某抽水蓄能机组不同水头发电工况下的稳定性试验研究

本文介绍了某抽水蓄能机组在3个不同水头发电工况下的稳定性特性,分析了水导摆度、顶盖振动以及压力脉动随机组负荷的变化趋势,研究了水头对机组稳定性参数的影响规律,为了解抽水蓄能机组的运行特性提供了实例参考.     

抽水蓄能机组水泵断电过程中的机组反转问题

与常规机组相比,抽水蓄能机组具有水泵断电的工况,水泵断电时受导叶关闭规律和机组特性影响,经常要面临机组反转问题。以洪屏抽水蓄能电站为例,针对水泵断电时机组是否需要反转,反转是否有利于抽水蓄能机组的运行,以及反转时机组转速上升率对抽水蓄能机组运行的影响进行研究。利用水力机组过渡过程模拟计算和原型试验的方式,对机组30%反转和100%反转的工况进行研究。结果表明:两种工况下机组的控制参数均满足要求;综合考虑通流系统压力极值、材料应力极限、压力脉动等因素,100%反转工况优于30%反转工况;在反转转速不超过额定转速时,机组反转的转速越高,越有利于机组水泵断电工况的过渡过程要求。     

广蓄二期工程抽水蓄能机组的振动评估

抽水蓄能机组的运行工况复杂，其振动问题较之常规水轮发电机组更引起人们的关注。为了解广蓄二期抽水蓄能机组的振动特性以保障其安全运行，在机组上配置了振动监测系统，它包括机组振动保护和振动分析两大系统。该系统可以监测顶盖、各部轴承、上机架等处的振动速度与大轴摆度。根据广蓄二期机组的实测数据，参照国家标准化组织ISO提出的水轮机振动限制曲线和评估标准，评估其运行稳定性和振动特性，均达到ISO相关标准的A区好水平。     

抽水蓄能机组工况转换过程中无叶区压力特性

抽水蓄能机组无叶区压力脉动是机组及厂房振动的重要振源之一,尤其在工况转换过程中对厂房及机组振动起到决定性作用。考虑到工况转换过程属于典型的非稳态时变过程,本文采用时域混频幅值方法与时频分析中的短时傅里叶分析方法对抽水方向调相转抽水与发电方向调相转发电过程中无叶区压力信号进行了分析。研究结果表明:工况转换时无叶区水环吸收功率受球阀工作密封投退影响,工作密封退出后至顶盖排气阀关闭前时间段内吸入功率恒定,不受排气回水过程影响。工况转换时,因密封退出导致水环增厚,恶化了无叶区压力脉动情况。抽水方向调相至抽水工况转换与发电方向调相至发电工况转换时,无叶区压力脉动分别在转轮造压过程中和小负荷区达到最大值。工况转换过程中,无叶区存在明显的动静干涉频率和一倍叶片过流频率。一倍叶片过流频率均起源于球阀密封退出瞬间,抽水方向调相转抽水时动静干涉频率起源于尾水与转轮接触时,而发电方向调相转发电时动静干涉频率与一倍叶片过流频率同时产生。     

三峡水电站机组现场振动测试分析

本文基于三峡水电站左岸8号机组现场振动测试[1],通过对机组变转速试验、变负荷试验和水压脉动试验,发现机组转动部分存在一定的动不平衡以及在135 m水位下机组运行时尾水管水压脉动表现为3个主要特征区,说明了水轮机尾水管低频涡带压力脉动具有巨大的振动能量,是引起机组顶盖振动、摆度和尾水管结构破坏的主要振源。     

抽水蓄能电站地下厂房相邻机组段间振动的相互影响

为考察装有不同转速机组的相邻机组段厂房结构在脉动水压力下振动的相互影响,以某抽水蓄能电站地下厂房为研究对象,建立了包括两个机组段厂房结构的整体有限元模型,计算分析了脉动压力作用下相邻机组段厂房结构的振动反应。结果表明,流道脉动压力在相邻机组段楼板上激发的振动位移最大值仅为4．016μｍ,远小于水电站厂房结构楼板振动位移的控制标准0．2ｍｍ;脉动压力在相邻机组段楼板上激发的均方根加速度最大值为0．133ｍ／ｓ2,双台机组运行时,单台机组流道脉动压力造成的相邻机组段楼板均方根加速度增幅最大值仅为0．35％。说明机组流道内的脉动压力不会对相邻机组段厂房结构的振动产生明显的干扰和显著的不利影响。     

水泵工况下水泵水轮机压力脉动特性分析

水泵水轮机无叶区是机组内部水力因素引起的压力脉动最大的部位，也是机组和厂房振动的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能电站机组稳定性试验结果为基础，分析了机组内部压力脉动混频幅值随流量的变化规律，重点关注了无叶区压力脉动分频幅值随流量和倍频的变化规律及压力脉动特征频率的传播特性，为研究机组和厂房振动诱因提供了思路。     

水泵水轮机在S特性区的流态及压力脉动研究

抽水蓄能机组的四象限特征曲线存在着S形曲线,抽水蓄能机组运行工况复杂,机组经常在多个工况之间转换,机组在水轮机和水泵状态之间频繁切换,都会穿越S形曲线。S特性可以导致水泵水轮机机组产生强烈的振动,使得机组并网困难,振动剧烈,甚至因压力超标严重影响电站的安全稳定运行。在业界的共同努力下,S形问题对工程投运影响已经得到了根本解决,但是S形问题的诱发机理并不十分清楚。因此该文以某模型水泵水轮机为研究对象,通过全流道非定常数值模拟和基于全特性试验的粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）相结合,根据机组的运行特性,选取水泵水轮机三个开度下的13个工况点内部流动特性及压力脉动特性进行了研究。综合数值模拟及试验结果,获得空载工况,小流量工况及反水泵工况下无叶区漩涡的运动规律。分析了漩涡结构对无叶区压力脉动特性的影响。结果表明,空载工况对S特性区压力脉动幅频特性存在影响,空载工况与无叶区压力脉动存在必然联系。各工况点下无叶区压力脉动主频大部分工况为叶片通过频率,即9 f_n（f_n为转频）,部分工况受尾水管压力脉动影响主频...     

水力激振作用下的蓄能机组泵工况稳定性分析

随着我国蓄能机组的大量投运,水力激振所引发的机组稳定性问题日益严重。针对蓄能机组泵工况运行时的水力激振问题,采用现场试验手段获得了额定转速下蓄能机组调相压水工况与稳定泵水工况运行时的机组振动、摆度数据,采用频谱对比分析方法,研究了两种工况下各稳定性测点频谱,通过频谱中频率成分的变化,指出了不同部位测点中频率成分存在的差异。分析结果表明:承受垂直载荷部件振动幅值水泵工况较调相工况略有增大趋势;112.5Hz动静干涉频率成分主要在机组垂直振动方向上传播,且逐渐衰减;水力干扰导致泵工况部分测点的频率成分中增加了叶片通过频率56.25Hz和动静干涉频率112.5 Hz,但频率成分的增加并不一定引起机组振动与摆度混频幅值的增大;由于机组振动中261Hz等高频成分的出现,未来厂房与机组的动力分析报告中应包含高频成分,并进行复核。本次观测为转轮设计及研发人员提供了翔实参考数据。     

初始运行工况对水泵水轮机飞逸过渡过程水力特性的影响

飞逸过渡过程是抽水蓄能电站可能发生的一类事故工况。此过程中水泵水轮机的转速、流量和压力大幅改变,转轮流态极易恶化,可能引发剧烈压力脉动和转轮受力失衡。水泵水轮机初始运行工况是飞逸过程的重要控制因素之一,但其对此过程中机组水力特性的影响尚不明确。本文用一维管道与三维水泵水轮机耦合的数值模拟研究了某模型抽水蓄能系统中水泵水轮机从两个不同初始运行工况发生飞逸过程时水力特性的差别。结果表明,相对于流动条件较好的额定工况,由流动条件较差的部分负荷工况开始的飞逸过程更容易引起水泵水轮机运行轨迹的剧烈跳动以及流道压力脉动和转轮径向水推力的幅值突增,原因是在此过程中更易形成转轮流动失稳,机理是过渡过程中的瞬时流态保留有相应初始工况的部分流动特征,即瞬时流态的演化存在迟滞效应。因此,在当前不断拓宽抽水蓄能机组运行范围以满足电网容量调节需求的背景下,应充分考虑初始运行工况对可能发生的飞逸过程的影响。     

双吸离心泵泵站压力脉动与振动特性现场试验研究

双吸离心泵运行时,动静干涉会引起特定压力脉动,其频率为叶轮转频与叶片数相乘,即叶频。前期研究表明叶频压力脉动主要产生于压水室的隔舌区域,是引起水泵机组和泵房振动的重要激振源。为了揭示双吸离心泵系统压力脉动和振动特性的关系,开展了泵站压力脉动和振动特性的现场试验。通过在泵基础、出水管和泵房楼板位置布置振动传感器,同步测量了泵出口阀门不同开度下和泵启动开阀过程中的振动信号,借助时频分析方法开展了泵房振动信号的溯源分析。分析结果表明:在稳态工况中,水泵压力脉动和振动的相干性主要表现在转频、叶频及其倍频,且叶频压力脉动具有向上游衰减快,向下游衰减慢的特点;在启动工况中,水泵压水室压力脉动与基座(特别是垂直方向),甚至泵房出水侧楼板振动在叶频和转频处表现出相干性。根据现场测试结果认为,干室型双吸离心泵泵房在设计时,需要重点关注水泵叶频压力脉动作用下出水侧楼板等泵房结构的动力学响应问题。     

机组振动荷载作用下大型水电站厂房振动反应分析

随着水轮发电机组单机容量的提高,机组转动部件的重量、轴向水推力以及作用在支撑结构上的机组偏心力、不平衡磁拉力及电磁扭矩均会显著增大。为确保结构安全,对大型水电站厂房进行在机组振动荷载下的振动反应分析具有十分重要的意义。以锦屏一级水电站地下厂房为例,采用三维有限元法,计算了正常运行工况和事故工况下,厂房结构的振动位移、速...     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CHARACTERISTIC FREQUENCY IN UNSTEADY HYDRAULIC BEHAVIOUR OF A LARGE HYDRAULIC TURBINE

The features of unsteady flow such as pressure variation and fluctuation in a large hydraulic turbine usually lead to the instability of operation.This article reports the recent in site investigation concerning the characteristic frequencies in pressure fluctuation,shaft torsional oscillation and structural vibration of a prototype 700 MW Francis turbine unit.The investigation was carried out for a wide load range of 200 MW-700 MW in the condition of water head 57 m-90 m.An extensive analysis of both time-history and frequency data of these unsteady hydraulic behaviours was conducted.It was observed that the pressure fluctuation in a draft tube is stronger than that in upstream flow passage.The low frequency with about one third of rotation frequency is dominative for the pressure fluctuation in part load range.Also the unsteady features of vibration of head cover and torsional oscillation of shaft exhibited the similar features.Numerical analysis showed that the vibration and oscillation are caused by vortex rope in the draft tube.In addition,a strong vibration with special characteristic frequency was observed for the head cover in middle load range.The pressure fluctuation in the draft tube with the same frequency was also recorded.Because this special vibration has appeared in the designed normal running condition,it should be avoided by carefully allocating power load in the future operation.     

基于无监督特征学习的水电机组健康状态实时评价方法

水电机组健康状态实时评价是状态监测和劣化预警中的重要内容,传统方法采用单一限值比较,不能体现机组个性特色,且适用机组运行工况有限。同时,现阶段已知的水电机组故障类型有限,缺乏故障样本,限制了有监督特征学习方法的实际应用。本文提出了以无监督特征学习技术构建水电机组健康状态劣化指标的新方法,充分利用水电机组状态监测系统中海量数据,挖掘机组正常状态关键特征,建立基于特征空间重构奇异值分解的时域劣化指标和基于自编码器重构误差的频域劣化指标,实时量化评价机组健康状态。以国内某水电站机组轴向振动波形为例,验证了劣化指标的有效性。结果表明,所提出的劣化指标能够反映机组健康状态劣化程度,且比常用时域统计指标更清晰地表现劣化趋势,有效评价机组健康状态,实用性更强。     

水力脉动对水电站机组及厂房结构的影响研究与振动控制综述

水力振源在某些工况下可能对机组的正常运行造成影响,同时引起厂房结构不同程度的振动,且水力振源频域分布广,作用范围大,是水力、机械、电磁3种振源中最主要的振源,因此研究水力脉动及其造成的影响有着十分重要的意义。现有的研究成果对于水力振源特性的研究主要依赖于模型试验,存在模型尺寸比例误差和测点过少等问题,对于机组及厂房结构的振动稳定性计算也过于简化。根据计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,提出一种新的厂房水力振源研究方法,将水力振源转化为激励作用于转轮、蜗壳、尾水管部位,研究机组及厂房结构的稳定性,是未来可能的水力振源施加新方法,有着重要工程实际意义及应用前景。     

基于振动信号的水电机组状态劣化在线评估方法研究

实现水电机组状态劣化评估和故障预警是行业研究的热点。论文提出了一种结合时域与频域特征的机组劣化在线评估方法。(1)先利用检测指数确定振动信号中对机组运行状态最为敏感的时域特征;再以机组健康状态下工况参数X(水头、开度等)和检测指数筛选的振动信号时域特征Y为健康样本,利用最小二乘支持向量机构建机组状态健康模型Y=f(X)。基于该模型,以实时工况参数为输入,在线预测对应工况下机组振动信号时域特征健康值,计算健康值与实际值之间的相对误差,作为评估机组劣化程度的时域劣化指标。(2)利用小波变换与奇异值理论对振动信号进行分解,提取健康状态下机组振动信号奇异值特征向量并得到健康聚类中心,实时计算实测信号奇异值特征向量与健康聚类中心之间的相对欧式距离,作为频域劣化指标。结合时域和频域劣化指标,在线计算综合劣化指标评估当前时刻机组劣化程度。结合实际机组运行案例,验证了该模型的有效性和实用性。     

基于功率流理论的大型水电站厂房结构脉动压力频响分析

以某大型水电站厂房为研究对象，采用模型水轮机流道实测脉动压力数据，对厂房整体结构进行有限元仿真频响分析，基于功率流理论、功率流有限元方法及APDL语言编程实现厂房风罩、楼板、立柱及廊道结构功率流的计算。计算结果表明：蜗壳脉动能量的传导以剪切波效应为主，以竖向和顺河向的动力响应为表现方式；机墩及风罩结构是功率流传导的主要路径，其结构形式简单，耗能效果不显著；厚墙、厚板结构能较好吸收传导的能量，限制厂房上部结构动力响应幅值。本文研究成果可为厂房低频脉动压力传导测试及分析提供理论依据及参考。     

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

混流式机组负荷机架振动评价探析

水电机组振动水平是表征机组运行稳定性的主要指标之一.本文以混流式机组负荷机架振动为例,通过研究相似机组负荷机架在动静荷载作用下的振动特性,提出了一个表征动静荷载关系比的无量纲参数.根据相似水力条件引起的机组振动所导致的相对功率损耗一致的假定,运用最小二乘原理,建立了机组单位转速与该振动参数的回归模型,进而以不同的置信水平划分了不同的振动区域,对振动水平进行评价,并提出了建议措施.成果表明利用该方法评价负荷机架振动水平是有效且可行的.     

基于PC机的水电机组振动监测系统的开发

针对水电机组运行过程中因振动而引起故障这一问题，开发出了一种基于PC机的新型水电机组振动在线监测分析系统。该系统由PC机、专用数据采集箱、摆度、振动传感器及有关功能模块共同组成。重点讨论了系统的数据实时监测模块、振动分析模块、历史数据管理模块的问题，该系统能够连续地在线监测机组振动和摆度的变化过程，可以为机组检修及运行调度提供良好的依据和可靠的信息。