水泵水輪機暫態試驗數據分析和處理方法探討

嚴 麗，鄧 磊

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311100；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京市，100161）

0 引言

近10年來，我國抽水蓄能電站建設迅猛發展，每年都有數臺機組投運，一般合同規定，質保期內均需做水輪發電機組的性能試驗，以校驗機組性能是否達到合同保證值要求。最重要的試驗之一是過渡過程甩負荷/水泵斷電試驗，測量蝸殼壓力上升和轉速上升值，用來校驗調速器性能和蝸殼、尾水管設計參數是否滿足合同要求。

當現場測量值超過合同保證值時，特別是壓力上升，對這些測量值是否需要處理和如何評判，壓力脈動如何計入等，一直是困擾業內人士的一個問題，常常會引起合同雙方的爭議。本文目的是通過研究機組現場暫態試驗的國際標準和介紹機組現場試驗的實際案例，建議行業制定一個操作性強的試驗導則，用以指導現場試驗值的分析和判斷。

1 IEC有關暫態特性試驗的定義和規定

1.1 暫態特性試驗定義

IEC 60041—1991規定為：暫態特性試驗主要是甩負荷或斷電試驗。據分析，實際出現概率最大的最惡劣工況是同一鋼管的幾臺機同時甩滿負荷或合同規定的其他工況，最惡劣工況的確定要在試驗前，由合同雙方同意認可[1]。

檢驗合同保證值的參數有：蝸殼進口壓力最大上升、尾水管進口壓力最小值、機組最大轉速上升、導葉關閉時間以及關閉規律等。

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

本文主要探討機組甩負荷后的對壓力上升值測量結果的分析和處理。

1.2 暫態試驗—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：在對試驗結果評判前，需要確認不存在因電磁干擾引起的失真和出現尖峰。不確定度需要合同各方確認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，應直接根據儀表校驗曲線確定或根據各記錄儀表綜合來考慮[2]。

1.3 關于壓力和壓力脈動的測量要求

IEC 60041—1991中7.2.3條：測量設備要對機械振動不敏感，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]。

測量中必須能重復出現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成一致意見，不因測頭阻尼或諧振而出現失真。高頻壓力脈動可通過適當濾波加以清除。

1.4 試驗數據分析

IEC 60994—1991中9.2.1和9.2.2條：對于峰值比較穩定或變化不大或對瞬態值不感興趣的情況，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，現場試驗后的確需要對結果做一定的分析和判斷，以求獲得有效的數據。

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為導葉數，Z1為葉片數，fn為機組轉頻[2]。

因目前現場試驗用的儀表的采樣頻率國內規范沒有統一的要求和規定，某電站分別采用了200Hz和500Hz采樣頻率進行測試，試驗結果差異見表1。

表1 不同的采樣頻率儀表的試驗數據Tab.1 Field test data of different sample rate

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

2 現場試驗結果和合同保證值的對比要求

試驗后，需要將試驗結果和合同保證值做對比，IEC 60041—1991的有關要求如下[1]。

2.1 試驗工況

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

2.2 與保證值比較

IEC 60041中7.2.3規定：考慮暫態過渡工況的測量總精度和總偏差后，同時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生疊加的情況下，合同中應解釋并對允許的偏差做出說明，如未說明，則該偏差為零。如：

瞬態轉速偏差，包括測量誤差在內，為轉速變化保證值的10%；

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

3 國內兩個抽蓄電站甩負荷試驗結果分析案例

通過上述研究可知，IEC 60041—1991和IEC 60994—1991對現場暫態試驗的要求和試驗誤差以及和保證值的比較，都有一些規定。目前國內抽水蓄能機組的暫態試驗結果都是按IEC規范要求把試驗工況的參數換算到最不利工況，但對最終試驗結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參數

A抽水蓄能電站裝機4臺額定容量300MW的水泵水輪機—發電電動機組，輸水系統采用一管兩機布置。試驗工況為兩臺機組同時甩負荷。該電站主要參數如表2所示。

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

3.1.2 試驗數據和結果后分析過程

該項目的蝸殼進口設置2個壓力測點，高于機組中心線0.89m；進水閥前1個壓力測點，低于機組中心線2.6m。所有甩負荷壓力上升數據換算到機組中心線以及換算到最不利的2臺機相繼甩負荷工況。記錄試驗信號的儀表的采樣頻率為800Hz。

在最初單機甩負荷試驗中，因球閥前壓力高于蝸殼壓力很多，和理論分析明顯不符；對單機甩負荷的情況，通過計算出壓力脈動，并反演計算至最惡劣工況，發現蝸殼進口壓力上升高于合同保證值，故主機廠在業主要求下做了分析，采取了低通濾波的方法，基本內容如下：

（1）進水閥前壓力濾波分析。

在穩態情況下球閥前和蝸殼進口壓力變化規律應該是相似的，如圖1所示；對穩態0～20s的數據進行頻譜分析發現存在不相似的情況，如圖2和圖3所示，判斷是由于管道放大效應引起。根據波速和管路長度計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口的壓力變化趨勢就接近了，符合壓力變化的規律。

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

圖2 甩前穩態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 甩前穩態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，其管道效應是來自蝸殼到測點之間，根據計算管路一階共振頻率大概在500Hz左右，所以分析認為500Hz附近帶寬頻率成分不可用；對甩負荷時蝸殼壓力進行頻譜分析，如圖4所示，認為管道效應的頻率范圍在400～600Hz，分析認為除由管道效應引起的壓力脈動頻率成分外，無超過200Hz頻率成分導致的過大壓力脈動，所以蝸殼壓力采取了低通濾波截止頻率為200Hz的方法。

圖4 雙甩時暫態蝸殼進口壓力頻譜分析Fig.4 The spiral case pressure spectral analysis during double load rejection transient

圖5是雙機甩100%負荷時蝸殼壓力沒有濾波的結果（紅色）和濾波200 Hz（綠色）的曲線。蝸殼進口所測的最大壓力為791mWC，按200Hz濾波后779mWC，相差12m水柱。試驗結果滿足合同要求。

圖5 雙甩時蝸殼進口壓力（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參數

B抽水蓄能電站裝機4臺額定容量300MW的水泵水輪機—發電電動機組，輸水系統采用一管兩機布置，試驗工況為兩臺機組同時甩負荷。該電站主要參數如表3所示。

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

3.2.2 試驗情況介紹

該電站甩負荷試驗做過幾次，第一次甩75%負荷試驗的結果發現，進水閥前的壓力明顯過高，超過蝸殼進口壓力很多，見表4中的老測點數值。

表4 甩75%負荷實測結果對比Tab.4 The 75% load rejection test results of different sample rate

經多方分析，因進水閥前的測壓管路是從壓力鋼管環繞一圈引入一個總管接到水輪機機墩邊，然后再接測量儀表。管路長，固定不夠牢固，又多彎道，內部可能存有氣體，導致動態測量有誤，故進水閥前壓力過高的結果是失真的。

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

3.2.3 數據分析和換算

（1）蝸殼進口壓力上升和合同保證值對比。

通過現場試驗甩75%負荷的結果看出，壓力脈動比較大，通過演算，推算2臺機相繼甩負荷最惡劣工況下，蝸殼進口最大壓力為702.23m，蝸殼進口最大壓力能夠滿足不超過728m水柱的合同中的要求。

（2）數據采樣頻率對結果的影響。

從試驗數據可看出，采樣頻率不同，結果略有不同，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，該電站后續試驗都是用的這個基準數據。

（3）置信度和數據分析。

因各個工況的試驗值都在合同范圍內，500Hz采樣的沒有做數據處理，直接采納的是試驗測量值。

200Hz采樣的在結果分析中用了97%置信度，參考的是IEC 60193—1999水泵水輪機模型試驗中的有關穩態要求的規定。但暫態試驗中，國標和IEC都沒有提到置信度，筆者研究認為可根據IEC 60041—1991的規定引入測量誤差來修正試驗結果。

3.3 案例分析小結

從上述2個案例中可以看出：

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

（2）對測量儀表的采樣頻率，各個試驗單位和主機廠家選取了不同，但近幾年，根據統計國內多個抽水蓄能電站，試驗中多采用1000～1200Hz的采樣頻率。

（3）對試驗結果的高頻過濾值，沒有統一的原則和規律，一般主機廠會根據試驗頻譜結果做分析，采用低通濾波的方法進行數據處理。

（4）對試驗結果的不確定度和測量誤差，各電站國內試驗方沒有按IEC規范要求來修正試驗值，而部分主機廠則考慮了置信度。

（5）當與合同保證值對比時，各項目都把試驗工況的測量值或低通濾波后的數據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有關試驗規范的研究，以及國內電站的現場試驗值的分析案例，對現場試驗要求和數據處理有了進一步認識，針對目前國內水泵水輪機招標文件中缺少現場性能試驗方面的具體要求和試驗后的數據分析方法的約定，筆者認為有必要增加相應內容，具體建議如下：

4.1 數據采集要盡量準確

（1）對現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）對現場測試系統的測試精度、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）對測點的布置提出要求，對于過渡過程而言重要的蝸殼壓力、進水閥前壓力、尾水管進口壓力等測點，儀表盡量靠近被測對象，管路應盡可能短，避免長管路[1][4]。

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

4.2 制定暫態試驗導則

建議抽蓄行業內制定一個暫態試驗導則，對暫態試驗數據采集和處理方法提供指導性意見。

4.3 關于置信度和誤差的取用

IEC 60041-1991中對暫態試驗沒有置信度的描述，說明是不需要考慮的；但對試驗結果誤差有明確的要求，實踐中可直接采納使用。建議以后主機合同中明確這條，以免各個項目的各個試驗單位或主機廠采用不同的方法和數據。同時為試驗人員分析數據提供依據，減少各方對試驗結果的爭議。