一種水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損故障的檢驗方法

高洪軍， 韓伶俐

(1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設備國家重點實驗室 (哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150040；3.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100000)

0 前言

隨著太陽能、風能等清潔能源的迅猛發(fā)展，對電網(wǎng)靈活調節(jié)能力的需求越來越高。而用電負荷的峰谷差也要求電網(wǎng)應該具備雙向迅速的負荷調節(jié)能力[1-2]。抽水蓄能機組是現(xiàn)代抽水蓄能電站中廣泛使用的一種能量轉換裝置，具有調峰填谷、調頻、調相和黑啟動等多種功能，既可以在電網(wǎng)需要負荷時作為發(fā)電單元迅速執(zhí)行發(fā)電任務，又可以在電網(wǎng)負荷過剩時作為耗能單元快速扮演負載的角色[3-4]，滿足了電網(wǎng)對負荷快速調節(jié)的需要。在今后一段時間內抽水蓄能電站呈現(xiàn)出多點、大容量和持續(xù)建設的特點[5]，預計到2025年，抽水蓄能電站投產(chǎn)總規(guī)模6.2×107kW以上；到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2×108kW左右；到2035年，形成滿足新能源高比例、大規(guī)模發(fā)展需求的技術先進、管理優(yōu)質、國際競爭力強的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)[6]。

隨著新能源電源在電網(wǎng)中占比的提升以及電網(wǎng)負荷峰谷差的進一步增大，抽水蓄能機組的運行模式也隨之發(fā)生了變化，日抽水、發(fā)電次數(shù)更是由原來的“一抽兩發(fā)”變?yōu)榱?“兩抽兩發(fā)或三發(fā)”，機組啟動次數(shù)和工況轉換次數(shù)逐年增多。據(jù)報道，某蓄能機組一天之內的啟停次數(shù)多達數(shù)十次以上[7]。水泵水輪機作為抽水蓄能機組的水能與機械能之間的能量轉換裝置，在實際運行和工況轉換過程中會經(jīng)歷水泵工況和水輪機工況兩個運行工況以及水泵制動工況、水輪機制動工況和反水泵工況三個過渡工況，在頻繁的啟停機和工況轉換過程中，轉輪的動態(tài)應力已經(jīng)達到很高的程度(特別是葉片與上冠交接處以及葉片與下環(huán)交接處)。長期的高動應力狀態(tài)累積會使水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生疲勞破壞的概率大大增加。

水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生上述破損故障后，特別是破損故障嚴重到一定程度后，會使機組總體的穩(wěn)定性下降，甚至導致更嚴重事故的發(fā)生[8-12]。因此，業(yè)內一直在探索能夠在水泵水輪機運行過程中判定轉輪葉片是否發(fā)生嚴重破損故障的方法。利用現(xiàn)代有限元計算方法[13]，可以從理論上計算出轉輪葉片上動應力的分布情況，但無法針對轉輪葉片實際的運行狀態(tài)給出具有針對性的精準評估。從轉輪葉片嚴重破損故障的發(fā)生機理出發(fā)，多座電站進行過轉輪葉片動態(tài)應力的測量，通過對轉輪葉片上理論高動應力區(qū)域的實時測量，確定轉輪葉片的應力狀態(tài)并據(jù)此判斷轉輪葉片是否存在故障。由于技術水平和工作狀態(tài)的限制，粘貼在轉輪葉片上的應變片在機組運行狀態(tài)下僅能正常工作很短的時間，上述采用測量轉輪葉片應力判定轉輪健康狀態(tài)的方法無法作為常規(guī)的檢測手段。從轉輪葉片發(fā)生裂紋故障后的物理現(xiàn)象出發(fā)，業(yè)內還嘗試過利用聲發(fā)射等聲學方法實時檢測轉輪葉片嚴重破損故障，但是由于沒有能夠開發(fā)出一種在水輪機轉輪運行狀態(tài)的高噪聲背景下提取轉輪葉片裂紋發(fā)出的極微弱聲音信號的有效方法，且采集信號與轉輪葉片破損現(xiàn)象間沒有建立起禁得起推敲的對應關系，該方法未見進一步的應用報告。

由此可見，開發(fā)一種能夠在機組運行狀態(tài)下準確判定水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損故障的方法從而保證抽水蓄能機組的安全運行就顯得非常必要了。

1 解決問題的思路

如前文所述，目前的技術發(fā)展水平不具備采用直接測量的方法確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損的可能，但抽水蓄能電站機組在整個電網(wǎng)中的關鍵作用又要求對水泵水輪機轉輪葉片的嚴重破損情況能夠快速準確地做出判斷。水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后會導致機組相應的外部特征發(fā)生變化，通過比較變化前后的數(shù)據(jù)來判斷上述故障，本文稱之為外特性法，此方法是評價水泵水輪機轉輪葉片嚴重故障的首選方法。

對于水泵水輪機而言，正常工作情況下，機組的轉速是恒定的，上下游水位和水泵水輪機接力器行程(對應水泵水輪機的導葉開度)也可以被準確地獲得，則在此前提下，通過在抽水蓄能機組上安裝的功率、水頭和流量傳感器就可以獲得機組在發(fā)電和抽水工況下的出力/入力、水頭/揚程以及水輪機和水泵工況的流量。據(jù)此，還可以計算出該工況下水輪機和水泵工況下的效率。通過將上述外部特征量與理論值以及前期正常運行情況下的歷史數(shù)據(jù)進行對比，就可通過總體數(shù)據(jù)的偏移趨勢，確定水泵水輪機轉輪葉片是否存在嚴重破損的情況。

本章將從抽水蓄能機組發(fā)電和抽水兩種工作狀態(tài)下水泵水輪機的水頭/揚程、流量、出力/入力以及據(jù)此計算出的水力效率的形成機制和基本方程入手，分析水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損后對上述外部特征值產(chǎn)生的影響。

1.1 水泵水輪機基本方程

如圖1所示，根據(jù)水泵水輪機轉輪進出口速度三角形，考慮水流流經(jīng)水力機械所產(chǎn)生并作用在恒速旋轉葉片上的力矩等于動量矩的總變化量，可以得到水泵水輪機的基本方程[14-15]。

圖1 水泵水輪機轉輪進出口速度三角形

1.1.1 水輪機工況基本方程

水輪機工況(發(fā)電工況)的基本方程為:

則水泵水輪機發(fā)電工況的基本方程可表示為:

1.1.2 水泵工況基本方程

水泵工況 (抽水工況)的基本方程為:

則水泵水輪機抽水工況的基本方程可表示為:

水泵水輪機不論是在發(fā)電工況還是抽水工況下穩(wěn)定運行時，上下游水位和導葉開度均為確定值，且機組轉速與轉輪高低壓側過流面積也都為定值，則由式(2)和式(4)可以發(fā)現(xiàn)，工作水頭HT(揚程HP)、流量QT(QP)、葉片入流角 β1T(β1P)、葉片出流角β2T(β1P)和水泵水輪機效率ηT(ηP)就成為影響水泵水輪機基本方程主要因素了。在上述影響因素中，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損故障，葉片形狀就會隨之發(fā)生變化，就會導致葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)發(fā)生變化，具體而言，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，發(fā)電工況下葉片入流角β1T會呈現(xiàn)增大的趨勢，而葉片出流角β2T會呈現(xiàn)減小的趨勢；抽水工況下則正相反，葉片入流角β1P會呈現(xiàn)減小的趨勢，而葉片出流角β2P會呈現(xiàn)增大的趨勢。

葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)發(fā)生變化會導致流經(jīng)轉輪水流的流動狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響到其相應的外部特征量。葉片入流角β1T(β1P)和葉片出流角β2T(β2P)的變化對外部特征量的影響程度是不同的，與處于同一影響程度的葉片入流角β1T(β1P)的正切值和葉片出流角 β2T(β1P)的正切值相比較，揚程HP和流量QT(QP)的影響程度要高，且揚程HP要比流量QT(QP)的影響程度高，而水泵水輪機效率ηT(ηP)的影響程度則要低得多。

1.2 發(fā)電工況下轉輪葉片嚴重破損對特征參數(shù)的影響

本節(jié)將從發(fā)電工況下水泵水輪機基本方程(2)入手，分析抽水蓄能機組發(fā)電工作狀態(tài)下水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損后對水泵水輪機的水頭、流量、出力以及據(jù)此計算出的水力效率的影響。

1.2.1 對工作水頭的影響

工作水頭作為水泵水輪機發(fā)電工況進出口斷面的能量差，只與上下游水位及引水系統(tǒng)的阻力有關，而與能量轉換設備水泵水輪機的狀態(tài)無關，因此，水泵水輪機轉輪葉片的破損不會對水泵水輪機的工作水頭造成影響。

1.2.2 對水泵水輪機流量的影響

水泵水輪機在發(fā)電工況下流量遵從如下規(guī)律:

水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，會導致轉輪葉片空間形狀發(fā)生變化，具體到葉片角度，則表現(xiàn)為水輪機工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小。按照公式(5)及葉片角度變化對外部特征量的影響程度，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，其流量QT將呈現(xiàn)出增加的趨勢。

1.2.3 對機組出力的影響

抽水蓄能機組發(fā)電工況下的出力受下列因素影響:

式中，PT為抽水蓄能機組發(fā)電工況下的出力，W；ηGT為發(fā)電工況下發(fā)電電動機的效率。

綜合考慮水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后導致的水輪機工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小對流量QT的影響程度，按照公式(6)，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，抽水蓄能機組出力PT將呈現(xiàn)出減小的趨勢。

1.2.4 對水泵水輪機效率的影響

綜合考慮水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后導致的水輪機工況入流角β1T增大和/或出流角β2T減小對流量QT的影響程度，按照公式(7)，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，水泵水輪機效率ηP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。

1.3 抽水工況下轉輪葉片嚴重破損對特征參數(shù)的影響

本節(jié)將從抽水工況下水泵水輪機基本方程(4)入手，分析抽水蓄能機組抽水工作狀態(tài)下水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損后對水泵水輪機的揚程、流量、入力以及據(jù)此計算出的水力效率的影響。

1.3.1 對水泵揚程的影響

水泵水輪機抽水工況下的揚程受下列因素影響:

水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，會導致轉輪葉片空間形狀發(fā)生變化，具體到葉片角度，則表現(xiàn)為水泵工況葉片入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大。按照公式(8)及葉片角度變化對外部特征量的影響程度，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，其揚程HP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。

1.3.2 對水泵水輪機流量的影響

水泵水輪機在抽水工況下流量遵從如下規(guī)律:

綜合考慮水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后導致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由此導致的各外部特征量的變化程度，按照公式(9)，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，抽水工況下水泵水輪機流量QP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。

1.3.3 對機組入力的影響

抽水蓄能機組抽水工況下的入力受下列因素影響:

式中，PP為抽水蓄能機組抽水工況下的入力，W；ηGP為抽水工況下發(fā)電電動機的效率。

綜合考慮水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后導致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由其導致的各外部特征量的變化程度，按照公式(10)，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，抽水工況下水泵水輪機入力PP將呈現(xiàn)出增大的趨勢。

1.3.4 對水泵水輪機效率的影響

抽水蓄能機組抽水工況下的效率受下列因素影響:

綜合考慮水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后導致的水泵工況入流角β1P減小和/或葉片出流角β2P增大以及由其導致的各外部特征量的變化程度，按照公式(11)，可以確定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損后，抽水工況下水泵水輪機效率ηP將呈現(xiàn)出減小的趨勢。

2 水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損判定準則

抽水蓄能機組在某一工況下穩(wěn)定運行，則意味著此時的上下游水位以及抽水蓄能機組的出力/入力、水泵水輪機的水頭/揚程、接力器行程、流量和效率是確定的。根據(jù)上述討論可知，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損故障，必然會導致相應的外部特征量發(fā)生變化。以對應的外部特征量的變化情況為依據(jù)，就可以判定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損故障發(fā)生與否。

2.1 水頭/揚程判據(jù)

對于抽水蓄能機組而言，運行過程中水泵水輪機的水頭隨上下游水位差變化的理論關系曲線和揚程隨上下游水位差變化的理論關系曲線是確定的。根據(jù)工況的上下游水位差值，即可確定該工況下水泵水輪機的理論水頭和理論揚程。同時，通過水泵水輪機的水頭/揚程測量設備，就可以分別實時測量出對應工況下水泵水輪機的實際水頭和揚程。水泵水輪機正常運行時，水泵水輪機的理論水頭和理論揚程值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際水頭和實際揚程值相當。一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，根據(jù)上一章的討論，水頭和揚程的變化是不同的:對于發(fā)電工況而言，水頭所代表的水體所蘊含的能量等級是不變的，所以無論水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損與否，水頭是不會發(fā)生明顯變化的，即水泵水輪機的實際測量所獲得的實際水頭值應該與理論水頭相當；對于抽水工況而言，水泵水輪機的揚程就是水泵水輪機能量轉換能力的直接反映，水泵水輪機的能量轉換能力越強，揚程就越高，反之，揚程就會降低。根據(jù)上一章的討論，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低。反映在水泵水輪機的揚程上就是實際揚程要比理論揚程低出很多。此時水泵水輪機的實際揚程一定是小于理論揚程，且水泵水輪機的理論揚程與實際揚程之間一定會出現(xiàn)足夠大的揚程差值。據(jù)此，可以分別建立判斷水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重故障的水頭/揚程判據(jù)如下:

水頭判據(jù)如式(12)所示:

揚程判據(jù)如式(13)所示:

2.2 流量判據(jù)

對于抽水蓄能機組而言，無論是發(fā)電工況還是抽水工況，在某一工況下穩(wěn)定運行時，水泵水輪機的流量都是確定的。運行過程中水泵水輪機的水頭隨上下游水位差變化的理論關系曲線和揚程隨上下游水位差變化的理論關系曲線都是確定的。同時，通過水泵水輪機的流量測量設備，就可以實時測量出水泵水輪機的實際流量。對于發(fā)電工況而言，水泵水輪機正常運行時，水泵水輪機的理論發(fā)電流量值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際發(fā)電流量值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機能量轉換的能力會隨之大幅度降低，水泵水輪機在該工況下的實際發(fā)電流量要比理論發(fā)電流量大出很多；對于抽水工況而言，水泵水輪機正常運行時，水泵水輪機的理論抽水流量值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際抽水流量值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低，水泵水輪機在該工況下的實際抽水流量要比理論抽水流量下降很多。據(jù)此，可以建立判斷水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重故障的流量判據(jù)如式(14)所示:

2.3 出力/入力判據(jù)

對于抽水蓄能機組而言，不論是發(fā)電工況還是抽水工況，在某一工況下穩(wěn)定運行時，機組的出力/入力都是確定的。對于發(fā)電工況而言，抽水蓄能機組正常運行時，其理論出力值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的抽水蓄能機組的實際出力值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低，也就意味著抽水蓄能機組將水能轉換成電能的能力大幅下降，表現(xiàn)為抽水蓄能機組的出力要較未發(fā)生轉輪葉片嚴重破損時的出力要明顯減??；對于抽水工況而言，抽水蓄能機組正常運行時，其理論入力值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際入力值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，抽水蓄能機組將電能轉換成水能的能力大幅下降，抽水蓄能機組的入力較未發(fā)生轉輪葉片嚴重破損時的入力要明顯增大。據(jù)此，可以建立判斷水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重故障的出力/入力判據(jù)如下:

2.4 效率判據(jù)

對于抽水蓄能機組而言，不論是發(fā)電工況還是抽水工況，在某一工況下穩(wěn)定運行時，水泵水輪機的效率都是確定的。對于發(fā)電工況而言，抽水蓄能機組正常運行時，水泵水輪機工況的理論效率值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際效率值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低，反映在水輪機工況的效率上就是水輪機工況的實際效率要比理論效率下降很多；對于抽水工況而言，水泵水輪機正常運行時，水泵工況的理論效率值應該與機組運行過程中實時測量所獲得的實際效率值相當，一旦水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損，水泵水輪機水泵工況進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低，反映在水泵的效率上就是水泵的實際效率要比理論效率下降很多。據(jù)此，可以建立判斷水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重故障的效率判據(jù)如下:

式中，ζ5為基于效率變化水泵水輪機轉輪嚴重破損判定系數(shù)；Δη為對應運行工況下按水泵水輪機效率隨抽水蓄能機組出力/入力變化的理論關系曲線確定的水泵水輪機理論效率與實測效率之差，對于發(fā)電工況， Δη＝ηtP-ηT，對于抽水工況， Δη＝ηtP-ηP；ηtP為對應運行工況下按水泵水輪機效率隨抽水蓄能機組出力/入力變化的理論關系曲線確定的水泵水輪機理論效率；C5為常數(shù)，一般C5＝0.005。

3 判定準則

式(12)～(16)歸納了基于水頭/揚程、流量、出力/入力和水泵水輪機效率等外特性的的抽水蓄能機組水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損判定系數(shù)，而判定故障的發(fā)生則需要滿足表1所列出的所有條件。

表1 抽水蓄能機組水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損時外特性的變化

表1中的判定準則可以用式(17)的數(shù)學表達來表示:

4 結論

本文提出了利用抽水蓄能機組相應外特性的變化趨勢來判定水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損故障的方法。根據(jù)現(xiàn)場測得的抽水蓄能機組出力/入力、水頭/揚程和流量等信息和水的密度、重力加速度等常數(shù)，以及前期試驗或計算獲得的水泵水輪機效率隨抽水蓄能機組出力/入力變化的理論關系曲線、抽水蓄能機組出力/入力隨水泵水輪機流量變化的理論關系曲線、水泵水輪機流量隨抽水蓄能機組出力/入力變化的理論關系曲線、水泵水輪機流量隨水泵水輪機接力器行程變化的理論關系曲線、水泵水輪機水頭/揚程隨上下游水位差變化的理論關系曲線和對應運行工況下發(fā)電電動機的效率等數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)當水泵水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重破損時水泵水輪機進行能量轉換的能力會隨之大幅度降低這一現(xiàn)象，在外特性上選取水泵水輪機出力/入力、流量、水頭/揚程和水泵水輪機的效率作為評價對象，與該工況下的相應理論值進行比較并以對應不同特征量的多組水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損判定系數(shù)的方式計算上述特征量理論值與實際測量值的差異，最終根據(jù)本文提出的水泵水輪機轉輪嚴重破損判定準則判斷水泵水輪機轉輪葉片是否發(fā)生了嚴重破損。該方法不僅對于保證水泵水輪機機組的安全穩(wěn)定運行和及時發(fā)現(xiàn)水泵水輪機轉輪葉片上嚴重破損的發(fā)生、避免產(chǎn)生更嚴重的連帶事故具有重大的意義，還為利用抽水蓄能機組外特性評價機組部件/部套的健康狀態(tài)進行了有益的嘗試。