路 建，胡清娟，谷振富，鄭 凱，孟曉超，易忠有

（1.河北張河灣抽水蓄能有限公司，河北省石家莊市 050021；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；4.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，對優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)我國核電、風(fēng)電等清潔能源大規(guī)模發(fā)展、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。我國抽水蓄能電站建設(shè)起步較晚，為實(shí)現(xiàn)蓄能電站機(jī)組設(shè)備制造的自主化，國家制定了打捆招標(biāo)、技術(shù)引進(jìn)、消化吸收的“三步走”戰(zhàn)略，經(jīng)過多年的建設(shè)實(shí)踐，在機(jī)組設(shè)計(jì)能力、設(shè)備制造水平等方面有了較大的提高，電站施工和運(yùn)行管理上積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但多年的運(yùn)行實(shí)踐也逐漸暴露出早期投運(yùn)的機(jī)組引發(fā)電站廠房振動和運(yùn)行不穩(wěn)定問題，隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累，對水泵水輪機(jī)固有的水力特性有了新的認(rèn)識。

轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)葉之間的動靜干涉是水電站廠房振動的重要來源之一。水泵水輪機(jī)靜態(tài)部件均有葉片通頻諧波為主的周期振動，振源為活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間的無葉區(qū)動靜干涉引起的壓力脈動。水泵水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉、頂蓋及底環(huán)等過流部件均以動靜干涉產(chǎn)生的水力激振模式做受迫振動，水力激振力頻率隨不同葉柵組合方式及機(jī)組轉(zhuǎn)速而變化[1]。日本東芝水電公司對高水頭水泵水輪機(jī)葉輪裂紋事故的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪應(yīng)力的振動頻率是導(dǎo)葉數(shù)量和轉(zhuǎn)速的乘積，振動是由于尾流的不均導(dǎo)致的激勵振蕩，也就是動靜葉片干涉所導(dǎo)致的[2]。如果動靜干涉引起的水力激振頻率與電站廠房結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主頻接近，就可能會引起廠房的劇烈振動。

本文介紹了張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)動靜干涉所誘發(fā)的電站廠房振動問題，以及其解決思路和處理方法，這些經(jīng)驗(yàn)可供解決其他大型抽水蓄能電站的振動問題參考。

1 張河灣蓄能電站振動問題

1.1 張河灣蓄能電站概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市，電站總裝機(jī)容量為1000MW，安裝4臺單機(jī)容量250MW的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組。張河灣電站水泵水輪機(jī)組額定水頭305m，額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，電站年發(fā)電量16.75億kW·h，年抽水電量22.04億kW·h，年發(fā)電利用小時數(shù)為1675h，建成后接入河北南網(wǎng)，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。2007年12月底張河灣電站第一臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2009年2月全部投入商業(yè)運(yùn)行。

1.2 廠房振動問題

張河灣電站機(jī)組投入運(yùn)行以來，電站廠房樓板一直存在強(qiáng)烈的振動并伴有高頻噪聲，主要表現(xiàn)為：機(jī)組在發(fā)電工況運(yùn)行時產(chǎn)生振動劇烈且振感及噪聲強(qiáng)烈，振動和噪聲隨著負(fù)荷增大而增強(qiáng)；廠房樓板振動嚴(yán)重，且上游側(cè)比下側(cè)游強(qiáng)烈、中間比兩邊強(qiáng)烈，在水輪機(jī)工況額定出力下振動最大。電站廠房振動和噪聲強(qiáng)烈程度在國內(nèi)外抽水蓄能電站中比較罕見，尤其當(dāng)某個部件或整體的自振頻率接近振源頻率而發(fā)生共振時，振感更加強(qiáng)烈。振動已經(jīng)危及廠房結(jié)構(gòu)安全，還可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和錯誤動作而影響儀器設(shè)備的正常運(yùn)行。

對電站廠房和水泵水輪機(jī)組進(jìn)行了振動和壓力脈動測試，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)表明，廠房振動主頻隨機(jī)組轉(zhuǎn)速而線性變化，各轉(zhuǎn)速下廠房振動的主頻基本都為葉片通流頻率的2 倍。

（2）變負(fù)荷試驗(yàn)表明，在額定轉(zhuǎn)速下各負(fù)荷的廠房振動主頻為100.0Hz，該頻率為機(jī)組正常發(fā)電時葉片通過頻率的2 倍，見圖1。

（3）廠房振動測量表明，廠房部分結(jié)構(gòu)存在接近100Hz的自振頻率，存在局部共振的可能。

2 振動解決思路

2.1 振源分析

抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況運(yùn)行時，轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉間相互作用的壓力脈動有可能是機(jī)組在水輪機(jī)工況運(yùn)行時產(chǎn)生振動的主要原因，這種動靜干涉現(xiàn)象是由轉(zhuǎn)輪引起的勢流擾動和活動導(dǎo)葉的尾流引起的流場擾動之間的相互作用的結(jié)果。當(dāng)動靜干涉頻率與機(jī)組部件或廠房樓板固有頻率相同或相近，且壓力脈動幅值較大超過臨界值時，動靜干涉的激振能量將引起機(jī)組或廠房樓板的振動。

水泵水輪機(jī)動靜干涉的轉(zhuǎn)頻在機(jī)組設(shè)計(jì)初期就已確定，但在真機(jī)運(yùn)行中仍然發(fā)現(xiàn)存在強(qiáng)烈的由于轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間水流干擾所帶來的高頻振動，這主要取決于其激振能量的大小。作用在轉(zhuǎn)輪及固定部件上的主要水力激振諧波頻率與轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動頻率有關(guān)，分別為[2]：

（1）從固定部件上看，作用與轉(zhuǎn)輪上的水力激振的諧振頻率為活動導(dǎo)葉的通過頻率fG及其倍頻見式（1）：

圖1 張河灣電站水泵水輪機(jī)現(xiàn)場測量壓力脈動頻譜圖（250MW）[3]Figure 1 Pressure fluctuation spectrogram at 250MW output of Zhanghewan pumped-turbine

（2）從轉(zhuǎn)動部件上看，作用與活動導(dǎo)葉、頂蓋和底環(huán)上的水力激振的諧振頻率為葉片的通過頻率fR及其倍頻見式（2）

式中fn——轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動頻率；

ZG——活動導(dǎo)葉數(shù)；

ZR——轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；

n——轉(zhuǎn)動部件為諧波階次；

m——固定部件為諧波階次。

張河灣電站水泵水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=333.3r/min，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)ZR=9，據(jù)此計(jì)算得到水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻fn=5.555Hz，葉片通過頻率fR=m×9×5.555=m×50Hz。根據(jù)對張河灣電站廠房和水泵水輪機(jī)組進(jìn)行振動和壓力脈動測試的結(jié)果，在額定轉(zhuǎn)速下廠房的振動頻率為100Hz，因此計(jì)算確定諧波階次m=2。

因此可以確定，電站廠房和機(jī)組的振動與水泵水輪機(jī)的動靜干涉特性有重要關(guān)系。

2.2 減輕動靜干涉的措施

減輕張河灣電站廠房振動的思路有兩種，一是優(yōu)化廠房的結(jié)構(gòu)，改變廠房的自激振頻率并增大剛度；二是優(yōu)化水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，改變激振源的主頻并降低激振的能量。很顯然，對水泵水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化可以從根本上降低或消除振動，而且付出的成本較低。因此，采取對水泵水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的方案。

在水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)時考慮減輕動靜干涉對機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行的影響，降低無葉區(qū)壓力脈動幅值，即降低其激振能量，主要途徑有兩個，一是優(yōu)化轉(zhuǎn)輪（水輪機(jī)）葉片數(shù)，改變激振源的主頻；二是增加活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的距離，即電站活動導(dǎo)葉分布圓直徑D0與轉(zhuǎn)輪D1的比值，減小轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉之間的流動干擾。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念認(rèn)為[4]，為了兼顧機(jī)組的效率和穩(wěn)定性，水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉分布圓直徑比D0/D1通常為1.15～1.20。張河灣水泵水輪機(jī)的D0/D1為1.167。我們對我國已建或在建主要抽水蓄能電站活動導(dǎo)葉分布圓直徑比D0/D1進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)組單機(jī)容量的增大，特別是動靜干涉對機(jī)組穩(wěn)定性影響的重要性，活動導(dǎo)葉分布圓直徑比D0/D1有增大的趨勢，目前一些電站已經(jīng)突破了1.20，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

因此，為了減輕動靜干涉影響，提高水力穩(wěn)定性，對水泵水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的方向有2個：一是增大導(dǎo)葉分布圓直徑比D0/D1；二是改變轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉的數(shù)量。

表1 我國抽蓄電站水泵水輪機(jī)動靜干涉參數(shù)Table 1 Rotor-stator interaction parameters of pumped-turbines in China

3 水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪開發(fā)

3.1 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化

由于電站廠房樓板振動激振源來自于水泵水輪機(jī)的動靜干涉，重新開發(fā)轉(zhuǎn)輪減輕或消除振動是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。改造方案初期曾考慮新轉(zhuǎn)輪開發(fā)時直接改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的方案，徹底改變?nèi)~片通流轉(zhuǎn)頻來解決激振源問題，制造商擔(dān)心引起其他問題，而沒有采納?？紤]張河灣電站水泵工況運(yùn)行時無振感，制造商決定還是采用原轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，以降低無葉區(qū)壓力脈動為目的進(jìn)行新轉(zhuǎn)輪開發(fā)。

水泵水輪機(jī)的改造通過優(yōu)化轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊葉片型線（水輪機(jī)方向）來改善導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的流態(tài)，重點(diǎn)將導(dǎo)葉分布圓直徑比D0/D1從原來的1.167增加到1.197，進(jìn)水邊也是向軸向深挖以增加無葉區(qū)寬度，可以說新轉(zhuǎn)輪D0/D1的平均比值遠(yuǎn)大于1.2，以此達(dá)到減輕動靜干涉的目的。張河灣水泵水輪機(jī)的新轉(zhuǎn)輪見圖2。

圖2 張河灣新轉(zhuǎn)輪（2016年）Figure 2 The newly-developed runner of ZHANGHEWAN pumped-storage power station（2016）

3.2 優(yōu)化結(jié)果

制造商在2014年進(jìn)行了水力開發(fā)和研究，2014年底進(jìn)行了第一輪模型驗(yàn)收（中間轉(zhuǎn)輪），中間轉(zhuǎn)輪無葉區(qū)壓力脈動混頻壓力脈動幅值與原轉(zhuǎn)輪相比在50%負(fù)荷到100%負(fù)荷范圍內(nèi)下降26%～42%。由于中間轉(zhuǎn)輪在水泵工況空化性能比老轉(zhuǎn)輪性能更加惡化，且在水輪機(jī)工況額定水頭滿負(fù)荷的壓力脈動存在上升趨勢，幅值仍然接近7%。制造商又進(jìn)行了一年的研發(fā)，開發(fā)出2016年新轉(zhuǎn)輪。以額定水頭305m為例，新轉(zhuǎn)輪混頻壓力脈動幅值與原轉(zhuǎn)輪相比在50%負(fù)荷到100%負(fù)荷范圍內(nèi)下降26%～75%，見圖3，同時2倍Zr×fn主頻幅值（100Hz）新轉(zhuǎn)輪比老轉(zhuǎn)輪降低了大約5.8倍，見圖4。

圖3 張河灣電站水輪機(jī)工況在額定水頭305m時無葉區(qū)壓力脈動（混頻幅值）比較圖Figure 3 Comparison map of pressure fluctuation （mixing amplitude）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

圖4 張河灣電站水輪機(jī)工況在額定水頭305m時無葉區(qū)壓力脈動（2Zr×fn主頻幅值）比較圖Figure 4 Comparison map of pressure fluctuation（amplitude at 2Zr×fn main frenquency）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

2017年7月新改造轉(zhuǎn)輪投入運(yùn)行，從現(xiàn)場測試結(jié)果看，廠房樓板振動和高頻噪聲問題明顯解決。

4 結(jié)束語

張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改造方案，使我們對水泵水輪機(jī)水力特性對機(jī)組穩(wěn)定性的影響有了進(jìn)一步新的認(rèn)識，這不僅對老電站改造提供了一個較好的案例，也對今后在新電站建設(shè)過程中提高機(jī)組穩(wěn)定性優(yōu)化轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)有著很好的參考。

（1）在水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)初期關(guān)注轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和機(jī)組轉(zhuǎn)速的匹配。

（2）在分析動靜干涉頻率時不僅要分析一次諧波的影響，而且要同時分析二次和三次諧波對機(jī)組及廠房運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。

（3）通過增大活動導(dǎo)葉分布圓直徑比和轉(zhuǎn)輪優(yōu)化有效地減小了無葉區(qū)的動靜干涉，解決了廠房的振動和高頻噪聲的問題；

（4）通過水泵水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低壓力脈動幅值、且壓力脈動幅值隨負(fù)荷的增加平緩下降及在大負(fù)荷工況不上翹對機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行影響較大。