胡海平，喬 木，鮑 峰，許亮華，李金偉，于紀幸

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

0 引言

國內(nèi)對于抽水蓄能機組和廠房振動問題的研究[1-6]，目前主要是針對機組穩(wěn)定運行狀態(tài)，對于暫態(tài)工況下的機組和廠房振動問題尚未開展系統(tǒng)研究。抽水蓄能機組由于其特殊運行方式，機組啟停頻繁，工況轉(zhuǎn)換多，暫態(tài)工況下機組和廠房出現(xiàn)沖擊振動現(xiàn)象，部分電站的振動還比較顯著，因此，暫態(tài)工況下機組和廠房振動問題越來越受到電站的關(guān)注，亟須開展該方面的系統(tǒng)研究。

本文針對上述問題，依托白山抽水蓄能電站，對其暫態(tài)工況下機組和廠房振動激振源情況開展測試與分析以及仿真分析研究，同時也對十三陵、西龍池、仙游等多個抽水蓄能電站展開了暫態(tài)工況下機組和廠房振動激振源情況開展測試與分析，對抽水蓄能電站暫態(tài)工況下廠房強烈振動原因有了比較明確結(jié)論，也提出了暫態(tài)工況下控制廠房振動的措施和建議。

1 白山抽水蓄能電站機組參數(shù)

白山抽水蓄能電站是依托已建的白山水庫作為上水庫，將下游的紅石水庫作為下水庫，建設(shè)安裝了2臺150MW抽水蓄能可逆機組，形成了總裝機容量300MW的抽水蓄能電站。電站最大水頭為123.9m，最小水頭為105.8m，設(shè)計水頭采用最小水頭105.8m，機組水泵水輪機基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 水泵水輪機基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the unit

2 廠房振動測試試驗工況與測點

為了研究白山抽水蓄能電站機組與廠房在穩(wěn)態(tài)運行工況和暫態(tài)工況下的振動特性，對電站的機組與廠房振動同步開展測試試驗，全面測試了電站兩臺機組不同組合運行工況下的機組與廠房振動，工況主要包括：

（1）單臺機組發(fā)電與抽水穩(wěn)態(tài)運行工況（含正常抽水與發(fā)電運行工況和變負荷發(fā)電、變勵磁、變轉(zhuǎn)速等工況）。

（2）單臺機組抽水、發(fā)電的開停機暫態(tài)工況。

（3）兩臺機組同時抽水、發(fā)電運行工況。

為了測試獲得廠房關(guān)鍵測點的振動特征，現(xiàn)場測點分別布置于廠房不同樓層的樓板、立柱上，包括發(fā)電機層、母線層、水輪機層的樓板以及母線層和水輪機層的立柱，在兩臺機組廠房結(jié)構(gòu)上共計布置了12個測點，發(fā)電樓板測點位置見圖1。

圖1 發(fā)電機層樓板測點布置（左邊為7號機組，右邊為6號機組）Figure 1 Layout of measuring points on generator floor（unit 7 on the left and unit 6 on the right）

為了探明機組運行與廠房振動的關(guān)聯(lián)特性，試驗同步接入了兩臺機組的運行監(jiān)控信號和水壓脈動信號，包括有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度等監(jiān)控信號以及蝸殼、無葉區(qū)、尾水管等部位的水力壓力脈動信號。

3 白山電站廠房振動特性分析

3.1 穩(wěn)態(tài)運行工況振動特性

通過對白山抽水蓄能電站抽水與發(fā)電穩(wěn)定運行工況監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，白山抽水蓄能電站機組運行時，廠房振動有以下特點：

（1）機組低負荷（小于40%額定負荷）運行時廠房振動比較顯著，機組發(fā)電低負荷階段運行時，負荷增加，廠房振動下降（見圖2）。

（2）廠房樓板豎直方向振動大于水平方向振動（見圖2），立柱是水平方向振動大于豎直向振動。

圖2 變負荷工況下發(fā)電機樓板振動加速度統(tǒng)計曲線圖Figure2 Statistical curve of vibration acceleration of generator floor under different operation points

（3）電站穩(wěn)態(tài)運行工況下廠房振動主頻特征是機組活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間產(chǎn)生的動靜干涉頻率、3倍頻過流頻率（見圖 3）。

圖3 145MW發(fā)電工況下發(fā)電機樓板X向（左）和Z向（右）振動加速度傅里葉譜Figure 3 Fourier spectrum of X-direction （left） and Z-direction （right） vibration acceleration of generator floor under 145MW power generation condition

3.2 暫態(tài)運行工況下廠房振動特性

3.2.1 統(tǒng)計特性分析

通過對白山抽水蓄能電站機組在不同暫態(tài)工況下進行振動測試分析，發(fā)現(xiàn)機組在抽水開機工況下廠房振動最為顯著。本文以發(fā)電機層樓板測點的振動統(tǒng)計為例（見表2），與變負荷工況廠房振動較大的工況相比（參考30MW發(fā)電工況的廠房振動），相同測點在暫態(tài)工況下的振動最大放大率為2.63倍（見表3），表明機組暫態(tài)工況下廠房振動產(chǎn)生了明顯的放大。

表2 暫態(tài)工況下發(fā)電機層樓板振動 最大值統(tǒng)計Table 2 Statistics of maximum vibration of generator floor under the temporary working conditions

表3 暫態(tài)工況下發(fā)電機層樓板振動放大系數(shù)統(tǒng)計 （參考30MW負荷發(fā)電工況）Table 3 Statistics of vibration amplification factor of generator floor under the temporary working conditions （refer to 30MW load power generation condition）

3.2.2 振動時程特性分析

通過機組同步信號表明：機組開停機暫態(tài)工況下的廠房振動信號有明顯突變的階段都發(fā)生在機組導(dǎo)葉快速打開且導(dǎo)葉開度較小的階段；且在振動突變階段，蝸殼脈動都有較大的波動（見圖4、圖5）。在廠房振動突變階段，振動時頻圖上，頻譜體現(xiàn)出的不只是葉片過流的倍頻頻率，還有頻譜變寬，出現(xiàn)了類似于沖擊的寬頻譜特征（見圖6）。這表明在機組活動導(dǎo)葉開度變化時出現(xiàn)水流沖擊現(xiàn)象，特別是小開度下活動導(dǎo)葉后水流進入轉(zhuǎn)輪入口角度不佳，出現(xiàn)各種撞擊現(xiàn)象，從而出現(xiàn)壓力脈動較大，該壓力脈動通過導(dǎo)葉和蝸殼傳遞至廠房，使得廠房振動劇烈。

圖4 抽水關(guān)機過程有功功率、導(dǎo)葉開度、壓力脈動和廠房振動時域波形圖Figure4 Time domain waveform of active power，guide vane opening，pressure fluctuation and powerhouse vibration during pumping shutdown

圖5 發(fā)電開機過程有功功率、導(dǎo)葉開度、壓力脈動和廠房振動時域波形圖Figure 5 Time domain waveform of active power，guide vane opening，pressure fluctuation and powerhouse vibration during power generation startup

圖6 發(fā)電關(guān)機工況下發(fā)電機樓板X向（左）和Z向（右）振動時頻圖（頻譜幅值為dB）Figure 6 Time frequency diagram of X-direction （left） and Z-direction （right） vibration of generator floor under generator shutdown condition（spectrum amplitude is dB）

從7號機組的一次發(fā)電開機工況看（見圖5），這次開機發(fā)電階段，在導(dǎo)葉開度16%左右穩(wěn)定持續(xù)了70s左右，這段時間內(nèi)蝸殼的水力壓力脈動波動平穩(wěn)下來；在時程圖中第72s時導(dǎo)葉連續(xù)打開增大開度，這階段引起廠房振動增幅相比并不顯著；到了導(dǎo)葉開度較大階段、機組接近滿負荷發(fā)電時，這一階段，隨導(dǎo)葉開度增大廠房振動在持續(xù)減小。該發(fā)電開機運行暫態(tài)工況下的時程分析表明，機組在運行中延長增加導(dǎo)葉小開度的穩(wěn)定運行階段，內(nèi)蝸殼壓力脈動波動會有所減小并穩(wěn)定，廠房振動幅值會有明顯下降，可以有效降低開停機造成的廠房振動沖擊。

3.3 暫態(tài)工況廠房振動仿真分析

根據(jù)前面振動分析結(jié)論，展開暫態(tài)工況廠房振動計算分析，通過數(shù)值計算分析手段，探究白山抽水蓄能電站機組暫態(tài)工況下的減振措施，有限元模型見圖7。

圖7 白山抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格Figure 7 Finite element grid of the structure of the power house of Baishan Pumped Storage Power Station

3.3.1 計算工況與計算荷載

以發(fā)電停機暫態(tài)工況分析為例。

（1）發(fā)電停機瞬態(tài)工況（Power）：采用白山三期工程機組發(fā)電停機時的脈動壓力數(shù)據(jù)，分析發(fā)電停機瞬態(tài)工況下廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，計算載荷采用實際監(jiān)測得到的機組發(fā)電正常停機時蝸殼、無葉區(qū)1、無葉區(qū)2、尾水管等測點去除靜壓后的脈動壓力，脈動壓力曲線為見圖8。

圖8 脈動壓力載荷曲線（發(fā)電停機瞬態(tài)工況）Figure 8 Fluctuating pressure load curve （transient condition of power generation shutdown）

（2）發(fā)電停機瞬態(tài)延時工況（Power_M）：根據(jù)前面振動監(jiān)測分析結(jié)果認為，延長導(dǎo)葉小開度階段的運行時間。為了做仿真分析對比，本文研究通過將正常發(fā)電停機瞬態(tài)工況的持續(xù)時間延長至2倍，同時假定延時工況各測點脈動壓力幅值不變，用以仿真分析延時產(chǎn)生的減振效果。計算載荷采用延時后的脈動壓力載荷曲線見圖9。

圖9 延時后的脈動壓力載荷曲線（發(fā)電停機瞬態(tài)工況）Figure 9 Fluctuating pressure load curve after delay （transient condition of power generation shutdown）

3.3.2 仿真計算結(jié)果分析

發(fā)電停機工況仿真計算結(jié)果表明：

發(fā)電停機過程延長后，發(fā)電停機過程延長后，發(fā)電機層樓板Z向加速度降幅為62.09%，母線層樓板Z向加速度降幅為42.03%，水輪機層樓板Z向加速度降幅為67.82%。

由此可以說明，發(fā)電停機過程延長，廠房結(jié)構(gòu)3個方向加速度和速度均有較大幅度下降，有利于廠房結(jié)構(gòu)減振。

兩種工況下發(fā)電機樓板參考點的加速度響應(yīng)幅值對比見圖10。

圖10 兩種工況下發(fā)電機層樓板加速度對比Figure 10 Comparison of vibration acceleration of generator floor under two working conditions

3.4 暫態(tài)工況廠房振動監(jiān)測與仿真分析小結(jié)

通過白山抽水蓄能電站的暫態(tài)運行工況仿真分析表明，適當延長暫態(tài)開停機的過程，有利于降低暫態(tài)過程的廠房振動響應(yīng)。

而通過實際監(jiān)測表明，機組暫態(tài)運行時，主要在導(dǎo)葉小開度階段，通過分階段增大或減小導(dǎo)葉開度，適當延長該階段暫態(tài)運行時間，可以有效降低開停機階段瞬時水流沖擊引起的廠房振動最大幅值。

其他抽水蓄能電站機組可以參考該方法調(diào)整機組暫態(tài)運行曲線。另外，為了盡可能減小機組暫態(tài)運行對電網(wǎng)調(diào)度的影響，具體的小開度階梯時長設(shè)定，需要通過現(xiàn)場暫態(tài)工況試驗，根據(jù)廠房振動監(jiān)測分析實際減振效果，最終確立最佳的機組暫態(tài)運行導(dǎo)葉開度變化曲線。

4 結(jié)論

本文著重通過白山抽水蓄能電站機組、廠房聯(lián)合振動測試與分析研究，并結(jié)合國內(nèi)其他抽水蓄能電站的振動測試與分析研究，得出了抽水蓄能電站廠房在暫態(tài)運行工況下振動顯著的原因，通過白山抽水蓄能電站機組廠房的測試試驗分析以及仿真分析表明了暫態(tài)工況下廠房振動可以通過調(diào)整機組的調(diào)度運行方式進行減振控制。主要結(jié)論如下：

（1）機組開停機暫態(tài)工況下廠房最大振動均發(fā)生在機組活動導(dǎo)葉小開度運行階段，活動導(dǎo)葉小開度時，進行導(dǎo)葉開啟或關(guān)閉調(diào)度動作，均會引起管道內(nèi)水流發(fā)生明顯撞擊現(xiàn)象，導(dǎo)致流道內(nèi)水力壓力脈動波動變大，引起廠房振動響應(yīng)顯著增大。

（2）機組活動導(dǎo)葉在小開度階段，采取活動導(dǎo)葉開度階梯式開啟增大或關(guān)閉減小的調(diào)度方式，通過增加流道內(nèi)水流流態(tài)趨穩(wěn)時間減小流道內(nèi)水流撞擊強度，可以有效降低開停機暫態(tài)工況下的廠房振動最大幅值，利用該特性可以對暫態(tài)開停機工況下的廠房振動加以控制。具體的小開度階梯時長設(shè)定，需要通過現(xiàn)場暫態(tài)工況試驗，根據(jù)廠房振動監(jiān)測分析實際減振效果，最終確立最佳的機組暫態(tài)運行曲線，減小機組暫態(tài)運行階段對電網(wǎng)調(diào)度的影響。

（3）機組在低負荷（小于40%額定負荷）穩(wěn)態(tài)運行時廠房振動比較顯著，機組穩(wěn)態(tài)運行工況下廠房振動主頻特征主要是機組活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間產(chǎn)生的動靜干涉頻率。