白山抽水蓄能電站暫態工況下機組振動特性研究

張永會，喬 木，鮑 峰，李金偉，于紀幸

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

0 引言

目前，對于抽水蓄能電站機組振動特性研究主要聚焦在穩態運行工況[1-4]，暫態工況下的機組振動問題系統研究很少見于報道。抽蓄機組由于其特殊運行方式，機組啟停頻繁，工況轉換多，暫態工況下機組受到沖擊振動，部分抽蓄電站的機組振動比較顯著。

針對上述問題，本文依托白山抽水蓄能電站6號機組，在發電開機、發電停機、抽水開機、抽水停機4 種暫態工況下開展了機組振動測試，著重分析了水導擺度和頂蓋振動的時域與頻域特性，為解決已投運抽蓄電站機組振動問題提供一點新的啟示。

1 機組基本參數

白山抽水蓄能電站位于吉林省東部長白山區樺甸市、靖宇縣交界處，坐落于松花江上游，距吉林市約300 km，下游距紅石水電站39 km，豐滿水電站250 km。電站利用已建的白山水庫作上庫、紅石水庫作下庫，安裝2 臺150 MW 抽水蓄能可逆機組，總裝機容量300 MW。工程規模為大（2）型，主要由引水系統、地下廠房及附屬洞室、通風洞和上下庫進/出口等水工建筑物組成。電站建成后投入東北電網，主要承擔系統的調峰、填谷及事故備用等任務。

白山抽水蓄能電站設計年抽水量17.65 億m3，年平均抽水耗電量6.24 億kW·h。電站最大水頭為123.9 m，最小水頭為105.8 m，設計水頭采用最小水頭105.8 m；最大揚程為130.4 m，最小揚程為108.2 m，設計揚程為126.7 m。電站最低發電水位403 m，最低抽水水位395 m。兩臺機組分別于2005年11 月和2006 年8 月投產，通過與白山常規水電站共用2 回220 kV 線路送出[5-7]。

機組基本參數如表1 所示。

表1 機組基本參數

2 現場試驗測點與工況

暫態工況下機組振動特性研究主要聚焦水導擺度和頂蓋振動，水導+X、+Y 向各布置1 個測點、頂蓋+X、+Y、+XZ 向各布置1 個測點，如圖1 所示。

4 個暫態工況如下：

發電開機與發電停機：靜水頭123.24 m；抽水開機與抽水停機：靜水頭123.22 m。

現場試驗采樣頻率為1 kHz，數據連續采集。

圖1 擺度和振動測點

3 暫態工況下機組振動特性研究

（1）發電開機暫態工況

圖2 為發電開機有功功率時程曲線。

圖2 有功功率時程曲線

對于發電開機暫態工況而言，對機組沖擊最大的時刻為并網瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導擺度和頂蓋振動進行分析，頻譜如圖3 所示。

圖3 水導擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖3 可以看出：機組發電并網瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率（7 葉片數與20 活動導葉數匹配的結果）。

（2）發電停機暫態工況

圖4 為發電停機有功功率時程曲線。

圖4 有功功率時程曲線

對于發電停機暫態工況而言，對機組沖擊最大的時刻為機組有功降至34.07 MW 與電網解列瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導擺度和頂蓋振動進行分析，頻譜如圖5 所示。

圖5 水導擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖5 可以看出：機組發電停機有功降至34.07 MW 與電網解列瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率。

（3）抽水開機暫態工況

圖6 為抽水開機有功功率時程曲線。

圖6 有功功率時程曲線

對于抽水開機暫態工況而言，對機組沖擊最大的時刻為排氣充水結束快速開導葉吸入有功瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導擺度和頂蓋振動進行分析，頻譜如圖7 所示。

圖7 水導擺度和頂蓋振動頻譜圖

由圖7 可以看出：機組抽水開機排氣充水結束快速開導葉吸入有功瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為轉頻、低頻以及3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率。

（4）抽水停機暫態工況

圖8 為抽水停機有功功率時程曲線。

圖8 有功功率時程曲線

對于抽水停機暫態工況而言，對機組沖擊最大的時刻為吸入有功降至89.11 MW 與電網解列瞬間，采用短時傅里葉分析法對水導擺度和頂蓋振動進行分析，頻譜如圖9 所示。

由圖9 可以看出：機組抽水停機吸入有功降至89.11 MW 與電網解列瞬間，水導擺度和頂蓋振動的主頻均為低頻，此時活動導葉已關至較小開度，然后快速關閉，相當于形成小的水錘效應，產生低頻的振蕩波。

圖9 水導擺度和頂蓋振動頻譜圖

表2 顯示了4 個暫態工況沖擊最大瞬間的水導擺度和頂蓋振動峰峰值。

表2 水導擺度和頂蓋振動峰峰值

由表2 可以看出：4 個暫態工況下，水導擺度峰峰值均處于較高水平，抽水開機和抽水停機暫態工況下的頂蓋振動比較劇烈，發電開機和發電停機暫態工況下相對較好。

4 結論

本文以白山抽水蓄能電站6 號機組為研究對象，對發電開機、發電停機、抽水開機、抽水停機暫態工況下的機組振動特性進行了研究，主要結論如下：

（1）機組發電并網瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率，低頻為水流振蕩波所造成，3 倍葉片過流頻率為典型的動靜干涉頻率（7 葉片數與20 活動導葉數匹配的結果）；

（2）機組發電停機有功降至34.07 MW 與電網解列瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為低頻和3 倍葉片過流頻率；

（3）機組抽水開機排氣充水結束快速開導葉吸入有功瞬間，水導擺度主頻為轉頻，頂蓋振動的優勢頻率為轉頻、低頻以及3 倍葉片過流頻率；

（4）機組抽水停機吸入有功降至89.11 MW 與電網解列瞬間，水導擺度和頂蓋振動的主頻均為低頻，此時活動導葉已關至較小開度，然后快速關閉，導致水錘效應，產生低頻的振蕩波；

（5） 4 個暫態工況下的水導擺度峰峰值均處于較高水平，抽水開機和抽水停機暫態工況下的頂蓋振動比較劇烈，發電開機和發電停機暫態工況下相對較好。