白山抽水蓄能电站暂态工况下机组振动特性研究

张永会，乔 木，鲍 峰，李金伟，于纪幸

（1.国网新源控股有限公司白山抽水蓄能电站，吉林 吉林 132013；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

0 引言

目前，对于抽水蓄能电站机组振动特性研究主要聚焦在稳态运行工况[1-4]，暂态工况下的机组振动问题系统研究很少见于报道。抽蓄机组由于其特殊运行方式，机组启停频繁，工况转换多，暂态工况下机组受到冲击振动，部分抽蓄电站的机组振动比较显著。

针对上述问题，本文依托白山抽水蓄能电站6号机组，在发电开机、发电停机、抽水开机、抽水停机4 种暂态工况下开展了机组振动测试，着重分析了水导摆度和顶盖振动的时域与频域特性，为解决已投运抽蓄电站机组振动问题提供一点新的启示。

1 机组基本参数

白山抽水蓄能电站位于吉林省东部长白山区桦甸市、靖宇县交界处，坐落于松花江上游，距吉林市约300 km，下游距红石水电站39 km，丰满水电站250 km。电站利用已建的白山水库作上库、红石水库作下库，安装2 台150 MW 抽水蓄能可逆机组，总装机容量300 MW。工程规模为大（2）型，主要由引水系统、地下厂房及附属洞室、通风洞和上下库进/出口等水工建筑物组成。电站建成后投入东北电网，主要承担系统的调峰、填谷及事故备用等任务。

白山抽水蓄能电站设计年抽水量17.65 亿m3，年平均抽水耗电量6.24 亿kW·h。电站最大水头为123.9 m，最小水头为105.8 m，设计水头采用最小水头105.8 m；最大扬程为130.4 m，最小扬程为108.2 m，设计扬程为126.7 m。电站最低发电水位403 m，最低抽水水位395 m。两台机组分别于2005年11 月和2006 年8 月投产，通过与白山常规水电站共用2 回220 kV 线路送出[5-7]。

机组基本参数如表1 所示。

表1 机组基本参数

2 现场试验测点与工况

暂态工况下机组振动特性研究主要聚焦水导摆度和顶盖振动，水导+X、+Y 向各布置1 个测点、顶盖+X、+Y、+XZ 向各布置1 个测点，如图1 所示。

4 个暂态工况如下：

发电开机与发电停机：静水头123.24 m；抽水开机与抽水停机：静水头123.22 m。

现场试验采样频率为1 kHz，数据连续采集。

图1 摆度和振动测点

3 暂态工况下机组振动特性研究

（1）发电开机暂态工况

图2 为发电开机有功功率时程曲线。

图2 有功功率时程曲线

对于发电开机暂态工况而言，对机组冲击最大的时刻为并网瞬间，采用短时傅里叶分析法对水导摆度和顶盖振动进行分析，频谱如图3 所示。

图3 水导摆度和顶盖振动频谱图

由图3 可以看出：机组发电并网瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为低频和3 倍叶片过流频率，低频为水流振荡波所造成，3 倍叶片过流频率为典型的动静干涉频率（7 叶片数与20 活动导叶数匹配的结果）。

（2）发电停机暂态工况

图4 为发电停机有功功率时程曲线。

图4 有功功率时程曲线

对于发电停机暂态工况而言，对机组冲击最大的时刻为机组有功降至34.07 MW 与电网解列瞬间，采用短时傅里叶分析法对水导摆度和顶盖振动进行分析，频谱如图5 所示。

图5 水导摆度和顶盖振动频谱图

由图5 可以看出：机组发电停机有功降至34.07 MW 与电网解列瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为低频和3 倍叶片过流频率，低频为水流振荡波所造成，3 倍叶片过流频率为典型的动静干涉频率。

（3）抽水开机暂态工况

图6 为抽水开机有功功率时程曲线。

图6 有功功率时程曲线

对于抽水开机暂态工况而言，对机组冲击最大的时刻为排气充水结束快速开导叶吸入有功瞬间，采用短时傅里叶分析法对水导摆度和顶盖振动进行分析，频谱如图7 所示。

图7 水导摆度和顶盖振动频谱图

由图7 可以看出：机组抽水开机排气充水结束快速开导叶吸入有功瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为转频、低频以及3 倍叶片过流频率，低频为水流振荡波所造成，3 倍叶片过流频率为典型的动静干涉频率。

（4）抽水停机暂态工况

图8 为抽水停机有功功率时程曲线。

图8 有功功率时程曲线

对于抽水停机暂态工况而言，对机组冲击最大的时刻为吸入有功降至89.11 MW 与电网解列瞬间，采用短时傅里叶分析法对水导摆度和顶盖振动进行分析，频谱如图9 所示。

由图9 可以看出：机组抽水停机吸入有功降至89.11 MW 与电网解列瞬间，水导摆度和顶盖振动的主频均为低频，此时活动导叶已关至较小开度，然后快速关闭，相当于形成小的水锤效应，产生低频的振荡波。

图9 水导摆度和顶盖振动频谱图

表2 显示了4 个暂态工况冲击最大瞬间的水导摆度和顶盖振动峰峰值。

表2 水导摆度和顶盖振动峰峰值

由表2 可以看出：4 个暂态工况下，水导摆度峰峰值均处于较高水平，抽水开机和抽水停机暂态工况下的顶盖振动比较剧烈，发电开机和发电停机暂态工况下相对较好。

4 结论

本文以白山抽水蓄能电站6 号机组为研究对象，对发电开机、发电停机、抽水开机、抽水停机暂态工况下的机组振动特性进行了研究，主要结论如下：

（1）机组发电并网瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为低频和3 倍叶片过流频率，低频为水流振荡波所造成，3 倍叶片过流频率为典型的动静干涉频率（7 叶片数与20 活动导叶数匹配的结果）；

（2）机组发电停机有功降至34.07 MW 与电网解列瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为低频和3 倍叶片过流频率；

（3）机组抽水开机排气充水结束快速开导叶吸入有功瞬间，水导摆度主频为转频，顶盖振动的优势频率为转频、低频以及3 倍叶片过流频率；

（4）机组抽水停机吸入有功降至89.11 MW 与电网解列瞬间，水导摆度和顶盖振动的主频均为低频，此时活动导叶已关至较小开度，然后快速关闭，导致水锤效应，产生低频的振荡波；

（5） 4 个暂态工况下的水导摆度峰峰值均处于较高水平，抽水开机和抽水停机暂态工况下的顶盖振动比较剧烈，发电开机和发电停机暂态工况下相对较好。