抽水蓄能机组甩负荷时无叶区压力幅值特性_赵毅锋.pdf

收稿日期:20220312基金项目:国家电网有限公司科技项目(5108202218280A2251XG);中国水科院基本科研业务费项目(TJ0145B022021)作者简介:赵毅锋(1982)，男，山西长治人，高级工程师，学士，主要从事抽水蓄能机组性能评价技术研究工作通信作者:张飞(1983)，男，山东枣庄人，高级工程师，硕士，主要从事抽水蓄能机组现场试验测试及研究与实践工作E-mail:spiritgiant 126com【水利水电工程】抽水蓄能机组甩负荷时无叶区压力幅值特性赵毅锋1，张飞1，陈善贵2，徐亚鹏1(1国网新源集团有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100761;2安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽 绩溪 245300)摘要:甩负荷是抽水蓄能机组的正常设计工况，此时无叶区经历过流系统最为严重的压力脉动，对机组运行稳定产生深远影响。长期以来，对无叶区压力及其脉动研究主要集中于数值模拟、模型观测，对真机试验研究少。以某抽水蓄能电站 6 台机组单机甩额定负荷时无叶区压力信号为分析对象，基于 SavitzkyGolay 滤波器对压力信号进行处理，分离出了趋势压力与脉动压力，阐释了趋势压力与脉动压力的主要影响因素，并指明了亟须解决的问题。研究表明:甩负荷过程中无叶区趋势压力主要受转速影响，与转速的相关系数在 099 左右;脉动压力峰峰值受动静干涉、旋转失速等影响，是额定负荷稳定运行时的 722 倍，显著高于数值模拟结果。关键词:抽水蓄能机组;甩负荷;无叶区;趋势压力;脉动压力中图分类号:TH734文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307025引用格式:赵毅锋，张飞，陈善贵，等抽水蓄能机组甩负荷时无叶区压力幅值特性 J 人民黄河，2023，45(7):134139Amplitude Characteristic of Vaneless Zone Pressure in Load ejection Process for Pumped-Storage UnitsZHAO Yifeng1，ZHANG Fei1，CHEN Shangui2，XU Yapeng1(1Pumped-Storage Technology Economic esearch Institute of State Grid Xinyuan Co，Ltd，Beijing 100761，China;2Anhui Jixi Pumped-Storage Power Co，Ltd，Jixi 245300，China)Abstract:Load rejection is the normal design working point for pumped-storage unit Vaneless zone experiences serious pressure pulsation inload rejection period，resulting deep impact on unit running stability For a long time，the research on the vaneless zone pressure mainly focu-ses on numerical simulation and model observation Less research attention has been paid on the prototype unit due to the scarcity of on-sitetest This paper focused on the vaneless zone pressure measured at a pumped-storage power station during load rejection periods，establishedseparation method between trend pressure and pulsation pressure based on Savitzky-Golay filter，clarified main influence factors on trend andpulsation pressures，and pointed out the urgent issues need to be solved in the future The research indicates that in load rejection process thetrend pressure of vaneless zone is mainly affected by rotational speed by the correlation factor 099 with rotational speed The pulsation pres-sure peak-to-peak value which is affected by rotor-stator interference and rotational stall，etc，is 722 times of pressure pulsation in stableoperation with rated load，and is remarkable higher than numerical calculation resultKey words:pumped-storage unit;load rejection;vaneless zone;trend pressure;pulsation pressure随着我国“碳达峰、碳中和”政策的实施，抽水蓄能发展步入了快车道。截至 2021 年 8 月，我国建成投运抽水蓄能电站总装机容量 3 249 万 kW，在建抽水蓄能电站总装机容量 5 373 万 kW，在运、在建电站规模均居世界第一。根据抽水蓄能中长期发展规划(20212035)，到 2025 年，抽水蓄能投产总规模6 200万 kW 以上;到 2030 年，投产总规模 12 亿 kW左右。光伏、风电等间歇性可再生能源的大规模并网，抽水蓄能机组运行强度显著提升，相关影响机组运行安全稳定的现象引起普遍关注，其中无叶区压力脉动导致的机组及厂房问题表现最为凸出，如张河湾抽水蓄能电站因无叶区动静干涉而引发的厂房局部共振现象1、黑麋峰抽水蓄能电站机组无叶区压力脉动大导致的转轮裂纹及厂房振动问题2 等。无叶区压力脉动是引起抽水蓄能机组振动问题的主要激振源，是水泵水轮机流道系统中幅值最大的压力脉动3，其主要表现形式包括旋转失速、动静干涉431第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023等。传统上，研究人员主要关心稳态情况下的无叶区压力脉动，且主要采用模型试验和流动计算方法进行研究，模型试验方面:Hasmatuchi 等4 通过模型试验分别观测到水泵水轮机发电工况下偏离最优工况和泵工况下的旋转失速现象，an 等5 通过模型试验分别观测到了水泵水轮机在水泵工况和水轮机工况的流动不稳定现象;流动计算方面:李德友6 采用剪切应力输运 SST kw 模型分别实现了原型和模型水泵水轮机在水泵工况下无叶区压力脉动的流动分析;Zhang 等7 采用不同的湍流模型针对 S 区内的流动进行了分析，获得了 S 区形成的机理。近年来，随着计算流体动力学的发展以及计算能力的提升，采用一维特征线法结合三维流动计算法针对甩负荷过程进行分析的手段逐渐展开，如:Zhang 等8 采用该方法对模型水泵水轮机甩负荷进行建模分析，获得了甩负荷过程中流道内压力脉动、转轮受力情况;Yin 等9 对抽水蓄能电站双机同时甩负荷工况进行了研究，指出双甩较单甩导致更高的无叶区压力脉动;张晓曦等10 指出了甩负荷过程中尾水管水柱分离的机理及其严重影响。同时，针对模型机组，研究者们1112 开展了过渡过程无叶区压力脉动及其流场测试试验研究;针对原型机组，李立等13、杨建东等14 研究了甩负荷过程中的无叶区压力脉动特征，结果表明，多数研究采用模型试验对数值方法进行验证，并在此基础上展开过渡过程工况流动机理研究。考虑到水电机组一次开停机过程等效机组正常运行 15 h 的损伤15，而甩负荷过程是较开停机过程更大风险的过渡过程工况，对机组的损伤将更严重;同时，在甩负荷过程中，无叶区压力是整个过流系统中压力上升最大的区域。因此，对甩负荷这类过渡过程工况压力及其脉动进行研究，有助于工程技术人员认识甩负荷对机组造成的损伤，对于提升机组预期寿命有很大帮助。然而受限于原型试验的复杂性及风险性，针对原型机组过渡过程压力脉动，特别是甩负荷下无叶区压力脉动原型机组观测较少，通常只在机组投入商业运行前的调试阶段进行这类试验，且相关研究局限于单次观测结果分析，对于数据的重复性缺乏足够分析。2019 年 8 月2021 年 2 月，某抽水蓄能电站完成了 6 台机组的启动调试任务，调试过程中每台机组均进行了甩负荷试验。为掌握机组性能，每台机组均在相同位置就近设置了无叶区压力脉动测点，因而对其进行研究，以掌握甩负荷过程中的无叶区压力脉动规律。此成果有助于顶盖、转轮等关键部件受力分析及疲劳评估，指导实现机组安全运行评价，对领域内研究学者及工程技术人员有重要的参考价值。1试验概况11电站简介某抽水蓄能电站安装 6 台单机容量为 300 MW 的立轴单级混流式水泵水轮机发电电动机组，年均发电量3015 亿 kWh，年均抽水用电量402 亿 kWh。该电站在电网中担任调峰、调频、调相、黑启动和事故备用等任务。电站引水系统采用 3 洞 6 机斜井式布置，引水调压室采用阻抗+上室结构形式，布置在引水隧洞末端;尾水系统采用 2 机合 1 洞布置形式，尾水调压室采用阻抗+上室结构形式，设置在尾水岔管下游 20 m处。水泵水轮机主要参数见表 1。表 1水泵水轮机主要参数项目参数型号HLBD773LJ404最大毛水头(扬程)/m6430最小毛水头(扬程)/m5810水轮机工况额定水头/m6000水轮机额定功率/MW3061水泵最大输入功率/MW325额定转速/(r/min)500飞逸转速/(r/min)725/66988(瞬态/稳态)转轮直径 D2/m1982转轮叶片数5 长 5 短活动导叶数1612测试简况每台机组启动调试期间均进行了甩负荷试验，通常甩负荷试验重点关注蜗壳进口压力、尾水锥管进口压力和机组转速，同时每台机组甩负荷时亦对无叶区压力进行了同步测量，对有功功率、发电机出口开关位置、导叶关闭规律等也进行了同步测量。测试点满足国标的相关要求16。无叶区压力测点位置及相应照片见图 1。其中，HC01 为无叶区压力测点，HC02 为顶盖下转轮外缘侧压力测点。考虑采用长测压管路导致的脉动压力放大效应17，压力测点采用就近布置方式。导叶关闭规律和机组转速取自调速器电气控制柜模拟 量 输 出 面 板，压 力 传 感 器 采 用 GE 公 司 的PTX5072 型传感器，误差为02%，频响范围为 0 5kHz(3 dB);数据采集系统为 HBM 公司的 QuantumXMX840AP，模数转换 24 位，采样率为 1 200 Hz。图 1无叶区压力测点位置及其相应照片531人 民 黄 河2023 年第 7 期6 台机组甩额定负荷试验含甩 25%、50%、75%、100%额定负荷，其中甩 100%额定负荷时无叶区压力最大，相应甩负荷时参数见表 2，实测机组转速与导叶关闭规律见图 2(为便于比对，导叶开度和机组转速分别以额定开度、额定转速为基准折算成相对值)，实测无叶区压力见图 3。在图 2 和图 3 中，为便于对比分析，将 6 台机组实际甩负荷的时间统一调整至发电机出口开关断开时间，且断开前保留 10 s 数据、断开后保留 90 s 数据，一共 100 s 数据。表 26 台机组甩额定负荷时的参数机组编号上库水位/m下库水位/m毛水头/m甩前负荷/MW甩前开度/%第一段关闭速度/(%/s)第二段关闭速度/(%/s)1U93203334598630108641173042U94393312612730118931152983U95643313625129977781142994U94683323614529998231153135U94183352606629888361163096U9574324263322992753116302图 26 台机组甩额定负荷时机组转速与导叶关闭规律实测曲线图 36 台机组甩额定负荷时无叶区压力实测曲线由表 2 和图 2、图 3 可见，2U 和 3U 在水头相当的情况下，2U 导叶开度明显偏大，无叶区压力脉动也较其他机组偏大。主要原因是:2U 在带负荷过程中控制环与其中一个活动导叶之间的连板脱落，在导叶自关闭特性下导致机组带同样负荷时正常导叶需要更大的开度;同时，该导叶关闭导致无叶区流态对称性受到影响，引起无叶区压力脉动偏大。因此，2U 无叶区压力脉动数据虽不代表正常甩负荷情况下的脉动水平，但反映了异常情况下机组脉动情况，作为运行异常数据具有极其难得的参考价值。2时域特征分析甩负荷时无叶区压力脉动由水击压力叠加脉动压力构成。水击压力的波动幅值取决于导叶关闭规律，波动周期取决于引水管路特性，属于低频成分;脉动压力幅值受非黏滞性势流干涉和黏滞性尾迹干涉18，属于高频成分。因此，通过合适的滤波器能够将水击压力和脉动压力分离。很多方法可以用于提取信号中的低频成分，如低通滤波器、局域均值分解、经验模态分解、SavitzkyGolay 滤波器等。局域均值分解与经验模态分解方法存在模态混叠问题;低通滤波器种类多且编程实现略复杂;SavitzkyGolay 滤波器为线性滤波器，算法较低通滤波器易于实现，且该方法已在水力机械压力信号处理方面得到应用14，19，因此本研究采用SavitzkyGolay 滤波器对压力数据进行低通滤波。考虑到无叶区压力信号中低频成分主要是水击压力，水击压力波动周期通常在数秒至数十秒，低通滤波器的截止频率设置为 01 倍转频即可实现低频成分的提取20;同时，将低频成分从原始信号中扣除作为脉动压力的高频成分。压力信号处理流程见图 4。图 4趋势压力与脉动压力信号处理流程采用 SavitzkyGolay 滤波器对 6 台机组无叶区压力进行处理，处理结果见图 5。由图 5(a)可见，6 台机组甩负荷后无叶区压力低频趋势基本一致，表现出了良好一致性。图 5(a)中趋势压力波峰数量与图 2(a)中转速波峰数量一致，主要原因是:受限于 S 区特性及631人 民 黄 河2023 年第 7 期初始导叶开度(取决于试验时水头)，当水头较低时导叶开度较大，导叶关闭时间较长，造成转轮在 S 区来回穿插，导致较高水头时波峰数量多 1 次;2U 由于一个导叶失控关闭导致开度偏大，因此较正常运行开度偏大，亦造成关闭时间变长。图 56 台机组甩额定负荷时无叶区趋势压力与脉动压力分离图 5(b)中机组甩负荷过程脉动压力属于典型的非稳态信号，不能直接计算时域特征值。参考文献 20 针对甩负荷时尾水锥管脉动压力处理方式，采用4 个旋转周期窗口对应数据，步长取 1 个旋转周期，对应数据对脉动压力数据进行滑移计算，以获得整个过程中脉动压力峰峰值的变化规律。考虑到无叶区趋势压力、脉动压力与机组转速相关，图 6 分别给出了无叶区脉动压力峰峰值、趋势压力与转速关系对比曲线，表3 给出了趋势压力、脉动压力与转速的相关系数，表 4给出了脉动压力峰峰值与相对值。图 66 台机组甩额定负荷时无叶区脉动压力峰峰值、趋势压力与机组转速关系曲线对比表 3趋势压力、脉动压力与机组转速的相关系数机组编号1U2U3U4U5U6U趋势压力与机组转速0988 80991 50989 20985 10989 30986 5脉动压力峰峰值与机组转速0721 70750 40717 10674 30758 40689 2表 4压力脉动峰峰值与相对值机组编号1U2U3U4U5U6U甩前运行值/kPa441540392177659563最大峰峰值/kPa6 1886 3965 1843 8194 8686 292相对值/%105107856382101放大倍数14121322711注:相对值=最大峰峰值/(毛水头98)100%(毛水头见表2);放大倍数为最大峰峰值与甩负荷前运行值的比值。由图 6(a)可知 6 台机组脉动压力峰峰值变化趋势基本一致，且与机组转速正相关(表 3 可见脉动压力峰峰值与机组转速相关系数为 067076)，存在两次显著的脉动压力峰峰值极大值，分别对应前两次机组转速极大值点，在机组转速达到最大值的第一个升速过程中，脉动压力达到最大值。为说明脉动压力峰峰值之间的一致性，计算 6 台机组之间的脉动压力峰峰值相关系数，计算结果见表 5，从表中可见:最大值为 0984 3(3U 与 6U)，最小值为 0866 2(2U 与 6U)，相关系数水平处于高水平，进一步验证了脉动压力变化趋势的一致性。绝对值方面，机组之间存在明显差异，2U 脉动压力峰峰值在甩负荷后的不同时刻均处于6 台机组中较高水平，表明单个导叶拒动明显增大了无叶区脉动压力水平。由表 4 可见，6 台机组脉动压力最大峰峰值均处于非常高的水平，较正常带额定负荷运行时脉动压力峰峰值显著增大，其中 1U、2U、6U表 5不同机组之间脉动压力峰峰值相关系数机组编号1U2U3U4U5U6U1U0932 80942 80962 70956 90927 42U0932 80886 40903 80924 50866 23U0942 80886 40937 00944 20984 34U0962 70903 80937 00956 80926 45U0956 90924 50944 20956 80933 76U0927 40866 20984 30926 40933 7731人 民 黄 河2023 年第 7 期脉动压力峰峰值的绝对值均超过 6 000 kPa 并超过了毛水头，说明在甩额定负荷时无叶区存在极为强烈的脉动压力。无叶区大幅脉动压力将对转轮产生不利影响，是造成转轮失效的主要原因，相关案例已有报道2，21。在甩负荷过程中，由于脉动压力加大，因此对转轮造成的破坏效果将显著增强。针对模型水泵水轮机甩负荷时的脉动压力，文献 19 指出无叶区脉动压力在甩负荷后达到甩前稳态工况的 2 倍;文献 22指出，甩负荷过程中无叶区脉动压力幅值增加主要原因是转轮进口回流的出现和发展增大了无叶区内流体的湍动能，加强了无叶区内的动静干涉现象，最大脉动压力幅值可达到初始值的 5 倍。从实际测试结果来看，模型试验与数值模拟显著低估了甩负荷过程中的脉动压力。由于模型试验、数值模拟与实测结果有差异，大部分抽水蓄能电站采用一管多机形式布置，多机同时甩负荷时无叶区脉动压力较单机时将显著增大23，因此如果采用模型试验与数值模拟结果对转轮进行设计，将严重高估转轮的预期寿命，造成转轮过早疲劳损伤并失效。图 6(b)可见:无叶区趋势压力与机组转速变化趋势基本一致，趋势压力变化与机组转速正相关，两者之间的相关系数均在 099 左右，说明无叶区趋势压力变化主要取决于机组转速，而由导叶快速关闭产生的水击压力影响可忽略，这一观测结果与文献 19 对模型机组无叶区趋势压力的观测结果一致。根据转轮入口处的速度三角形，转轮入口处流速由圆周速度和相对速度确定，考虑到无叶区趋势压力与机组转速的强相关性，可以判断趋势压力取决于圆周速度而与相对速度无关。发生这一现象的本质原因可以分为两个时间段进行解释:在导叶未全关的时候，水泵水轮机转轮流道狭长，具有明显的 S 区;在全特性曲线上，正常满负荷运行时机组运行工况点位置较靠近 S 区，机组一旦甩负荷后将迅速进入 S 区，并往返循环多次20;而在S 区内，存在流动不稳定导致的旋转失速现象4，转轮流道堵塞，同时在无叶区内靠近活动导叶出口处存在明显的旋涡与回流从而形成水环24，进一步堵塞流道，引起压力上升。在导叶全关后，无叶区内流道完全堵塞，造成压力上升。3结论本研究以某抽水蓄能电站 6 台机组单机甩额定负荷时无叶区脉动压力信号为分析对象，基于 SavitzkyGolay 滤波器分离了趋势压力与脉动压力，对影响压力上升及脉动变化水平的因素进行了分析。通过研究获得了以下结论:1)甩负荷过程中无叶区趋势压力与机组转速相关系数在 099 左右，表明压力升高主要受机组转速影响，压力上升主要由流道堵塞效应导致;脉动压力峰峰值与机组转速相关系数为 067076，表明脉动压力峰峰值与机组转速正相关。2)甩负荷过程中无叶区存在强烈的由动静干涉、旋转失速等导致的脉动压力，且脉动压力峰峰值超过了毛水头，为正常额定负荷运行的 722 倍，显著高于数值模拟结果。参考文献:1 ZHANG F，LOWYS P Y，HOUDELINE J B，et alPump-Tur-bine otor-Stator Interaction Induced 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S特性区内流特性分析 J 水力发电学报，2015，34(10):138144【责任编辑简群】(上接第 119 页)3)施用 PAM 可有效增强坡地抗蚀性、减少产沙量，且施用量越大抗蚀、减沙作用越大，PAM 施用量为60 g/m2时径流挟沙率较对照降低 81%;施用石膏粉后坡地抗蚀性减弱、产沙量增加，且施用量越大对抗蚀、减沙的负面影响越大，石膏粉施用量为 150 g/m2时径流挟沙率比对照提高 125%。PAM、石膏粉分别对连续降雨的前 2 场、前 3 场降雨产沙有较显著的影响，对后续场次降雨产沙的影响均明显衰减。为了有效利用雨水资源、调控土壤水分、减少土壤流失，还需对 PAM 和石膏粉的最佳施用量、施用方式及施用时间等开展进一步研究。参考文献:1 王满莹坡耕地水土流失治理方案设计J 农业灾害研究，2015，5(6):4547 2 马波，刘雨鑫，吴发启植大豆对坡耕地径流侵蚀产沙的影响 J 水土保持学报，2012，26(4):3236 3 张惠霞，郑书彦，徐伯荣黄土高原水土流失灾害研究 J 水土保持研究，2004，11(3):320321 4 关晓迪，李荣建，张世斌，等不同雨强和坡比条件下黄土边坡降雨入渗研究 J 人民黄河，2022，44(1):106111 5 陆绍娟，王占礼土壤改良剂聚丙烯酰胺的研究进展 J 人民黄河，2016，38(7):7377 6 潘英华，雷廷武，张晴雯，等土壤结构改良剂影响下的土壤水分有效性研究 J 灌溉排水学报，2007，26(5):6367 7 侯礼婷，焦爱萍，申震洲，等PAM 和 PG 对土壤入渗及坡面产沙的调控效应 J 人民黄河，2022，44(6):116120 8于键，雷廷武PAM 与石膏对土壤入渗与侵蚀的影响 C/中国水利学会青年科技工作委员会中国水利学会首届青年科技论坛论文集北京:中国水利水电出版社，2004:269275 9 夏海江，杜尧东，孟维忠聚丙烯酰胺防治坡地土壤侵蚀的室内模拟试验J 水土保持学报，2000，14(3):1417，83 10 陈渠昌坡地松散土壤水土流失理化综合调控方法研究 D 北京:中国农业大学，2007:5865 11 雷廷武，袁普金，詹卫华，等 PAM 及波涌灌溉对水分入渗影响的微型水槽试验研究J 土壤学报，2004，41(1):140143 12 关连珠普通土壤学 M 2 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