张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理

路 建，胡清娟，谷振富，郑 凯，孟晓超，易忠有

（1.河北张河湾抽水蓄能有限公司，河北省石家庄市 050021；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.中国水利水电科学研究院，北京市 100038；4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能电站在电力系统中具有调峰、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，对优化电源结构、促进我国核电、风电等清洁能源大规模发展、保障电网安全运行发挥着重要作用。我国抽水蓄能电站建设起步较晚，为实现蓄能电站机组设备制造的自主化，国家制定了打捆招标、技术引进、消化吸收的“三步走”战略，经过多年的建设实践，在机组设计能力、设备制造水平等方面有了较大的提高，电站施工和运行管理上积累了一定的经验。但多年的运行实践也逐渐暴露出早期投运的机组引发电站厂房振动和运行不稳定问题，随着工程经验的积累，对水泵水轮机固有的水力特性有了新的认识。

转轮和活动导叶之间的动静干涉是水电站厂房振动的重要来源之一。水泵水轮机静态部件均有叶片通频谐波为主的周期振动，振源为活动导叶和转轮叶片之间的无叶区动静干涉引起的压力脉动。水泵水轮机在运行过程中，转轮、活动导叶、顶盖及底环等过流部件均以动静干涉产生的水力激振模式做受迫振动，水力激振力频率随不同叶栅组合方式及机组转速而变化[1]。日本东芝水电公司对高水头水泵水轮机叶轮裂纹事故的试验研究发现，转轮应力的振动频率是导叶数量和转速的乘积，振动是由于尾流的不均导致的激励振荡，也就是动静叶片干涉所导致的[2]。如果动静干涉引起的水力激振频率与电站厂房结构的响应主频接近，就可能会引起厂房的剧烈振动。

本文介绍了张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉所诱发的电站厂房振动问题，以及其解决思路和处理方法，这些经验可供解决其他大型抽水蓄能电站的振动问题参考。

1 张河湾蓄能电站振动问题

1.1 张河湾蓄能电站概况

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市，电站总装机容量为1000MW，安装4台单机容量250MW的单级混流可逆式水泵水轮机组。张河湾电站水泵水轮机组额定水头305m，额定转速333.3r/min，电站年发电量16.75亿kW·h，年抽水电量22.04亿kW·h，年发电利用小时数为1675h，建成后接入河北南网，在系统中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。2007年12月底张河湾电站第一台机组并网发电，2009年2月全部投入商业运行。

1.2 厂房振动问题

张河湾电站机组投入运行以来，电站厂房楼板一直存在强烈的振动并伴有高频噪声，主要表现为：机组在发电工况运行时产生振动剧烈且振感及噪声强烈，振动和噪声随着负荷增大而增强；厂房楼板振动严重，且上游侧比下侧游强烈、中间比两边强烈，在水轮机工况额定出力下振动最大。电站厂房振动和噪声强烈程度在国内外抽水蓄能电站中比较罕见，尤其当某个部件或整体的自振频率接近振源频率而发生共振时，振感更加强烈。振动已经危及厂房结构安全，还可能导致设备损坏和错误动作而影响仪器设备的正常运行。

对电站厂房和水泵水轮机组进行了振动和压力脉动测试，试验结果如下：

（1）机组变转速试验表明，厂房振动主频随机组转速而线性变化，各转速下厂房振动的主频基本都为叶片通流频率的2 倍。

（2）变负荷试验表明，在额定转速下各负荷的厂房振动主频为100.0Hz，该频率为机组正常发电时叶片通过频率的2 倍，见图1。

（3）厂房振动测量表明，厂房部分结构存在接近100Hz的自振频率，存在局部共振的可能。

2 振动解决思路

2.1 振源分析

抽水蓄能电站水泵水轮机在水轮机工况运行时，转轮叶片和活动导叶间相互作用的压力脉动有可能是机组在水轮机工况运行时产生振动的主要原因，这种动静干涉现象是由转轮引起的势流扰动和活动导叶的尾流引起的流场扰动之间的相互作用的结果。当动静干涉频率与机组部件或厂房楼板固有频率相同或相近，且压力脉动幅值较大超过临界值时，动静干涉的激振能量将引起机组或厂房楼板的振动。

水泵水轮机动静干涉的转频在机组设计初期就已确定，但在真机运行中仍然发现存在强烈的由于转轮叶片与导叶之间水流干扰所带来的高频振动，这主要取决于其激振能量的大小。作用在转轮及固定部件上的主要水力激振谐波频率与转轮的转动频率有关，分别为[2]：

（1）从固定部件上看，作用与转轮上的水力激振的谐振频率为活动导叶的通过频率fG及其倍频见式（1）：

图1 张河湾电站水泵水轮机现场测量压力脉动频谱图（250MW）[3]Figure 1 Pressure fluctuation spectrogram at 250MW output of Zhanghewan pumped-turbine

（2）从转动部件上看，作用与活动导叶、顶盖和底环上的水力激振的谐振频率为叶片的通过频率fR及其倍频见式（2）

式中fn——转轮的转动频率；

ZG——活动导叶数；

ZR——转轮叶片数；

n——转动部件为谐波阶次；

m——固定部件为谐波阶次。

张河湾电站水泵水轮机额定转速n=333.3r/min，转轮叶片数ZR=9，据此计算得到水轮机转频fn=5.555Hz，叶片通过频率fR=m×9×5.555=m×50Hz。根据对张河湾电站厂房和水泵水轮机组进行振动和压力脉动测试的结果，在额定转速下厂房的振动频率为100Hz，因此计算确定谐波阶次m=2。

因此可以确定，电站厂房和机组的振动与水泵水轮机的动静干涉特性有重要关系。

2.2 减轻动静干涉的措施

减轻张河湾电站厂房振动的思路有两种，一是优化厂房的结构，改变厂房的自激振频率并增大刚度；二是优化水泵水轮机的设计，改变激振源的主频并降低激振的能量。很显然，对水泵水轮机进行优化可以从根本上降低或消除振动，而且付出的成本较低。因此，采取对水泵水轮机进行优化的方案。

在水泵水轮机水力设计时考虑减轻动静干涉对机组稳定性运行的影响，降低无叶区压力脉动幅值，即降低其激振能量，主要途径有两个，一是优化转轮（水轮机）叶片数，改变激振源的主频；二是增加活动导叶与转轮之间的距离，即电站活动导叶分布圆直径D0与转轮D1的比值，减小转轮和导叶之间的流动干扰。

传统的设计理念认为[4]，为了兼顾机组的效率和稳定性，水泵水轮机导叶分布圆直径比D0/D1通常为1.15～1.20。张河湾水泵水轮机的D0/D1为1.167。我们对我国已建或在建主要抽水蓄能电站活动导叶分布圆直径比D0/D1进行了统计，发现随着机组单机容量的增大，特别是动静干涉对机组稳定性影响的重要性，活动导叶分布圆直径比D0/D1有增大的趋势，目前一些电站已经突破了1.20，统计结果见表1。

因此，为了减轻动静干涉影响，提高水力稳定性，对水泵水轮机进行优化的方向有2个：一是增大导叶分布圆直径比D0/D1；二是改变转轮叶片和导叶的数量。

表1 我国抽蓄电站水泵水轮机动静干涉参数Table 1 Rotor-stator interaction parameters of pumped-turbines in China

3 水泵水轮机转轮开发

3.1 转轮优化

由于电站厂房楼板振动激振源来自于水泵水轮机的动静干涉，重新开发转轮减轻或消除振动是最经济有效的方法。改造方案初期曾考虑新转轮开发时直接改变转轮叶片数的方案，彻底改变叶片通流转频来解决激振源问题，制造商担心引起其他问题，而没有采纳。考虑张河湾电站水泵工况运行时无振感，制造商决定还是采用原转轮叶片数，以降低无叶区压力脉动为目的进行新转轮开发。

水泵水轮机的改造通过优化转轮进水边叶片型线（水轮机方向）来改善导叶和转轮之间的流态，重点将导叶分布圆直径比D0/D1从原来的1.167增加到1.197，进水边也是向轴向深挖以增加无叶区宽度，可以说新转轮D0/D1的平均比值远大于1.2，以此达到减轻动静干涉的目的。张河湾水泵水轮机的新转轮见图2。

图2 张河湾新转轮（2016年）Figure 2 The newly-developed runner of ZHANGHEWAN pumped-storage power station（2016）

3.2 优化结果

制造商在2014年进行了水力开发和研究，2014年底进行了第一轮模型验收（中间转轮），中间转轮无叶区压力脉动混频压力脉动幅值与原转轮相比在50%负荷到100%负荷范围内下降26%～42%。由于中间转轮在水泵工况空化性能比老转轮性能更加恶化，且在水轮机工况额定水头满负荷的压力脉动存在上升趋势，幅值仍然接近7%。制造商又进行了一年的研发，开发出2016年新转轮。以额定水头305m为例，新转轮混频压力脉动幅值与原转轮相比在50%负荷到100%负荷范围内下降26%～75%，见图3，同时2倍Zr×fn主频幅值（100Hz）新转轮比老转轮降低了大约5.8倍，见图4。

图3 张河湾电站水轮机工况在额定水头305m时无叶区压力脉动（混频幅值）比较图Figure 3 Comparison map of pressure fluctuation （mixing amplitude）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

图4 张河湾电站水轮机工况在额定水头305m时无叶区压力脉动（2Zr×fn主频幅值）比较图Figure 4 Comparison map of pressure fluctuation（amplitude at 2Zr×fn main frenquency）at rated 305m head in turbine mode （Zhanghewan）

2017年7月新改造转轮投入运行，从现场测试结果看，厂房楼板振动和高频噪声问题明显解决。

4 结束语

张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机转轮的改造方案，使我们对水泵水轮机水力特性对机组稳定性的影响有了进一步新的认识，这不仅对老电站改造提供了一个较好的案例，也对今后在新电站建设过程中提高机组稳定性优化转轮水力设计有着很好的参考。

（1）在水泵水轮机设计初期关注转轮叶片数和机组转速的匹配。

（2）在分析动静干涉频率时不仅要分析一次谐波的影响，而且要同时分析二次和三次谐波对机组及厂房运行稳定性的影响。

（3）通过增大活动导叶分布圆直径比和转轮优化有效地减小了无叶区的动静干涉，解决了厂房的振动和高频噪声的问题；

（4）通过水泵水轮机优化设计，降低压力脉动幅值、且压力脉动幅值随负荷的增加平缓下降及在大负荷工况不上翘对机组稳定性运行影响较大。