高洪軍, 韓伶俐
(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040;2.水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (哈爾濱大電機(jī)研究所),哈爾濱 150040;3.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100000)
隨著太陽能、風(fēng)能等清潔能源的迅猛發(fā)展,對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力的需求越來越高。而用電負(fù)荷的峰谷差也要求電網(wǎng)應(yīng)該具備雙向迅速的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力[1-2]。抽水蓄能機(jī)組是現(xiàn)代抽水蓄能電站中廣泛使用的一種能量轉(zhuǎn)換裝置,具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和黑啟動等多種功能,既可以在電網(wǎng)需要負(fù)荷時(shí)作為發(fā)電單元迅速執(zhí)行發(fā)電任務(wù),又可以在電網(wǎng)負(fù)荷過剩時(shí)作為耗能單元快速扮演負(fù)載的角色[3-4],滿足了電網(wǎng)對負(fù)荷快速調(diào)節(jié)的需要。在今后一段時(shí)間內(nèi)抽水蓄能電站呈現(xiàn)出多點(diǎn)、大容量和持續(xù)建設(shè)的特點(diǎn)[5],預(yù)計(jì)到2025年,抽水蓄能電站投產(chǎn)總規(guī)模6.2×107kW以上;到2030年,投產(chǎn)總規(guī)模1.2×108kW左右;到2035年,形成滿足新能源高比例、大規(guī)模發(fā)展需求的技術(shù)先進(jìn)、管理優(yōu)質(zhì)、國際競爭力強(qiáng)的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)[6]。
隨著新能源電源在電網(wǎng)中占比的提升以及電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的進(jìn)一步增大,抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行模式也隨之發(fā)生了變化,日抽水、發(fā)電次數(shù)更是由原來的“一抽兩發(fā)”變?yōu)榱?“兩抽兩發(fā)或三發(fā)”,機(jī)組啟動次數(shù)和工況轉(zhuǎn)換次數(shù)逐年增多。據(jù)報(bào)道,某蓄能機(jī)組一天之內(nèi)的啟停次數(shù)多達(dá)數(shù)十次以上[7]。水泵水輪機(jī)作為抽水蓄能機(jī)組的水能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換裝置,在實(shí)際運(yùn)行和工況轉(zhuǎn)換過程中會經(jīng)歷水泵工況和水輪機(jī)工況兩個運(yùn)行工況以及水泵制動工況、水輪機(jī)制動工況和反水泵工況三個過渡工況,在頻繁的啟停機(jī)和工況轉(zhuǎn)換過程中,轉(zhuǎn)輪的動態(tài)應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到很高的程度(特別是葉片與上冠交接處以及葉片與下環(huán)交接處)。長期的高動應(yīng)力狀態(tài)累積會使水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生疲勞破壞的概率大大增加。
水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生上述破損故障后,特別是破損故障嚴(yán)重到一定程度后,會使機(jī)組總體的穩(wěn)定性下降,甚至導(dǎo)致更嚴(yán)重事故的發(fā)生[8-12]。因此,業(yè)內(nèi)一直在探索能夠在水泵水輪機(jī)運(yùn)行過程中判定轉(zhuǎn)輪葉片是否發(fā)生嚴(yán)重破損故障的方法。利用現(xiàn)代有限元計(jì)算方法[13],可以從理論上計(jì)算出轉(zhuǎn)輪葉片上動應(yīng)力的分布情況,但無法針對轉(zhuǎn)輪葉片實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)給出具有針對性的精準(zhǔn)評估。從轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損故障的發(fā)生機(jī)理出發(fā),多座電站進(jìn)行過轉(zhuǎn)輪葉片動態(tài)應(yīng)力的測量,通過對轉(zhuǎn)輪葉片上理論高動應(yīng)力區(qū)域的實(shí)時(shí)測量,確定轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力狀態(tài)并據(jù)此判斷轉(zhuǎn)輪葉片是否存在故障。由于技術(shù)水平和工作狀態(tài)的限制,粘貼在轉(zhuǎn)輪葉片上的應(yīng)變片在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下僅能正常工作很短的時(shí)間,上述采用測量轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力判定轉(zhuǎn)輪健康狀態(tài)的方法無法作為常規(guī)的檢測手段。從轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生裂紋故障后的物理現(xiàn)象出發(fā),業(yè)內(nèi)還嘗試過利用聲發(fā)射等聲學(xué)方法實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損故障,但是由于沒有能夠開發(fā)出一種在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行狀態(tài)的高噪聲背景下提取轉(zhuǎn)輪葉片裂紋發(fā)出的極微弱聲音信號的有效方法,且采集信號與轉(zhuǎn)輪葉片破損現(xiàn)象間沒有建立起禁得起推敲的對應(yīng)關(guān)系,該方法未見進(jìn)一步的應(yīng)用報(bào)告。
由此可見,開發(fā)一種能夠在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下準(zhǔn)確判定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損故障的方法從而保證抽水蓄能機(jī)組的安全運(yùn)行就顯得非常必要了。
如前文所述,目前的技術(shù)發(fā)展水平不具備采用直接測量的方法確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損的可能,但抽水蓄能電站機(jī)組在整個電網(wǎng)中的關(guān)鍵作用又要求對水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的嚴(yán)重破損情況能夠快速準(zhǔn)確地做出判斷。水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后會導(dǎo)致機(jī)組相應(yīng)的外部特征發(fā)生變化,通過比較變化前后的數(shù)據(jù)來判斷上述故障,本文稱之為外特性法,此方法是評價(jià)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重故障的首選方法。
對于水泵水輪機(jī)而言,正常工作情況下,機(jī)組的轉(zhuǎn)速是恒定的,上下游水位和水泵水輪機(jī)接力器行程(對應(yīng)水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度)也可以被準(zhǔn)確地獲得,則在此前提下,通過在抽水蓄能機(jī)組上安裝的功率、水頭和流量傳感器就可以獲得機(jī)組在發(fā)電和抽水工況下的出力/入力、水頭/揚(yáng)程以及水輪機(jī)和水泵工況的流量。據(jù)此,還可以計(jì)算出該工況下水輪機(jī)和水泵工況下的效率。通過將上述外部特征量與理論值以及前期正常運(yùn)行情況下的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,就可通過總體數(shù)據(jù)的偏移趨勢,確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是否存在嚴(yán)重破損的情況。
本章將從抽水蓄能機(jī)組發(fā)電和抽水兩種工作狀態(tài)下水泵水輪機(jī)的水頭/揚(yáng)程、流量、出力/入力以及據(jù)此計(jì)算出的水力效率的形成機(jī)制和基本方程入手,分析水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損后對上述外部特征值產(chǎn)生的影響。
如圖1所示,根據(jù)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度三角形,考慮水流流經(jīng)水力機(jī)械所產(chǎn)生并作用在恒速旋轉(zhuǎn)葉片上的力矩等于動量矩的總變化量,可以得到水泵水輪機(jī)的基本方程[14-15]。
圖1 水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度三角形
1.1.1 水輪機(jī)工況基本方程
水輪機(jī)工況(發(fā)電工況)的基本方程為:
則水泵水輪機(jī)發(fā)電工況的基本方程可表示為:
1.1.2 水泵工況基本方程
水泵工況 (抽水工況)的基本方程為:
則水泵水輪機(jī)抽水工況的基本方程可表示為:
水泵水輪機(jī)不論是在發(fā)電工況還是抽水工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),上下游水位和導(dǎo)葉開度均為確定值,且機(jī)組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪高低壓側(cè)過流面積也都為定值,則由式(2)和式(4)可以發(fā)現(xiàn),工作水頭HT(揚(yáng)程HP)、流量QT(QP)、葉片入流角 β1T(β1P)、葉片出流角β2T(β1P)和水泵水輪機(jī)效率ηT(ηP)就成為影響水泵水輪機(jī)基本方程主要因素了。在上述影響因素中,一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損故障,葉片形狀就會隨之發(fā)生變化,就會導(dǎo)致葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)發(fā)生變化,具體而言,一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,發(fā)電工況下葉片入流角β1T會呈現(xiàn)增大的趨勢,而葉片出流角β2T會呈現(xiàn)減小的趨勢;抽水工況下則正相反,葉片入流角β1P會呈現(xiàn)減小的趨勢,而葉片出流角β2P會呈現(xiàn)增大的趨勢。
葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)發(fā)生變化會導(dǎo)致流經(jīng)轉(zhuǎn)輪水流的流動狀態(tài)發(fā)生變化,從而影響到其相應(yīng)的外部特征量。葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)的變化對外部特征量的影響程度是不同的,與處于同一影響程度的葉片入流角β1T(β1P)的正切值和葉片出流角 β2T(β1P)的正切值相比較,揚(yáng)程HP和流量QT(QP)的影響程度要高,且揚(yáng)程HP要比流量QT(QP)的影響程度高,而水泵水輪機(jī)效率ηT(ηP)的影響程度則要低得多。
本節(jié)將從發(fā)電工況下水泵水輪機(jī)基本方程(2)入手,分析抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工作狀態(tài)下水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損后對水泵水輪機(jī)的水頭、流量、出力以及據(jù)此計(jì)算出的水力效率的影響。
1.2.1 對工作水頭的影響
工作水頭作為水泵水輪機(jī)發(fā)電工況進(jìn)出口斷面的能量差,只與上下游水位及引水系統(tǒng)的阻力有關(guān),而與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備水泵水輪機(jī)的狀態(tài)無關(guān),因此,水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的破損不會對水泵水輪機(jī)的工作水頭造成影響。
1.2.2 對水泵水輪機(jī)流量的影響
水泵水輪機(jī)在發(fā)電工況下流量遵從如下規(guī)律:
水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片空間形狀發(fā)生變化,具體到葉片角度,則表現(xiàn)為水輪機(jī)工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小。按照公式(5)及葉片角度變化對外部特征量的影響程度,可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,其流量QT將呈現(xiàn)出增加的趨勢。
1.2.3 對機(jī)組出力的影響
抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況下的出力受下列因素影響:
式中,PT為抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況下的出力,W;ηGT為發(fā)電工況下發(fā)電電動機(jī)的效率。
綜合考慮水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后導(dǎo)致的水輪機(jī)工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小對流量QT的影響程度,按照公式(6),可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,抽水蓄能機(jī)組出力PT將呈現(xiàn)出減小的趨勢。
1.2.4 對水泵水輪機(jī)效率的影響
綜合考慮水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后導(dǎo)致的水輪機(jī)工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小對流量QT的影響程度,按照公式(7),可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,水泵水輪機(jī)效率ηP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。
本節(jié)將從抽水工況下水泵水輪機(jī)基本方程(4)入手,分析抽水蓄能機(jī)組抽水工作狀態(tài)下水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損后對水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程、流量、入力以及據(jù)此計(jì)算出的水力效率的影響。
1.3.1 對水泵揚(yáng)程的影響
水泵水輪機(jī)抽水工況下的揚(yáng)程受下列因素影響:
水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片空間形狀發(fā)生變化,具體到葉片角度,則表現(xiàn)為水泵工況葉片入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大。按照公式(8)及葉片角度變化對外部特征量的影響程度,可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,其揚(yáng)程HP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。
1.3.2 對水泵水輪機(jī)流量的影響
水泵水輪機(jī)在抽水工況下流量遵從如下規(guī)律:
綜合考慮水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后導(dǎo)致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由此導(dǎo)致的各外部特征量的變化程度,按照公式(9),可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,抽水工況下水泵水輪機(jī)流量QP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。
1.3.3 對機(jī)組入力的影響
抽水蓄能機(jī)組抽水工況下的入力受下列因素影響:
式中,PP為抽水蓄能機(jī)組抽水工況下的入力,W;ηGP為抽水工況下發(fā)電電動機(jī)的效率。
綜合考慮水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后導(dǎo)致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由其導(dǎo)致的各外部特征量的變化程度,按照公式(10),可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,抽水工況下水泵水輪機(jī)入力PP將呈現(xiàn)出增大的趨勢。
1.3.4 對水泵水輪機(jī)效率的影響
抽水蓄能機(jī)組抽水工況下的效率受下列因素影響:
綜合考慮水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后導(dǎo)致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由其導(dǎo)致的各外部特征量的變化程度,按照公式(11),可以確定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損后,抽水工況下水泵水輪機(jī)效率ηP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。
抽水蓄能機(jī)組在某一工況下穩(wěn)定運(yùn)行,則意味著此時(shí)的上下游水位以及抽水蓄能機(jī)組的出力/入力、水泵水輪機(jī)的水頭/揚(yáng)程、接力器行程、流量和效率是確定的。根據(jù)上述討論可知,一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損故障,必然會導(dǎo)致相應(yīng)的外部特征量發(fā)生變化。以對應(yīng)的外部特征量的變化情況為依據(jù),就可以判定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損故障發(fā)生與否。
對于抽水蓄能機(jī)組而言,運(yùn)行過程中水泵水輪機(jī)的水頭隨上下游水位差變化的理論關(guān)系曲線和揚(yáng)程隨上下游水位差變化的理論關(guān)系曲線是確定的。根據(jù)工況的上下游水位差值,即可確定該工況下水泵水輪機(jī)的理論水頭和理論揚(yáng)程。同時(shí),通過水泵水輪機(jī)的水頭/揚(yáng)程測量設(shè)備,就可以分別實(shí)時(shí)測量出對應(yīng)工況下水泵水輪機(jī)的實(shí)際水頭和揚(yáng)程。水泵水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)的理論水頭和理論揚(yáng)程值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際水頭和實(shí)際揚(yáng)程值相當(dāng)。一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,根據(jù)上一章的討論,水頭和揚(yáng)程的變化是不同的:對于發(fā)電工況而言,水頭所代表的水體所蘊(yùn)含的能量等級是不變的,所以無論水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損與否,水頭是不會發(fā)生明顯變化的,即水泵水輪機(jī)的實(shí)際測量所獲得的實(shí)際水頭值應(yīng)該與理論水頭相當(dāng);對于抽水工況而言,水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程就是水泵水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換能力的直接反映,水泵水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng),揚(yáng)程就越高,反之,揚(yáng)程就會降低。根據(jù)上一章的討論,一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低。反映在水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程上就是實(shí)際揚(yáng)程要比理論揚(yáng)程低出很多。此時(shí)水泵水輪機(jī)的實(shí)際揚(yáng)程一定是小于理論揚(yáng)程,且水泵水輪機(jī)的理論揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之間一定會出現(xiàn)足夠大的揚(yáng)程差值。據(jù)此,可以分別建立判斷水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重故障的水頭/揚(yáng)程判據(jù)如下:
水頭判據(jù)如式(12)所示:
揚(yáng)程判據(jù)如式(13)所示:
對于抽水蓄能機(jī)組而言,無論是發(fā)電工況還是抽水工況,在某一工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)的流量都是確定的。運(yùn)行過程中水泵水輪機(jī)的水頭隨上下游水位差變化的理論關(guān)系曲線和揚(yáng)程隨上下游水位差變化的理論關(guān)系曲線都是確定的。同時(shí),通過水泵水輪機(jī)的流量測量設(shè)備,就可以實(shí)時(shí)測量出水泵水輪機(jī)的實(shí)際流量。對于發(fā)電工況而言,水泵水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)的理論發(fā)電流量值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際發(fā)電流量值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低,水泵水輪機(jī)在該工況下的實(shí)際發(fā)電流量要比理論發(fā)電流量大出很多;對于抽水工況而言,水泵水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)的理論抽水流量值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際抽水流量值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低,水泵水輪機(jī)在該工況下的實(shí)際抽水流量要比理論抽水流量下降很多。據(jù)此,可以建立判斷水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重故障的流量判據(jù)如式(14)所示:
對于抽水蓄能機(jī)組而言,不論是發(fā)電工況還是抽水工況,在某一工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),機(jī)組的出力/入力都是確定的。對于發(fā)電工況而言,抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),其理論出力值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的抽水蓄能機(jī)組的實(shí)際出力值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低,也就意味著抽水蓄能機(jī)組將水能轉(zhuǎn)換成電能的能力大幅下降,表現(xiàn)為抽水蓄能機(jī)組的出力要較未發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損時(shí)的出力要明顯減??;對于抽水工況而言,抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),其理論入力值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際入力值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,抽水蓄能機(jī)組將電能轉(zhuǎn)換成水能的能力大幅下降,抽水蓄能機(jī)組的入力較未發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損時(shí)的入力要明顯增大。據(jù)此,可以建立判斷水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重故障的出力/入力判據(jù)如下:
對于抽水蓄能機(jī)組而言,不論是發(fā)電工況還是抽水工況,在某一工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)的效率都是確定的。對于發(fā)電工況而言,抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),水泵水輪機(jī)工況的理論效率值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際效率值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低,反映在水輪機(jī)工況的效率上就是水輪機(jī)工況的實(shí)際效率要比理論效率下降很多;對于抽水工況而言,水泵水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí),水泵工況的理論效率值應(yīng)該與機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)測量所獲得的實(shí)際效率值相當(dāng),一旦水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損,水泵水輪機(jī)水泵工況進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低,反映在水泵的效率上就是水泵的實(shí)際效率要比理論效率下降很多。據(jù)此,可以建立判斷水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重故障的效率判據(jù)如下:
式中,ζ5為基于效率變化水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪嚴(yán)重破損判定系數(shù);Δη為對應(yīng)運(yùn)行工況下按水泵水輪機(jī)效率隨抽水蓄能機(jī)組出力/入力變化的理論關(guān)系曲線確定的水泵水輪機(jī)理論效率與實(shí)測效率之差,對于發(fā)電工況, Δη=ηtP-ηT,對于抽水工況, Δη=ηtP-ηP;ηtP為對應(yīng)運(yùn)行工況下按水泵水輪機(jī)效率隨抽水蓄能機(jī)組出力/入力變化的理論關(guān)系曲線確定的水泵水輪機(jī)理論效率;C5為常數(shù),一般C5=0.005。
式(12)~(16)歸納了基于水頭/揚(yáng)程、流量、出力/入力和水泵水輪機(jī)效率等外特性的的抽水蓄能機(jī)組水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損判定系數(shù),而判定故障的發(fā)生則需要滿足表1所列出的所有條件。
表1 抽水蓄能機(jī)組水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損時(shí)外特性的變化
表1中的判定準(zhǔn)則可以用式(17)的數(shù)學(xué)表達(dá)來表示:
本文提出了利用抽水蓄能機(jī)組相應(yīng)外特性的變化趨勢來判定水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損故障的方法。根據(jù)現(xiàn)場測得的抽水蓄能機(jī)組出力/入力、水頭/揚(yáng)程和流量等信息和水的密度、重力加速度等常數(shù),以及前期試驗(yàn)或計(jì)算獲得的水泵水輪機(jī)效率隨抽水蓄能機(jī)組出力/入力變化的理論關(guān)系曲線、抽水蓄能機(jī)組出力/入力隨水泵水輪機(jī)流量變化的理論關(guān)系曲線、水泵水輪機(jī)流量隨抽水蓄能機(jī)組出力/入力變化的理論關(guān)系曲線、水泵水輪機(jī)流量隨水泵水輪機(jī)接力器行程變化的理論關(guān)系曲線、水泵水輪機(jī)水頭/揚(yáng)程隨上下游水位差變化的理論關(guān)系曲線和對應(yīng)運(yùn)行工況下發(fā)電電動機(jī)的效率等數(shù)據(jù),就可以根據(jù)當(dāng)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重破損時(shí)水泵水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的能力會隨之大幅度降低這一現(xiàn)象,在外特性上選取水泵水輪機(jī)出力/入力、流量、水頭/揚(yáng)程和水泵水輪機(jī)的效率作為評價(jià)對象,與該工況下的相應(yīng)理論值進(jìn)行比較并以對應(yīng)不同特征量的多組水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重破損判定系數(shù)的方式計(jì)算上述特征量理論值與實(shí)際測量值的差異,最終根據(jù)本文提出的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪嚴(yán)重破損判定準(zhǔn)則判斷水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是否發(fā)生了嚴(yán)重破損。該方法不僅對于保證水泵水輪機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和及時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上嚴(yán)重破損的發(fā)生、避免產(chǎn)生更嚴(yán)重的連帶事故具有重大的意義,還為利用抽水蓄能機(jī)組外特性評價(jià)機(jī)組部件/部套的健康狀態(tài)進(jìn)行了有益的嘗試。