抽水蓄能机组压力脉动的测试与研究

衣传宝 罗开明 孙鹏玉 冯云峰

(1.国网新能源控股有限公司,北京 100761;2.许继电气技术中心,北京 100085;3.文思海辉技术有限公司,北京 102627;4.江西仪能科思科技发展有限公司,江西吉安343000)

抽水蓄能机组压力脉动的测试与研究

衣传宝1罗开明2孙鹏玉3冯云峰4

(1.国网新能源控股有限公司,北京 100761;2.许继电气技术中心,北京 100085;3.文思海辉技术有限公司,北京 102627;4.江西仪能科思科技发展有限公司,江西吉安343000)

近年来,随着社会和科技的不断发展,我国的抽水蓄能机组的发展步伐也在不断的加快,抽水蓄能机组的压力脉动测试与研究也逐渐成为了研究的重点。本文对抽水蓄能机组压力脉动测试点的设置、基本分析方法以及基本参数的确定等进行了分析介绍,并且对测试点所产生的压力脉动所具有的频率特征和时域特征、常见的分布特征和产生振动时所经的路线进行了分析研究,仅供相关人士参考。

抽水蓄能机组 压力脉动 蓄能机组 测试研究

抽水蓄能电厂不仅能够对电网产生的负荷变化情况进行有效的调节，而且比起常规的电厂，抽水蓄能机组在电力系统当中，还具有灵活性调节、频繁性机组启停、填谷调峰等多种优点和功能。但是抽水蓄能机组由于其特殊的结构和功能特点，导致其在过渡的过程中比起常规的水轮机要复杂得多：在工况进行转换的过程中，抽水蓄能机需要经历一系列复杂的瞬态过程，在瞬态过程进行的过程中，往往会发生受力和振动，而此时的受力和振动则远远大于常规的水轮发电机。因此，对抽水蓄能机组来说，压力动脉成为了影响机组安全稳定运行的主要测试指标之一。

1 抽水蓄能机组压力脉动的概述

1.1 抽水蓄能机组压力脉动的概述

通常情况下，抽水蓄能机组产生的压力脉动可能会使得机组内过流部件产生的负荷应力瞬间超过额定的数值。此时，这些过流部件逐步产生了机械的作用效应力，此机械的作用效应力和组成机组的部件一起共同产生了交变作用力，从而导致机组的一些组成部件出现疲劳损坏的现象。与此同时，若是抽水蓄能机组部件固有频率和产生的压力脉动频率出现重叠，那么就有很大的几率导致机组的机械部件产生共振，从而影响机组的平稳运行。随着这几年我国抽水蓄能机组的不断改进和完善，抽水蓄能机组的应用和技术水平都得到了很大的提高，但是对于抽水蓄能机组尤其是对于运行过程中各部件产生的压力脉动情况仍未充分了解，因此对抽水蓄能机组的相关部件开展压力脉动试验，对于了解和分析抽水蓄能机组运行过程中出现的压力脉动的情况，以及抽水蓄能机组的设计改进和完善具有重要的意义。

1.2 抽水蓄能机组压力脉动测试点的设置

由于在导叶出口和水流进行撞击之后会产生比较大的压力脉动，而尾水管作为水流经过的一种特殊、复杂的部件，同时也是最容易产生压力脉动的地方。因此，在导叶和尾水管处分别设置压力脉动的测试点；同时，在涡壳进口处和上冠、下冠等部位也设置了压力脉动的测试点。

表1 抽水过程中各测试点产生的压力脉动数值

表2 发电过程中各测试点产生的压脉动数值

2 抽水蓄能机组压力脉动基本参数的确定

2.1 抽水蓄能机组压力脉动的试验概况

在对抽水蓄能机组进行试验的过程中，通过比较不同的作业工程在各个测试点所产生的压力脉动数值，我们可以看出：设计阶段是不存在压力脉动值的，数值稍大一点的便是大流量阶段产生的压力脉动，而在小流量阶段产生的压力脉动值是最大的。

若实际流量小于设计中所要求的流量，则转轮出口处的水流就会慢慢的向着导叶另外一边产生碰击，导致导叶上面具有的吸力作用而出现脱流，随着流量的逐渐减小，所出现的脱流情况会越来越严重，因此所产生的压力脉动也越来越大，同时所产生的脉动幅值变化也逐渐变大。

当实际流量大于理想中良好作业情况下所产生的流量时，由于产生较大的来流冲角，使得导叶由于压力导致边界层产生活动分裂的情况，进而出现了脱流的情况，此时产生的压力脉动值也是较大的。试验表明，在小流量的情况下导叶和转轮之间所产的压力脉动比起其他作业情况下的压力脉动大很多。这主要是因为：导叶和转轮在小流量情况下，其过渡范围内具有很多的涡，同时由于流量的不断减少，而产生越来越多的涡结构。

2.2 压力脉动的基本分析方法

压力脉动的基本分析方法主要有频谱分析法和时域分析法。频谱分析法是对产生压力脉动的频率成分进行分析，得出对压力脉动产生具有重要影响因素的频率成分，有助于分析产生压力脉动的主要原因；时域分析法通过数据采集装置对时域信号进行传送，在时域信号的基础上对压力脉动的产生因素和原因进行分析。

2.3 压力脉动基本参数的确定

从一定程度上来说，为了能够达到机组稳定运行的基本要求，通常情况下，分析确定水力激振所产生的振动传递路线、作用域和振源的方式主要是从振动方面进行考虑，此种方法主要采用对测试点的具体位置进行监测，利用信号功率频谱分析方法，确定信号频率的基本参数以及与信号频率参数相应的幅值。同时，为了能够预测机组的疲劳寿命以及对设计进行反馈，需要对获得的关系到机组疲劳寿命问题的载荷谱进行分析。此时，最适合采用时域分析法对相对应的压力信号所具有的最大峰峰值、最小峰峰值、峰峰值平均值和压力信号的平均值等压力脉动参数进行分析。通过利用时域分析法对载荷谱的建立提供了基础条件。

3 抽水蓄能机组压力脉动的测试结果分析

3.1 抽水蓄能机组各部件运行过程中压力脉动的分析

3.1.1 水泵机运行过程中的压力脉动

抽水蓄能机组水泵机在运行的时候，其运行的过程实质上就是抽水蓄能机组在静止的条件下逐步地运行到充满负荷载力的作业过程，通常情况下都会将水泵机的运行过程分成压水、排气、导叶运行和正常抽水四个过程。通过试验结果得出，随着时间增长，压水、排气、导叶运行和正常抽水的相对脉动值分别为2.81、4.21、3.67、2.07，由此可见，在水泵机运行的过程中，在排气的作业过程中产生的相对压力脉动值比较大，其次是导叶开始运行的作业过程。

在水泵机运行的过程中，若是在排气过程中，没有启动导叶的运行，那么流进到轮转室内部的水流就会和转轮室内部原有的极少数的水所组成的水环融为一体，从而共同组成了一个回流的现象。因此，下游所产生的压力逐渐从原来的1000kPa的水位压力成为5500kPa的扬程压力，这个时候所产生的压力脉动数值最大；而当导叶开始进行作业的时候，所产生的压力值就会逐渐的从具有5500kPa的关闭扬程压力成为上游具有6000kPa的水位压力，而此时所产生的压力脉动值也是最大的。

通过分析试验过程中产生的脉动频率谱值和幅度数值可以看出，压力脉动中所具有的主频主要为转动频率，主要是经由机组的主轴部分进行转动而产生的，而在压水和排气的运行过程中，若导叶还没有开始运行，此时所产生的20倍转动频率所占的频率谱值和幅度数值比重虽比较少，但因为产生的回流具有较强大的影响作用力，所以其所占有的转动频率的比重比较大；而在导叶运行和正常抽水的情况下，所产生的转动频率比重则比较小。

3.1.2 水轮机运行过程中的压力脉动

水轮机从启动到运行，抽水蓄能机组经历了从静止到充满了负荷载力的整个过程，包括了导叶的零负载、加负载、一半负载、加负载和满负载五个阶段，通过对试验结果数据分析得出，以上五个阶段所产生的压力脉动数值分别为：9.52、8.91、4.64、4.4、3.42。由此可见，在水轮机运行的整个过程中，随着时间的增长，压力脉动逐渐降低，在导叶开始运行的零负载过程中压力脉动数值最大，在满负载运行过程中所产生的压力脉动数值与其他阶段产生的压力脉动数值相比是最小的。这主要是因为在导叶刚开始启动作业时，机组内部的活动会因其变得混乱，进而使得其产生的压力脉动值比其他阶段产生的压力脉动值大。随着负载以及导叶范围的不断增加，导叶对活动的障碍性以及拦阻的作用便会逐渐的减弱，当导流效力不断加强的时候，活动便会逐步的恢复，通畅程度不断的提高，从而使产生的压力脉动数值不断的减少。

3.2 抽水蓄能机组压力脉动测试结果分析

3.2.1 压力脉动的频率特征和时域特征

在抽水蓄能机组中，不管是在抽水过程中还是在发电过程中，又或是在水轮机作业的环境下，在导叶前后所出现的压力脉动是机组所产生的激振源的主要来源。抽水蓄能机组无论是在什么作业环境下，都不可避免的要产生压力脉动。根据压力脉动的分布情况分析，产生压力脉动数值最小的涡壳进口处都分别存在着58.6Hz和8.3Hz的倍频成分和转频成分，因此，在导叶前后所产生的压力脉动频率也是最高的，其具有的倍频成分和转频成分分别116.2Hz和58.1Hz。

3.2.2 压力脉动常见的分布特征

通过分析压力脉动测试数据结果，在正常工作条件情况下，不管是进行抽水或者是发电作业，在转轮和导叶之间因撞击而致振动产生的压力脉动数值比其他部件的都要大，也就是说，在所有产生压力脉动的部件中，导叶出口和转轮之间的压力脉动数值是最大的，其次是在顶盖和密封中，在尾水管过段的压力脉动数值相对以上两个测试点来说都比较小，而在涡壳进口处产生的压力脉动数值相对来说是最小的。以下2个表列出了抽水过程和发电过程中各测试点产生的压力脉动数值。

3.2.3 压力脉动产生振动时所经的路线

当各测试点产生压力脉动的时候，抽水蓄能机组所产生的水力激振主要是通过导叶出口和轮转之间经过撞击的时候所产生的压力脉动以及在尾水管过段部分产生的涡带振动，而转轮也由于撞击而出现了叶片的数倍转频，与此同时，在进行过渡的时候导叶也会产生数倍转频。在测试转轴信号和压力脉动信号时，可以将机组内的电磁、机械和水力三种重要的影响因素的影响作用直接的体现出来；机组内的机械振动还会经过导轴所承载的基础和结构进行传递；对于机组内的顶盖等各种金属结构部件，还会经过顶盖之上具有的结构向着推力和轴承进行向上传递；当在混凝土进行传递时，所产生的振动也会随之减少；一般情况下，可以对混凝土进行施工来防止相应的振动。

4 结语

综上所述，从对抽水蓄能机组进行压力脉动的测试分析结果来看，不管是在发电还是在抽水过程中，在导叶前后、尾水管涡带都存在很明显的压力脉动，这主要都是由导叶和转轮两者之间的运行碰撞而引起的。因此，为了能够尽量的减小压力脉动，使造压过程能够安稳的进行，需要对导叶前后所流经的路线部件采取相应措施；同时还要尽可能的防止抽水蓄能机组的机械部件因为水流与导叶之间的撞击而产生的压力脉动出现共振的现象。

[1]苟智德,富立新,李广德,魏长健.抽水蓄能机组飞轮力矩的测试与分析[J].大电机技术,2013(09).

[2]姚泽,支发林,阎宗国,黄青松,毕慧丽,王正伟.压力脉动对抽水蓄能机组稳定性的影响分析[J].农业机械学报,2014(05).

[3]马素萍,朱雷,张海平,张建光,孟晓超.抽水蓄能机组水泵水轮机模型测试[J].水利水电技术,2012(04).

[4]孙跃昆,刘树红,刘锦涛,吴玉林,左志刚.水泵水轮机开机过程压力脉动的试验研究[J].工程热物理学报,2012(08).

[5]姚丹,卢池.水轮机模型压力脉动的测试及分析方法[J].中国水能及电气化,2012(11).

[6]钱忠东,郑彪.不同步导叶对混流式水轮机压力脉动的影响分析[J].水力发电学报,2010(06).

[7]刘锦涛,刘树红,孙跃昆,吴玉林,王乐勤.水泵水轮机空载开度压力脉动特性预测[J].工程热物理学报,2012(03).

[8]肖若富,孙卉,刘伟超,王福军.预开导叶下水泵水轮机S特性及其压力脉动分析[J].机械工程学报,2012(04).

[9]谭娟,胡军华,石兆存,朱玉泉.蓄能器组吸水水压泵压力脉动机理与试验研究[J].噪声与振动控制,2010(10).

[10]王乐勤,刘迎圆,刘万江,覃大清,焦磊.水泵水轮机泵工况的压力脉动特性[J].排灌机械工程学报,2013(01).

衣传宝(1982.7—),山东临沂人,男,国网新源控股有限公司科技信息部主管,主要从事抽水蓄能和新能源技术管理工作。

罗开明,许继电气技术中心系统软件部副经理。

孙鹏玉(1982.7—),辽宁辽阳人,女,华北电力大学电气工程专业工程硕士,主要从事电力系统及发电专业技术研究工作。

冯云峰,江西仪能科思科技发展有限公司总工程师。