.Yixing pump turbine guide vane vibrations：problem resolution with advanced CFD analysis.[C]//25th IAHR symposium on hydraulic machinery and systems,2010.

[4]張飛,唐擁軍,王國柱,等.球閥動水關閉過程中球閥與機組穩定性分析[J].振動與沖擊,2017,36(8)：244-252.

[5]張飛,周喜軍,孫慧芳,等.水力激振作用下的蓄能機組泵工況穩定性分析 [J].南水北調與水利科技,2017(15)5：202-208.

[6]Doerfler P.On the role ofphase resonance in vibrationscaused by blade passage in radial hydraulic turbomachines[C]//IAHR Section Hydraulic Machinery,E-quipment,and Cavitation,12th Symposium,1984.

[7]袁壽其,方玉建,袁建平，等.我國已建抽水蓄能電站機組振動問題綜述[J].水力發電學報,2015,34(11)：1-15.

[8]易平梅.三峽右岸ALSTOM水輪機轉輪卡門渦分析與處理[C]//中國水利學會青年科技論壇，2008.

[9]李啟章.大朝山轉輪葉片的卡門渦共振[C]//第十五次水電設備學術討論會，2004.

[10]賈瑞旗,劉安國，劉杰.董箐電站機組異常噪音測試分析及水輪機減振措施 [C]//第十八次水電設備學術討論會,2011.

[11]Pettersen K,Nielsen T K.An explanation to the steep speedflow characteristic ofRPTs[C]//Proceedingsof22nd IAHR symposium,2004.

[12]Martin C S.Instability of pump-turbine with S-shaped characters[C]//Proceedings of 20th IAHR symposium,Charlotte,2000.

[13]紀興英,賴旭.低比轉速水泵水輪機“S”區特性數值模擬[J].水動力學研究與進展,2011,26(3)：318-326.

[14]李仁年,劉殿興,董志強,等.水泵水輪機“S”形區全流道數值模擬[J].排灌機械工程學報,2013,31(5)：401-405.

[15]陳德新,謝輝.低比速水泵水輪機“S”特性區的內部流動[J].水利學報,2001,1(2)：76-78.

[16]權強,余睿,孫領.非同步導葉在仙游抽水蓄能電站的應用[J].水電站機電技術,2017,40(6)：4-6.

[17]Klemm.Stabilizing the characteristics of a pump-turbine in the range between turbine part load and reverse pump operation[J].Voith Research and Construction,1982.

[18]蔡軍,周喜軍,鄧磊,等.江蘇宜興抽水蓄能電站3號機組過速試驗異常水擊現象的研究 [J].水力發電,2009,35(2)：76-79.

[19]徐桅,潘雪石.張河灣抽水蓄能電站機組水環設計與現狀分析[J].水電與新能源,2016(1)：46-48.

[20]戴勇峰,王海,張克危,等.混流可逆式轉輪密封裝置的泄漏量及其對機組運行的影響[J].水力發電學報,2005,24(2)：100-104.