论文部分内容阅读
（1南京南瑞集团公司 南京 211106；2华东宜兴抽水蓄能有限公司 宜兴 214205
3河海大学 江苏 南京 210098 ）
[摘 要] 抽水蓄能技术的核心问题在于可逆式机组的“S”特性，“S”特性对机组正常工况运行以及过渡工况运行的稳定性起着决定性的作用。本文从抽水蓄能机组转轮“S”特性机理出发，揭示“S”特性对机组开机启动方式、正常运行稳定性以及甩负荷工况压力脉动变化规律的影响，对蓄能机组的选型设计有借鉴意义。
[关键词] 抽水蓄能机组 “S”特性 水力阻抗 压力脉动
1 引言
抽水蓄能机组的“S”特性是影响机组运行稳定性的关键因素，该区域内机组在同一单位转速下对应三种不同单位流量，这种正负流量的相互转换会导致正反向转矩的产生，极易造成机组构件的破坏[4]。在转轮“S”特性区水流流态十分紊乱，紊流引发的压力脉动是产生机组振动的重要原因之一，特别对于结构强度较低的大型机组，严重时可导致机组构件疲劳性破坏以及尾水流道内汽蚀，威胁机组的安全稳定运行。因此，研究转轮“S”区压力脉动特性以及机组振动稳定性，不仅有助于机组安全稳定运行，还可对可逆式机组选型设计提供建议。
针对可逆式机组的压力脉动问题，不少学者做过研究。钱忠东等人[1]分别采用不同模型对模型水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟，通过分析导水机构及尾水管压力脉动的特征，得到模拟压力脉动的较优模型。刘树红等人[2]利用SST k-ω湍流模型开展了水泵水轮机在水轮机工况下不同位置的压力脉动的研究。研究结果表明压力脉动的幅值和频率在不同位置均不同，且有明确的传递特性。孙跃昆等人[3]根据真机实测压力脉动结果对机组开机过程无叶区压力脉动进行深入分析，获得开机过程无叶区压力脉动幅值及频谱特性。已有成果多为机组不同位置压力脉动特性的研究，而涉及“S”特性对机组振动稳定性影响的并不多见。
本文结合真机实测压力脉动数值，对机组“S”特性区域压力脉动幅值特性进行分析，进一步探讨“S”特性区单位转速及单位流量变化对机组振动稳定性影响的规律，对水泵水轮机的设计选型工作提出建议。
2 正常运行工况“S”特性对机组稳定性的影响
抽水蓄能机组在水轮机工况开机启动时，活动导叶逐渐开启，机组转轮达到空载开度下的飞逸状态，此时水泵水轮机处于空载开度下的“S”区。此时增加负荷，机组则不可避免进入反水泵区，最终导致机组并网困难。采用非同步导叶（MGV）可有效解决机组并网困难的问题，但MGV装置破坏了流场的流动对称性，增强机组的压力脉动。机组在水轮机工况正常运行时，运行轨迹沿着等开度线延伸，若正常运行等开度线上单位流量随单位转速变化规律复杂，也会产生正常流态不稳定现象，引起机组振动。本节对比两套相近转轮曲线正常运行范围的不同“S”特性，结合各自的开机方式以及运行特点，分析机组正常运行时“S”特性对稳定性影响。转轮流量特性曲线如图1、图2所示。
图1 曲线1正常运行范围 图2 曲线2正常运行范围
分析曲线1的正常运行区可知，曲线1的正常运行区离“S”区很近，正常运行区包含了约50%等开度线的整个“S”区。曲线1正常运行的较多区域已经较多处于“S”区。因此，转轮1全水头开机启动均需要投入非同步导叶，扰乱了水流流态，引发压力脉动现象。同时，带正常负荷运行时，转轮1的单位流量同单位转速的变化规律复杂，流态较为紊乱，正常运行时机组伴随着振动现象。
分析曲线2的正常运行区可知，曲线2的正常运行区离“S”区较远，正常运行区仅包含了约10%等开度线的整个“S”区，在大开度区的等开度线过渡平缓，因此，转轮2仅在小部分水头段开机启动时需要投入非同步导叶。同时，带正常负荷运行时，转轮2的单位流量同单位转速变化规律一致，运行稳定性较好。
以上分析可知，机组正常运行区的“S”特性范围对机组开机稳定性以及正常运行时的稳定性均有较大影响。正常运行范围离“S”区越远，包含完整“S”特性的等开度线条数越少，机组运行越稳定。
3 甩负荷过程“S”区域压力脉动幅值特性
抽水蓄能机组甩负荷过程，运行轨迹恰好经过“S”区。因此，转轮“S”区内转速流量变化特性对机组稳定性有重要影响。有文献描述，引起可逆式机组过流系统不稳定的机理是：机组引用流量随水头的增大而减小，此时机组水力阻抗值为负：
式中： 为单位转速，r/min； 为单位流量，m3/s； 为机组转速，r/min； 为机组转轮直径，m。
因水轮机工况、、均为正值，则< 0时，即时，该工况点机组运行不稳定。本文根据真机实测压力脉动幅值结果，对此公式的合理性进行验证，并对甩负荷过程“S”区机组压力脉动特性进行评判。
（a） （b）
图3 电站实测数据稳定区域示意图（时间起点以断路器跳闸为起始点）
表1 实测脉动幅值与稳定性对比表
工况点 大小 脉动压力幅值（m）
3s -0.01000 0.00155 >0 10.7
3.5s -0.00800 0.00142 >0 10.7
4s -0.01667 0.00134 >0 21.4
4.5s -0.00400 0.00125 >0 10.1
6.5s 0.01560 0.00084 <0 30.2
7s 0.01310 0.00074 <0 41.5
7.5s 0.01200 0.00064 <0 36.1
8s 0.01190 0.00052 <0 21.0
如图3所示，红线为稳定工况区与非稳定工况区的分界线。等开度线水轮机工况区第一个折点过后机组单位流量随单位转速的减小而减小，斜率迅速由负斜率变为正斜率，进入非稳定区。而一般抽蓄机组全特性曲线的“S”区在此点过后还会经过一段负斜率的过渡区才会逐渐转为正斜率区，即非稳定区。因此，该电站的非稳定工况区十分宽广。同时，该电站采用导叶延时关闭规律使机组运行轨迹线顺着全特性曲线走势延伸，很快进入不稳定区，进而产生强烈的压力脉动。以上说明，全特性曲线的“S”特性也会影响到机组的稳定性问题。
表1中数据可知，根据公式判定，甩负荷开始后3s、3.5s、4s、4.5s时刻工况点均大于零，处于稳定区，脉动幅值相对较小，最大有21.4m；甩负荷开始后6.5s、7s、7.5s、8s时刻工况点的均小于零，处于非稳定区，脉动压力骤然增大。所以该电站在导叶延时关闭10s内出现很强烈的压力脉动现象。
综合以上分析可得，抽水蓄能机组甩负荷过程，机组不稳定区域越大，即< 0的区域越大，机组脉动压力幅值越大，持续时间越久。
4 结语
本文通过对抽水蓄能机组正常运行范围以及甩负荷工况区的“S”特性及机组稳定性的分析，得出了水轮机工况“S”特性对机组稳定性影响。具体结论如下：
机组正常运行区“S”特性范围对机组开机稳定性以及正常运行时的稳定性均有较大影响。正常运行范围离“S”区越远，包含完整“S”特性的等开度线条数越少，机组开机启动需投入MGV装置的工况越少，机组运行稳定性越好。
抽水蓄能机组水轮机工况甩负荷过程，机组不稳定区域越大，即< 0的区域越大，机组脉动压力幅值越大，持续时间越久。
参考文献
[1] 钱忠东， 杨建东. 湍流模型对水轮机压力脉动数值预测的比较[J]. 水力发电学报，2007，26（6）：111-115.
[2] 刘树红， 孙跃昆， 左志刚等. 原型水泵水轮机压力脉动传递特性的数值模拟及分析[J]. 中国水电设备学术讨论会，2013.
[3] 孙跃昆， 刘树红， 刘锦涛等. 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，2012，8（33）.
[4] 梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
3河海大学 江苏 南京 210098 ）
[摘 要] 抽水蓄能技术的核心问题在于可逆式机组的“S”特性，“S”特性对机组正常工况运行以及过渡工况运行的稳定性起着决定性的作用。本文从抽水蓄能机组转轮“S”特性机理出发，揭示“S”特性对机组开机启动方式、正常运行稳定性以及甩负荷工况压力脉动变化规律的影响，对蓄能机组的选型设计有借鉴意义。
[关键词] 抽水蓄能机组 “S”特性 水力阻抗 压力脉动
1 引言
抽水蓄能机组的“S”特性是影响机组运行稳定性的关键因素，该区域内机组在同一单位转速下对应三种不同单位流量，这种正负流量的相互转换会导致正反向转矩的产生，极易造成机组构件的破坏[4]。在转轮“S”特性区水流流态十分紊乱，紊流引发的压力脉动是产生机组振动的重要原因之一，特别对于结构强度较低的大型机组，严重时可导致机组构件疲劳性破坏以及尾水流道内汽蚀，威胁机组的安全稳定运行。因此，研究转轮“S”区压力脉动特性以及机组振动稳定性，不仅有助于机组安全稳定运行，还可对可逆式机组选型设计提供建议。
针对可逆式机组的压力脉动问题，不少学者做过研究。钱忠东等人[1]分别采用不同模型对模型水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟，通过分析导水机构及尾水管压力脉动的特征，得到模拟压力脉动的较优模型。刘树红等人[2]利用SST k-ω湍流模型开展了水泵水轮机在水轮机工况下不同位置的压力脉动的研究。研究结果表明压力脉动的幅值和频率在不同位置均不同，且有明确的传递特性。孙跃昆等人[3]根据真机实测压力脉动结果对机组开机过程无叶区压力脉动进行深入分析，获得开机过程无叶区压力脉动幅值及频谱特性。已有成果多为机组不同位置压力脉动特性的研究，而涉及“S”特性对机组振动稳定性影响的并不多见。
本文结合真机实测压力脉动数值，对机组“S”特性区域压力脉动幅值特性进行分析，进一步探讨“S”特性区单位转速及单位流量变化对机组振动稳定性影响的规律，对水泵水轮机的设计选型工作提出建议。
2 正常运行工况“S”特性对机组稳定性的影响
抽水蓄能机组在水轮机工况开机启动时，活动导叶逐渐开启，机组转轮达到空载开度下的飞逸状态，此时水泵水轮机处于空载开度下的“S”区。此时增加负荷，机组则不可避免进入反水泵区，最终导致机组并网困难。采用非同步导叶（MGV）可有效解决机组并网困难的问题，但MGV装置破坏了流场的流动对称性，增强机组的压力脉动。机组在水轮机工况正常运行时，运行轨迹沿着等开度线延伸，若正常运行等开度线上单位流量随单位转速变化规律复杂，也会产生正常流态不稳定现象，引起机组振动。本节对比两套相近转轮曲线正常运行范围的不同“S”特性，结合各自的开机方式以及运行特点，分析机组正常运行时“S”特性对稳定性影响。转轮流量特性曲线如图1、图2所示。
图1 曲线1正常运行范围 图2 曲线2正常运行范围
分析曲线1的正常运行区可知，曲线1的正常运行区离“S”区很近，正常运行区包含了约50%等开度线的整个“S”区。曲线1正常运行的较多区域已经较多处于“S”区。因此，转轮1全水头开机启动均需要投入非同步导叶，扰乱了水流流态，引发压力脉动现象。同时，带正常负荷运行时，转轮1的单位流量同单位转速的变化规律复杂，流态较为紊乱，正常运行时机组伴随着振动现象。
分析曲线2的正常运行区可知，曲线2的正常运行区离“S”区较远，正常运行区仅包含了约10%等开度线的整个“S”区，在大开度区的等开度线过渡平缓，因此，转轮2仅在小部分水头段开机启动时需要投入非同步导叶。同时，带正常负荷运行时，转轮2的单位流量同单位转速变化规律一致，运行稳定性较好。
以上分析可知，机组正常运行区的“S”特性范围对机组开机稳定性以及正常运行时的稳定性均有较大影响。正常运行范围离“S”区越远，包含完整“S”特性的等开度线条数越少，机组运行越稳定。
3 甩负荷过程“S”区域压力脉动幅值特性
抽水蓄能机组甩负荷过程，运行轨迹恰好经过“S”区。因此，转轮“S”区内转速流量变化特性对机组稳定性有重要影响。有文献描述，引起可逆式机组过流系统不稳定的机理是：机组引用流量随水头的增大而减小，此时机组水力阻抗值为负：
式中： 为单位转速，r/min； 为单位流量，m3/s； 为机组转速，r/min； 为机组转轮直径，m。
因水轮机工况、、均为正值，则< 0时，即时，该工况点机组运行不稳定。本文根据真机实测压力脉动幅值结果，对此公式的合理性进行验证，并对甩负荷过程“S”区机组压力脉动特性进行评判。
（a） （b）
图3 电站实测数据稳定区域示意图（时间起点以断路器跳闸为起始点）
表1 实测脉动幅值与稳定性对比表
工况点 大小 脉动压力幅值（m）
3s -0.01000 0.00155 >0 10.7
3.5s -0.00800 0.00142 >0 10.7
4s -0.01667 0.00134 >0 21.4
4.5s -0.00400 0.00125 >0 10.1
6.5s 0.01560 0.00084 <0 30.2
7s 0.01310 0.00074 <0 41.5
7.5s 0.01200 0.00064 <0 36.1
8s 0.01190 0.00052 <0 21.0
如图3所示，红线为稳定工况区与非稳定工况区的分界线。等开度线水轮机工况区第一个折点过后机组单位流量随单位转速的减小而减小，斜率迅速由负斜率变为正斜率，进入非稳定区。而一般抽蓄机组全特性曲线的“S”区在此点过后还会经过一段负斜率的过渡区才会逐渐转为正斜率区，即非稳定区。因此，该电站的非稳定工况区十分宽广。同时，该电站采用导叶延时关闭规律使机组运行轨迹线顺着全特性曲线走势延伸，很快进入不稳定区，进而产生强烈的压力脉动。以上说明，全特性曲线的“S”特性也会影响到机组的稳定性问题。
表1中数据可知，根据公式判定，甩负荷开始后3s、3.5s、4s、4.5s时刻工况点均大于零，处于稳定区，脉动幅值相对较小，最大有21.4m；甩负荷开始后6.5s、7s、7.5s、8s时刻工况点的均小于零，处于非稳定区，脉动压力骤然增大。所以该电站在导叶延时关闭10s内出现很强烈的压力脉动现象。
综合以上分析可得，抽水蓄能机组甩负荷过程，机组不稳定区域越大，即< 0的区域越大，机组脉动压力幅值越大，持续时间越久。
4 结语
本文通过对抽水蓄能机组正常运行范围以及甩负荷工况区的“S”特性及机组稳定性的分析，得出了水轮机工况“S”特性对机组稳定性影响。具体结论如下：
机组正常运行区“S”特性范围对机组开机稳定性以及正常运行时的稳定性均有较大影响。正常运行范围离“S”区越远，包含完整“S”特性的等开度线条数越少，机组开机启动需投入MGV装置的工况越少，机组运行稳定性越好。
抽水蓄能机组水轮机工况甩负荷过程，机组不稳定区域越大，即< 0的区域越大，机组脉动压力幅值越大，持续时间越久。
参考文献
[1] 钱忠东， 杨建东. 湍流模型对水轮机压力脉动数值预测的比较[J]. 水力发电学报，2007，26（6）：111-115.
[2] 刘树红， 孙跃昆， 左志刚等. 原型水泵水轮机压力脉动传递特性的数值模拟及分析[J]. 中国水电设备学术讨论会，2013.
[3] 孙跃昆， 刘树红， 刘锦涛等. 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，2012，8（33）.
[4] 梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000.