白山抽水蓄能電站暫態(tài)工況下機(jī)組振動特性研究

張永會，喬 木，鮑 峰，李金偉，于紀(jì)幸

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司白山抽水蓄能電站，吉林 吉林 132013；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

0 引言

目前，對于抽水蓄能電站機(jī)組振動特性研究主要聚焦在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況[1-4]，暫態(tài)工況下的機(jī)組振動問題系統(tǒng)研究很少見于報道。抽蓄機(jī)組由于其特殊運(yùn)行方式，機(jī)組啟停頻繁，工況轉(zhuǎn)換多，暫態(tài)工況下機(jī)組受到?jīng)_擊振動，部分抽蓄電站的機(jī)組振動比較顯著。

針對上述問題，本文依托白山抽水蓄能電站6號機(jī)組，在發(fā)電開機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開機(jī)、抽水停機(jī)4 種暫態(tài)工況下開展了機(jī)組振動測試，著重分析了水導(dǎo)擺度和頂蓋振動的時域與頻域特性，為解決已投運(yùn)抽蓄電站機(jī)組振動問題提供一點新的啟示。

1 機(jī)組基本參數(shù)

白山抽水蓄能電站位于吉林省東部長白山區(qū)樺甸市、靖宇縣交界處，坐落于松花江上游，距吉林市約300 km，下游距紅石水電站39 km，豐滿水電站250 km。電站利用已建的白山水庫作上庫、紅石水庫作下庫，安裝2 臺150 MW 抽水蓄能可逆機(jī)組，總裝機(jī)容量300 MW。工程規(guī)模為大（2）型，主要由引水系統(tǒng)、地下廠房及附屬洞室、通風(fēng)洞和上下庫進(jìn)/出口等水工建筑物組成。電站建成后投入東北電網(wǎng)，主要承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷及事故備用等任務(wù)。

白山抽水蓄能電站設(shè)計年抽水量17.65 億m3，年平均抽水耗電量6.24 億kW·h。電站最大水頭為123.9 m，最小水頭為105.8 m，設(shè)計水頭采用最小水頭105.8 m；最大揚(yáng)程為130.4 m，最小揚(yáng)程為108.2 m，設(shè)計揚(yáng)程為126.7 m。電站最低發(fā)電水位403 m，最低抽水水位395 m。兩臺機(jī)組分別于2005年11 月和2006 年8 月投產(chǎn)，通過與白山常規(guī)水電站共用2 回220 kV 線路送出[5-7]。

機(jī)組基本參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)

2 現(xiàn)場試驗測點與工況

暫態(tài)工況下機(jī)組振動特性研究主要聚焦水導(dǎo)擺度和頂蓋振動，水導(dǎo)+X、+Y 向各布置1 個測點、頂蓋+X、+Y、+XZ 向各布置1 個測點，如圖1 所示。

4 個暫態(tài)工況如下：

發(fā)電開機(jī)與發(fā)電停機(jī)：靜水頭123.24 m；抽水開機(jī)與抽水停機(jī)：靜水頭123.22 m。

現(xiàn)場試驗采樣頻率為1 kHz，數(shù)據(jù)連續(xù)采集。

圖1 擺度和振動測點

3 暫態(tài)工況下機(jī)組振動特性研究

（1）發(fā)電開機(jī)暫態(tài)工況

圖2 為發(fā)電開機(jī)有功功率時程曲線。

圖2 有功功率時程曲線

對于發(fā)電開機(jī)暫態(tài)工況而言，對機(jī)組沖擊最大的時刻為并網(wǎng)瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導(dǎo)擺度和頂蓋振動進(jìn)行分析，頻譜如圖3 所示。

圖3 水導(dǎo)擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖3 可以看出：機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率（7 葉片數(shù)與20 活動導(dǎo)葉數(shù)匹配的結(jié)果）。

（2）發(fā)電停機(jī)暫態(tài)工況

圖4 為發(fā)電停機(jī)有功功率時程曲線。

圖4 有功功率時程曲線

對于發(fā)電停機(jī)暫態(tài)工況而言，對機(jī)組沖擊最大的時刻為機(jī)組有功降至34.07 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導(dǎo)擺度和頂蓋振動進(jìn)行分析，頻譜如圖5 所示。

圖5 水導(dǎo)擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖5 可以看出：機(jī)組發(fā)電停機(jī)有功降至34.07 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率。

（3）抽水開機(jī)暫態(tài)工況

圖6 為抽水開機(jī)有功功率時程曲線。

圖6 有功功率時程曲線

對于抽水開機(jī)暫態(tài)工況而言，對機(jī)組沖擊最大的時刻為排氣充水結(jié)束快速開導(dǎo)葉吸入有功瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導(dǎo)擺度和頂蓋振動進(jìn)行分析，頻譜如圖7 所示。

圖7 水導(dǎo)擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖7 可以看出：機(jī)組抽水開機(jī)排氣充水結(jié)束快速開導(dǎo)葉吸入有功瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為轉(zhuǎn)頻、低頻以及3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率。

（4）抽水停機(jī)暫態(tài)工況

圖8 為抽水停機(jī)有功功率時程曲線。

圖8 有功功率時程曲線

對于抽水停機(jī)暫態(tài)工況而言，對機(jī)組沖擊最大的時刻為吸入有功降至89.11 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導(dǎo)擺度和頂蓋振動進(jìn)行分析，頻譜如圖9 所示。

由圖9 可以看出：機(jī)組抽水停機(jī)吸入有功降至89.11 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動的主頻均為低頻，此時活動導(dǎo)葉已關(guān)至較小開度，然后快速關(guān)閉，相當(dāng)于形成小的水錘效應(yīng)，產(chǎn)生低頻的振蕩波。

圖9 水導(dǎo)擺度和頂蓋振動頻譜圖

表2 顯示了4 個暫態(tài)工況沖擊最大瞬間的水導(dǎo)擺度和頂蓋振動峰峰值。

表2 水導(dǎo)擺度和頂蓋振動峰峰值

由表2 可以看出：4 個暫態(tài)工況下，水導(dǎo)擺度峰峰值均處于較高水平，抽水開機(jī)和抽水停機(jī)暫態(tài)工況下的頂蓋振動比較劇烈，發(fā)電開機(jī)和發(fā)電停機(jī)暫態(tài)工況下相對較好。

4 結(jié)論

本文以白山抽水蓄能電站6 號機(jī)組為研究對象，對發(fā)電開機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開機(jī)、抽水停機(jī)暫態(tài)工況下的機(jī)組振動特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率（7 葉片數(shù)與20 活動導(dǎo)葉數(shù)匹配的結(jié)果）；

（2）機(jī)組發(fā)電停機(jī)有功降至34.07 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率；

（3）機(jī)組抽水開機(jī)排氣充水結(jié)束快速開導(dǎo)葉吸入有功瞬間，水導(dǎo)擺度主頻為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動的優(yōu)勢頻率為轉(zhuǎn)頻、低頻以及3 倍葉片過流頻率；

（4）機(jī)組抽水停機(jī)吸入有功降至89.11 MW 與電網(wǎng)解列瞬間，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動的主頻均為低頻，此時活動導(dǎo)葉已關(guān)至較小開度，然后快速關(guān)閉，導(dǎo)致水錘效應(yīng)，產(chǎn)生低頻的振蕩波；

（5） 4 個暫態(tài)工況下的水導(dǎo)擺度峰峰值均處于較高水平，抽水開機(jī)和抽水停機(jī)暫態(tài)工況下的頂蓋振動比較劇烈，發(fā)電開機(jī)和發(fā)電停機(jī)暫態(tài)工況下相對較好。