瞬态压力分析原型水泵水轮机：实测与模拟外文翻译资料

瞬态压力分析原型水泵水轮机：实测与模拟

摘要：原型泵水轮机的瞬态特性对于抽水蓄能电站的安全运行非常重要。这是因为瞬态事件中的水锤压力会影响螺旋壳体（SC）和引流管（DT）中的压力波动。此外，无叶片空间（VL）中的瞬态压力脉动对于评估转轮的寿命很重要。尽管已经对水力发电厂的水锤压力进行了一些详细的研究，但很少有人考虑在泵涡轮中出现的瞬态压力脉动。本研究的目的是确定300兆瓦原型弗朗西斯水泵水轮机在甩负荷和停电期间的瞬态压力脉动特征。为此，首先使用快速傅立叶变换分析稳态下的频率特征。然后使用Savitzky-Golay滤波器从采集的原始压力信号中提取水锤压力和脉动压力。此外，建立了水轮机的一维（1D）特征方法（MOC）数学模型，并将其用于模拟瞬态事件期间流量排放的瞬态变化，以将瞬态运行条件划分为多个域。最后，在时域和频域研究了SC，无叶空间和DT中瞬态压力脉动的特征。本文还讨论了在水泵水轮机的不同运行模式下发生压力脉动的原因。

1介绍

抽水蓄能站被广泛用于存储电能，用于电网的峰值调节和频率控制。它们也可用于增强可再生和间歇性能源，例如风能和太阳能。水轮机是抽水蓄能电站最重要的组成部分，它决定了该机组的特性。泵式水轮机和常规的弗朗西斯水轮机之间有几个明显的不同。首先，泵涡轮在涡轮制动模式（TBM）和反向旋转泵模式（PM）下的特性曲线为S形，这会导致失控失稳[1]，当连续的负载下降时，水锤压力极高。用于抽水蓄能站[2]，以及逆水锤现象[3]。曲线的S形最初是根据泵涡轮的几何参数确定的，例如入口叶片轮廓[4]和子午通道[5]。其次，在水轮机特性曲线的S形区域中，转轮内部的流动特性很复杂，这会引起压力脉动和振动。 douml;rfler [6]系统地讨论了水力机械中由水流引起的水力脉动的特征。但是，这里仅简要介绍两种类型的典型脉动，即转子-定子相互作用（RSI）和旋转失速。 RSI是由涡轮机叶片和导向叶片的相互作用引起的周期性脉动，导致在转轮中产生显着的机械应力[7]。在高扬程水泵水轮机中，转子和定子之间的距离很小，这会引起强烈的RSI，从而可能使转轮破裂[8,9]。此外，据报道RSI波沿上游方向传播[10]，并且数学理论可用于确定波频率[11,12]。 Tanaka [13]指出，RSI的强度不仅受流道设计的影响，还受运行参数（如转速和净水头）的影响。从流动力学的角度来看，RSI可以通过弱流和势流的叠加来确定[14]。 Ciocan和Kueny [15]使用激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪，对RSI引起的速度分布进行了实验研究。

当水泵水轮机以水轮机制动模式运行时，转轮通道中可能会发生旋转失速，从而导致通过水泵水轮机的能量耗散，以及无叶片空间（VL）和螺旋壳体（SC）中的压力脉动[16] 。通过气泡注入和流动可视化，由哈斯玛图奇等人完成。 [17]通过实验证实了涡轮制动模式下旋转失速的存在，由威德默等人完成。 [18]还观察到在涡轮制动模式下，大的导叶开口（GVO）中容易发生旋转失速，并且由此产生的压力升高是S形特征曲线的原因。为了检测旋转失速细胞的发生，由博特罗等人完成。 [19]提出了一种非侵入式方法，该方法利用安装在凸出式导向叶片轴上的加速度计。此外，卡瓦齐尼等人分析了甩负荷时的流动不稳定性及其对S形特征曲线的影响。 [20]。 根特纳等人还研究了旋转失速的不稳定性与S形特征曲线之间的关系 [21]，由夏等人 [22]，和雅克等人 [23]，和古根伯格等人完成， [24]并由左等人审查 [25]。尽管如此，该主题仍需要进一步研究。

在水力发电厂的使用寿命期间，不可避免会出现瞬态情况，例如启动，关闭，负载接受，负载拒绝和紧急关闭。在这种情况下，在涡轮机转轮中产生的机械应力明显高于稳态[26]。为了分析不稳定压力脉动，特里维迪等人 [27]使用传统的弗朗西斯涡轮机的试验台进行了瞬态事件实验，而阿米里等人 [28]对卡普兰涡轮进行了类似的研究。然而，关于泵涡轮的瞬态压力脉动的研究很少。使用小波变换，博朗和卢彻涅特 [29]通过实验分析了在抽水和发电模式之间的快速转换过程中，导流叶片和引流管（DT）中的压力脉动。已经发现，压力脉动的强度倾向于随着过渡速度的增加而降低。其他研究人员对水轮机瞬态事件中的流量特性和压力变化进行了三维数值研究，例如甩负荷[30]，失控[31]和泵模式下的快速关闭[32]。但是，尚未对数值模拟结果与原型泵涡轮机的实验测量结果进行比较。由于高成本和高时间要求，对泵涡轮的瞬态压力脉动进行现场研究非常具有挑战性。 雷兹吉和里亚西 [33]最近将在原型水轮机上进行的现场测试结果与使用特征（MOC）的一维（1D）方法进行的数值模拟进行了比较，但并未强调压力脉动。

本研究的目的是确定两种瞬态情况下的原型泵水轮机的压力特性，即甩负荷和停电。 频谱分析应用于螺旋壳体，无叶片空间和引流管中的稳态压力信号。 在瞬态事件中获得的压力信号被分为水锤压力和脉动压力，并且将前者与使用本作者研究小组开发的一维瞬态流量软件进行的数值模拟结果进行比较。 然后将经过验证的仿真结果用于域划分，以确定时域和频域中瞬态压力脉动的特征。

2案例信息

本研究中研究的原型弗朗西斯泵水轮机安装在中国湖南，总发电量为300MW。 表1列出了其详细参数。现场测试期间的采样率为1000 Hz。 但是，由于实验的局限性，未测量出流量。 因此，进行了一维MOC模拟以计算不稳定流量并在瞬态测试中区分操作模式，以进一步分析测量数据。 另外，由于这是与抽水电站的联合研究，由于保密性，未向作者提供校准数据。 因此，作者未能计算实验不确定性。

图1绘制了高GVO时水轮机的特性曲线。可以观察到nED-QED曲线具有突出的S形，这与操作的不稳定性[1]和动态水锤压力和脉动压力[34]密切相关。图2绘制了抽水蓄能计划的示意图。上游水闸轴由泵水轮机的两个单元共享，而每个水轮机在引流管的下游都有一个单独的水闸轴。如图3所示，通过安装在SC，VL和DT中的压力传感器获取压力时间信号。在运行期间，P2的球阀保持关闭状态。本文研究的运行条件包括涡轮模式下的负载抑制（OP1）和泵模式下的电源故障（OP2）。在出现瞬态条件之前，水轮机在标称条件下运行。表2列出了涡轮模式（TM）和泵模式下的稳态参数，包括输出/输入，净压头，导叶开启度和转速。

3稳态分析

目前的弗朗西斯泵水轮机原型研究是根据IEC 60193标准进行的[35]。 所获取的压力时间信号与公式（1）一起使用以获得平均压力。 然后从原始数据中提取脉动压力，并使用以下公式进行归一化：

其中〜p是传感器获取的压力，N是样本总数，E是比液压能。

快速傅立叶变换用于稳态频谱分析，而短时傅立叶变换（STFT）用于分析瞬态事件中压力传感器获取的脉动压力的频率分量。选择重叠率达97％的汉明窗作为窗函数。窗口的时间和频率分辨率分别为0.024 s和0.977 Hz。

在图1和图2中示出了稳态下OP1和OP2在时域和频域中的归一化脉动压力，分别为4和5（采样时间=2s）。可以观察到，在两种情况下，无叶片空间中的周期性压力波动分别具有9fn和18fn的叶片通过频率（BPF）。 但是，在螺旋情况下的主导频率为18fn，几乎没有检测到9fn。 这可以通过RSI引起的径向振动模式来解释。 使用Zb=9，Zg=20和k=a* Zb -b * Zg，我们有k=2代表a=2和b=1。根据径向模式理论[6,13,14]，在螺旋情况下的激励频率为2 * 9fn。观察到OP1和OP2的引流管中压力脉动的幅度非常低，这是因为机器在设计条件下运行。

4瞬态分析

4.1水锤压力：实际测试

Savitzky-Golay（SG）滤波器用于将原始信号分解为水锤压力和脉动压力。SG滤波器是一种低通滤波器，它对原始数据执行多项式拟合运算，并使用最小二乘法提取定时平均压力[36]。它已被用来确定传统弗朗西斯涡轮机[27]和卡普兰涡轮机[28]的瞬态情况下的时间平均压力。在本研究中，我们应用了三阶S–G函数和0.5 s的拟合时间步长。使用以下公式通过表2中的参考值将确定的脉动压力和流量参数归一化：

图6显示了OP1和OP2的归一化导叶关闭方案。为了控制螺旋形壳体和引流管中的压力波动，OP1的GVO由几个阶段组成。但是，OP2的GVO却大不相同。导流叶片在12 s内用单相GVO快速关闭。由S–G过滤器在螺旋箱，无叶片空间以及OP1和OP2的引流管中确定的归一化测量压力和时间平均压力如图7所示。在瞬态下的测量压力可以看作是 时间平均压力和脉动压力的叠加。因此，在4.2–4.4s内，将时间平均压力与模拟水锤压力进行比较，并将脉动压力与STFT一起用于时频分析。

4.2水锤压力：实际测试

在现场实验中未测量到瞬态流量。因此，为了绘制工作点的动态轨迹，采用了一维瞬态仿真。 在模拟抽水蓄能电站的甩负荷过渡过程时，应考虑管道和涡轮机的两个主要组件。在这项研究中，使用了作者研究小组开发的仿真模型TOPSYS [37]。 本节简要介绍了管道和涡轮机模型以及求解原理。

MOC用于沿特性线将管道的连续性和动量方程式转换为以下两组特性方程式[38]：

其中Qp和Hp分别代表计算出的流量和压力。 QCP，CQP，QCM和CQM是沿正特性线和负特性线的系数。

将特征空间表面的表达式应用于泵涡轮边界。此外，将三个单位参数投影到矩形正交网格上，以消除S形区域中插值的多值现象[39]。通过将其结果与实际实验相比较，已证明该模型非常准确[34]。

如图8和表3所示，将TOPSYS模拟的转速，螺旋壳体压力和引流管压力与分解后的现场数据进行了比较。发现在甩负荷和功率期间转速的瞬时变化一维MOC可以精确模拟故障，而压力变化中存在一些偏差。

图9显示了通过TOPSYS仿真获得的瞬态事件的nED-QED轨迹。对于OP1，泵涡轮最初在TM中运行。甩负荷后，它迅速达到失控转速，然后变为TBM和反转泵模式（RRPM）。在时间t值为6.19、15.71和21.44 s时达到了失控速度。在t=8.69、14.10、22.61和28.18 s时，水轮机以零排放运行。

对于OP2，停电前水轮机在PM中运行。随着快速导流叶片关闭方案的应用，通过涡轮的流量在t=5.04 s降至零。随后，它以泵制动模式（PBM）运行并逐渐减速。OP1和OP2的瞬态轨迹用于域分离，以便能够分析时域和频域中的脉动压力。

4.3脉动压力：时域

图10（a）显示了甩负荷后SC中无量纲的压力脉动。 如图所示，压力脉动的振幅pE最初为0.01，直到t = 2.4 s才发生明显变化。 在2.4到4.1 s之间，它线性增加，此后开始以低频振荡。 最大振幅为0.149，出现在涡轮机制动区域，在该区域观察到几个极高的峰值。 当水轮机在RRPM中运行时，压力脉动的强度急剧下降。 在8.69到12.5 s之间，压力脉动以0.06的幅度振荡，然后下降到0.03。 从14.1 s开始，振幅小于0.02，并且不再显着变化。

图10（b）显示了VL中的不稳定脉动压力。 从图中可以看出，压力脉动的振幅pE随着泵涡轮转速的增加而连续增加。 当水轮机在明显超出设计的工况下运行时，在t=5.25 s时出现最大值0.2275。 该大幅度保持2 s，此后随着放电减少而减小。 在t取8.69到14.1 s之间，泵轮机以RRPM运行。 从图10（b）可以看出，在该域中归一化压力脉动的强度低于0.06，这显着小于涡轮机制动模式下的强度。 在14.1秒后，工作域在TBM，TM和RRPM之间变化。 在减小导叶开口期间，无因次脉动压力的幅度没有明显变化。

图10（c）显示了在甩负荷期间DT中压力脉动的瞬态变化。 从图中可以看出，总体而言，DT中的脉动压力强度远低于SC和VL中的脉动压力强度。 压力脉动的振幅pE，直到t=2.8 s为止为0.01，此后它开始以大约2 Hz的低频振荡。 0.045的最大振幅出现在5.37 s处。 在RRPM中，幅度下降到0.01以下。 但是在11.5 s后，随着流量的减少，压力脉动的强度变强。 这表示与图1和图2的趋势明显不同于图10（a）和10（b）。

图11显示了停止供电后，位于SC，VL和DT中的传感器提取的压力脉动。在这种情况下，水泵涡轮逐渐减速，导向叶片在12 s内完全关闭。在3 s之前，所有三个位置的无量纲压力脉动的幅度几乎不变。 SC，VL和DT中的归一化压力脉动分别为0.005、0.01和0.005。在3到5.04 s之间，脉动压力的幅度会随着通过泵涡轮的流量减少到零而增加。从5.04 s开始，放电方向反向，导致泵涡轮在制动模式下运行。观察到，SC和VL中无量纲压力脉动的强度在7.5 s时最强，pE值分别为0.09和0.13。 DT中归一化脉动压力的最大振幅为0.048，出现在6.92 s处。随后，由于导向叶片开口的减小，脉动压力的幅度减小。

4.4脉动压力：频域

将归一化的压力脉动与STFT一起使用，以研究脉动压力的频率和幅度的瞬态变化。 所获得频谱图的时间分辨率和频率分辨率分别为0.024 s和0.9766 Hz。 在甩负荷期间，由安装在SC，VL和DT中的传感器获取的压力数据的频谱图显示在图12和14中。

如图12所示，甩负荷前SC频谱图中的主频为90 Hz，等于18fn的BPF。甩负荷后，BPF随着转速的增加而增加，振幅也逐渐增大。在t = 4 s时，小振幅随机频率开始占据频谱图的较宽范围；这与振动和噪音有关。在这种情况下，水泵水轮机在部分负载域内深处运行，在此部分，流道内部的流动变得混乱。当达到失控速度时，加速度一直持续到6.19 s，此后，操作假定为涡轮制动模式，相对GVO较大，接近0.7。在7到8 s之间，旋转频率从6.79 Hz降低到6.68 Hz。在此期间，频谱图中出现了3.906 Hz的振幅较大的频率。对应于极大振幅的归一化频率在0.575至0.585之间。考虑到水泵水轮机（

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239867]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word