郭 鵬，劉殿海，李赟俐，秦 俊，張 飛

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

0 引言

2020年習(xí)近平總書記提出了我國(guó)力爭(zhēng)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)，我國(guó)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)。作為目前最為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，抽水蓄能電站對(duì)能源的低碳、高效、安全利用具有重要作用[1]。目前我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模已位居世界首位，其中已投產(chǎn)電站裝機(jī)規(guī)模3249萬(wàn)kW，在建電站裝機(jī)規(guī)模5393萬(wàn)kW，預(yù)計(jì)到2025年投產(chǎn)裝機(jī)總規(guī)模可達(dá)6200萬(wàn)kW。隨著我國(guó)抽水蓄能電站的迅猛發(fā)展，助推了抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)的快速增長(zhǎng)，由此帶來(lái)了廠房振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)一步的凸顯。

由于抽水蓄能電站運(yùn)行水頭高，水泵水輪機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高，水力設(shè)計(jì)復(fù)雜，存在嚴(yán)重的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象[2，3]，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組與廠房存在較為突出的振動(dòng)問(wèn)題[4，5]。目前針對(duì)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者通過(guò)理論分析、內(nèi)部流固耦合計(jì)算和模型試驗(yàn)驗(yàn)證等方法對(duì)動(dòng)靜干涉機(jī)理進(jìn)行了研究，但是關(guān)于動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組和廠房振動(dòng)影響的文章很少[2-4]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)大型抽水蓄能電站普遍存在廠房劇烈振動(dòng)問(wèn)題[5]，嚴(yán)重危及機(jī)組儀器設(shè)備、自動(dòng)化元器件的正常運(yùn)行，甚至造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，降低區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰能力及電網(wǎng)調(diào)度靈活性[6-9]。另外，廠房劇烈振動(dòng)給機(jī)組運(yùn)行維護(hù)人員的職業(yè)健康也造成嚴(yán)重負(fù)面影響。

因此，本文結(jié)合張河灣抽水蓄能電站生產(chǎn)技術(shù)改造工程實(shí)例，對(duì)比分析了轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉更換前、后的廠房振動(dòng)情況，揭示了發(fā)電和水泵工況下廠房振動(dòng)與無(wú)葉區(qū)動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)之間的聯(lián)系，得到了引起廠房振動(dòng)問(wèn)題的原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉切實(shí)有效降低了無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)，成功地解決了廠房振動(dòng)問(wèn)題，提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)于其他存在類似抽水蓄能電站廠房振動(dòng)問(wèn)題的解決提供新的思路。

1 電站概況

張河灣純抽水蓄能電站裝機(jī)容量為4×250MW，安裝了單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)，采用“一管兩機(jī)”布置方式，主管長(zhǎng)約570m，尾水洞長(zhǎng)約170m，電站距高比為1.58。該電站水泵水輪機(jī)組額定水頭為305m，最大水頭為346m，最小毛水頭為291m，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義直徑為4.641m，額定轉(zhuǎn)速為333.3r/min，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20，固定導(dǎo)葉數(shù)為20。

2 廠房振動(dòng)改造前情況分析

自機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，該抽水蓄能電站廠房樓板振動(dòng)嚴(yán)重危及到了廠房結(jié)構(gòu)、機(jī)組設(shè)備和工作人員的安全。如圖1所示為發(fā)電工況和抽水工況下廠房振動(dòng)測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖，其中采用0.1s的同步采樣數(shù)據(jù)清晰顯示發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層和蝸殼層波形圖細(xì)致結(jié)構(gòu)，在額定負(fù)荷下，發(fā)電與抽水工況中廠房各層樓板振動(dòng)波形均具有明顯的簡(jiǎn)諧振動(dòng)特征，在負(fù)荷基本相同的情況下，發(fā)電工況下各層樓板振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)幅值較抽水工況大，發(fā)電工況運(yùn)行的動(dòng)靜干涉強(qiáng)度更加明顯；各層樓板振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值相比較，母線層最大，蝸殼層最小，同時(shí)各層樓板振動(dòng)測(cè)點(diǎn)之間振動(dòng)不同步，存在明顯的相位差。

圖1 廠房振動(dòng)時(shí)域波形圖Figure 1 Time-domain waveform of powerhouse vibration

另外，圖2給出了變負(fù)荷過(guò)程中動(dòng)靜干涉作用下的廠房振動(dòng)時(shí)域波形圖，在機(jī)組正常抽水工況啟機(jī)過(guò)程中，抽水方向調(diào)相（synchronous condenser pump，SCP）轉(zhuǎn)正常抽水工況（pump operation，PO）最終至額定負(fù)荷穩(wěn)定，無(wú)葉區(qū)動(dòng)靜干涉幅值穩(wěn)定，從而對(duì)廠房各層樓板造成穩(wěn)定持續(xù)的激勵(lì)，廠房各層樓板中存在恒定幅值的振動(dòng)效應(yīng)現(xiàn)象。

圖2 變負(fù)荷過(guò)程中廠房振動(dòng)時(shí)域波形圖Figure 2 Time-domain waveform of powerhouse vibration in SCP to PO

為解決上述問(wèn)題，對(duì)機(jī)組和廠房振動(dòng)、壓力脈動(dòng)開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試與分析。水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)中的動(dòng)靜干涉是引起電站機(jī)組及廠房振動(dòng)的主要激振源。動(dòng)靜干涉產(chǎn)生以葉片通過(guò)頻率為主頻的高頻壓力脈動(dòng)。當(dāng)壓力脈動(dòng)頻率與廠房或機(jī)組振動(dòng)固有頻率重合時(shí)，使得機(jī)組與廠房發(fā)生了水力共振現(xiàn)象，造成機(jī)組與廠房振動(dòng)過(guò)大。

當(dāng)抽水蓄能機(jī)組的導(dǎo)葉數(shù)和水泵水輪機(jī)葉片數(shù)分別為Zg和Zr時(shí)，抽水蓄能機(jī)組靜止系統(tǒng)（導(dǎo)葉）和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（水泵水輪機(jī)葉片）相互作用產(chǎn)生動(dòng)靜干涉[10，11]：

式中，m為機(jī)組靜止系統(tǒng)（導(dǎo)葉）過(guò)流頻率（導(dǎo)葉數(shù)×轉(zhuǎn)頻）下的諧波階數(shù)；n為轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（水泵水輪機(jī)葉片）過(guò)流頻率（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻）下的諧波階數(shù)；ν為節(jié)徑，整數(shù)。

如圖3所示為無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻域瀑布圖，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)以1倍葉片過(guò)流頻率50Hz為主頻（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=9×5.55Hz=49.95Hz），同時(shí)存在較為明顯的2倍葉片過(guò)流頻率100Hz（動(dòng)靜干涉頻率）。

圖3 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻域瀑布圖Figure 3 Frequency waterfall of vaneless zone pressures

如圖4所示給出了額定負(fù)荷發(fā)電工況和抽水工況時(shí)廠房各層樓板振動(dòng)頻域瀑布圖，廠房各層樓板振動(dòng)中均以2倍葉片過(guò)流頻率100Hz為主頻（2×葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=2×9×5.55Hz=99.9Hz），反映出100Hz頻率在廠房振動(dòng)中起主導(dǎo)作用。同時(shí)，母線層振動(dòng)最大，水輪機(jī)層次之，蝸殼層最小。

圖4 廠房振動(dòng)頻域瀑布圖Figure 4 Frequency waterfall of powerhouse vibration

如圖5所示給出了機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)時(shí)頻分析圖，機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)測(cè)點(diǎn)含有明顯的100Hz頻率成分，同時(shí)機(jī)組葉片過(guò)流頻率的2倍約為100Hz（2×葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=2×9×5.55Hz=99.9Hz），因此機(jī)組運(yùn)行時(shí)機(jī)組與廠房振動(dòng)中的100Hz頻率成分均為兩倍葉片過(guò)流頻率，機(jī)組頂蓋振動(dòng)頻率是由動(dòng)靜干涉頻率所引起。

圖5 機(jī)組頂蓋垂直振動(dòng)時(shí)頻分析Figure 5 Spectrograms of head cover vertical vibration

廠房振動(dòng)主要是由于廠房的固有頻率與激振源的頻率接近或相同所產(chǎn)生的共振。作為激振源，機(jī)組無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)存在100Hz的2倍葉片過(guò)流頻率，且廠房各層樓板和機(jī)組振動(dòng)固有頻率中也均以2倍葉片過(guò)流頻率100Hz起主導(dǎo)作用，符合共振的條件。

3 廠房振動(dòng)問(wèn)題改造方案

考慮到優(yōu)化廠房結(jié)構(gòu)來(lái)改變廠房的自激振頻率將造成機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，且改造效果不可控，同時(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)也較大，決定采用更換水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的改造方案，其可以從根本上降低或消除振動(dòng)，且付出的成本較低。為了兼顧機(jī)組的效率和穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不變的情況下，變更導(dǎo)葉分布圓直徑比（或無(wú)葉區(qū)寬度），將其從原來(lái)的1.167增加到1.197，以及改變轉(zhuǎn)輪的幾何參數(shù)，進(jìn)水邊向軸向深挖，適當(dāng)調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉型線，以增加無(wú)葉區(qū)寬度，減小無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的幅值，改變激振源的頻率并降低激振的能量來(lái)消除過(guò)大的廠房振動(dòng)。改造前、后的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉對(duì)比如圖6和圖7所示。

圖6 改造前、后轉(zhuǎn)輪實(shí)物圖Figure 6 Runner pictures before and after modification

圖7 改造前、后導(dǎo)葉示意圖Figure 7 Profiles of guide vane before and after modification

4 廠房振動(dòng)改造后效果分析

目前電站已通過(guò)大修先后完成1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪更換與活動(dòng)導(dǎo)葉修型工作。由于廠房振動(dòng)的激勵(lì)源為無(wú)葉區(qū)（轉(zhuǎn)輪入口前與活動(dòng)導(dǎo)葉后空間）所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，因此本小節(jié)主要針對(duì)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)、頂蓋振動(dòng)和廠房振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，從而實(shí)現(xiàn)改造效果的評(píng)估。

4.1 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)

發(fā)電工況下，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組檢修前、后無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)分別如圖8（a）、（b）和（c）所示。圖8（a）中1號(hào)機(jī)組與圖8（b）中3號(hào)機(jī)組改造前后均為同一測(cè)點(diǎn)，圖8（c）中4號(hào)機(jī)組改造前為水車室儀表柜終端測(cè)點(diǎn)，改造后為水車室頂蓋上直接測(cè)量。

圖8 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)示意圖Figure 8 Layout of vaneless zone pressures

由圖8無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)可見(jiàn)：改造后，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組250MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)均有大幅緩解；3號(hào)機(jī)組150～250MW運(yùn)行時(shí)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)均有降低，1號(hào)機(jī)組200～250MW運(yùn)行時(shí)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)均有降低；4號(hào)機(jī)組150～250MW運(yùn)行時(shí)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)變化趨勢(shì)與1號(hào)機(jī)組、3號(hào)機(jī)組相同。無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)方面，同一測(cè)點(diǎn)改造前后對(duì)比分析表明，改造后無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)較改造前明顯降低，提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.2 頂蓋振動(dòng)

發(fā)電工況下，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組檢修前、后頂蓋水平與垂直振動(dòng)分別如圖9（a）～（f）所示。由圖9（a）～（f）頂蓋振動(dòng)可見(jiàn)：1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組250MW工況運(yùn)行時(shí)，以振動(dòng)速度有效值和振動(dòng)位移峰峰值兩個(gè)方面看，頂蓋水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)均有大幅改善；在150～250MW負(fù)荷區(qū)間，3號(hào)機(jī)組頂蓋水平振動(dòng)基本接近，其他機(jī)組頂蓋水平和垂直振動(dòng)均低于改造前。以振動(dòng)速度有效值和振動(dòng)位移峰峰值來(lái)看，改造后頂蓋振動(dòng)較改造前有明顯改善，提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖9 機(jī)組頂蓋振動(dòng)示意圖Figure 9 Layout of horizontal and vertical vibration of head cover

4.3 廠房振動(dòng)

發(fā)電工況下，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組檢修前、后廠房母線層振動(dòng)分別如圖10（a）、（b）和（c）所示。

如圖10所示，150～250MW負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)機(jī)組150～250MW運(yùn)行時(shí)，廠房母線層振動(dòng)均有改善；改造前隨著負(fù)荷的增大，廠房母線層振動(dòng)有逐漸增大的趨勢(shì)，改造后廠房母線層振動(dòng)隨著負(fù)荷的增大基本維持不變。廠房振動(dòng)方面，整體上，改造后廠房振動(dòng)較改造前有明顯改善。

圖10 機(jī)組母線層振動(dòng)示意圖Figure 10 Layout of busbar floor vibration

4.4 機(jī)組效率

發(fā)電工況下，3號(hào)機(jī)組檢修前、后機(jī)組指數(shù)效率試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。1號(hào)機(jī)組與4號(hào)機(jī)組由于檢修前、后用于測(cè)量發(fā)電工況流量的測(cè)壓管路堵塞，故無(wú)數(shù)據(jù)。3號(hào)機(jī)組改造前平均工作水頭為324.91m，改造后平均水頭為323.49m。圖11機(jī)組相對(duì)效率試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：3號(hào)機(jī)組改造后效率較改造前有所提升，平均約提升1.08%。

圖11 3號(hào)機(jī)組改造前、后相對(duì)效率試驗(yàn)對(duì)比Figure 11 Comparison of relative efficiency test before and after unit 3# modification

4.5 泵工況對(duì)比

水泵工況下，1號(hào)機(jī)組檢修前、后頂蓋振動(dòng)、無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)、廠房振動(dòng)和泵效率如表1所示。表1中1號(hào)機(jī)組改造前、后均為同一測(cè)點(diǎn)。由表1可見(jiàn)：整體上看，檢修后泵工況機(jī)組與廠房穩(wěn)定性指標(biāo)均有所提升，更有利于機(jī)組與廠房的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行；改造前、后，泵效率基本相當(dāng)。

表1 1號(hào)機(jī)組檢修前后泵工況試驗(yàn)對(duì)比Table 1 Pump condition test comparison before and after unit 1# maintenance

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)組和廠房振動(dòng)、壓力脈動(dòng)開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試與分析，確定了電站廠房振動(dòng)過(guò)大的原因是轉(zhuǎn)輪葉片與活動(dòng)導(dǎo)葉之間動(dòng)靜干涉而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)（無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)）幅值較大，且脈動(dòng)中2倍葉片過(guò)流頻率100Hz與局部廠房結(jié)構(gòu)某階固有頻率相接近而引發(fā)局部廠房結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。更換新型轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉（增大導(dǎo)葉分布圓直徑比和對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉適當(dāng)修型）以降低無(wú)葉區(qū)內(nèi)因動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)。轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉更換后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，新型水力設(shè)計(jì)成功解決了電站廠房振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，電站的運(yùn)行穩(wěn)定性得到有效提高，為其他相關(guān)電站的更新改造提供了新的思路。