特别策划——基于转子动力学的水轮发电机组运行稳定性研究

• 导轴承对轴流式机组临界转速的影响分析

  肖惠民;

  导轴承是立式水轮发电机组的重要支撑部件，对机组轴系的转子动力学特性有很大的影响。导轴承数量（机组型式）不同，轴系的临界转速将不同，若临界转速与机组转速相接近，轴系可能出现共振。以一大型立式轴流式机组为研究对象，基于轴系运动方程和流体润滑Reynolds方程，分析了不同导轴承数量时机组轴系临界转速。计算结果表明，半伞式机组由于缺乏下导轴承约束，大轴摆度偏大；增加下导轴承后大幅提高了轴系的临界转速；临界转速还随着导轴承数量的增加而增大。

  2023年05期 v.9;No.51 1-4页 [查看摘要][在线阅读][下载 2134K]
  

• 基于ICEEMDAN-SE-TFPF的水电机组振动信号降噪方法

  李中梁;曹超凡;蒋双云;于庆;王萌竹;卢娜;

  针对水电机组振动信号中的背景噪声过大影响信号质量，进而降低故障识别准确率的问题，提出了一种基于改进自适应噪声完备集成经验模态分解（Improved Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,ICEEMDAN）、样本熵（Samp En,SE）及时频峰值滤波（Time-Frequency Peak Filtering,TFPF）重构的水电机组振动信号降噪方法。首先采用ICEEMDAN对水电机组振动信号进行分解得到若干本征模态分量（Intrinsic Mode Functions,IMFs）；然后利用SE筛选主要IMF分量，并采用TFPF方法进行信号滤波重构，降低信号噪声；最后将重构后的信号输入支持向量机（Support Vector Machine,SVM）进行故障诊断，验证降噪方法的有效性；利用某电站3号机组数据进行实验，结果表明本文方法能够有效降低噪声对真实信号的影响，准确识别不同故障类型，提高诊断精度，具有一定应用价值。

  2023年05期 v.9;No.51 5-10+16页 [查看摘要][在线阅读][下载 3071K]
  

• 耦合故障下水电机组非线性振动特性分析

  闫懂林;党煜;周纳川;庄克云;

  为了研究水力不平衡对水电机组振动特性的影响，本文首先建立了高雷诺数下水力不平衡力及水力不平衡转矩的数学模型，并根据此模型建立了水轮机效率数学模型。然后，结合机械与电气不平衡因素以及水击模型、PID调速器模型、流量模型和发电机模型，建立了包含水轮机调节系统和水轮发电机组转子-轴承系统的水电机组耦合非线性数学模型。基于该模型，通过数值模拟，研究了不同工况下机组的振动响应特性，相关的结论可以为机组的安全可靠运行提供理论指导和应用参考。

  2023年05期 v.9;No.51 11-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 2745K]
  

• 基于FEEMD与CLSTM的水电机组趋势预测

  单亚辉;王浩;吴根平;耿伟智;张洪峰;

  为及时掌握水电机组的运行状态趋势，本文提出了一种基于快速集成经验模态分解（FEEMD）与卷积-长短记忆神经网络（CLSTM）的水电机组状态趋势预测方法。所提CLSTM预测模型在传统的LSTM单元中引入了卷积操作，可更好地捕捉本征模态分量中的局部特征，且该模型可同时处理时间和空间维度的数据，有效提升预测精度。最后，通过国内某水电机组下导摆度趋势预测实验，验证了该方法可准确预测水电机组的运行状态趋势。

  2023年05期 v.9;No.51 17-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 2177K]
  

• 60MW轴流式机组大轴法兰摆度偏大原因分析

  肖惠民;肖志怀;戴勇峰;

  振动、摆度值是反映机组运行稳定性的重要指标，机组大部分故障都能通过振动、摆度的幅值大小、变化趋势反映出来。为了分析某60MW立式轴流式机组联轴法兰处摆度偏大的原因，开展了顶转子、变转速、变励磁、变负荷等稳定性试验。通过试验数据和理论分析，初步查明了联轴法兰摆度偏大与不平衡质量、磁拉力、水力不平衡等因素相关，为机组后期的检修、技术改造奠定了基础。

  2023年05期 v.9;No.51 21-26+35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2473K]
  

特别策划——抽水蓄能机组安全稳定运行与控制研究

• 西北地区抽水蓄能电站稳定运行的设计措施

  段宏江;

  西北地区得天独厚的新能源大规模发展是助力“双碳”目标实现的主力军，新型电力系统中迫切需要建设抽水蓄能电站以提高电力系统调节能力，按照全国中长期抽水蓄能规划重点实施项目总装机规模4.21亿k W，其中西北地区近1亿k W，抽水蓄能电站将成为西北地区新能源高质量发展的重要支撑。可逆机组技术参数的选型设计对机组的安全稳定运行影响重大，本文从电站设计者的角度出发，对抽水蓄能电站的水头变幅与抽发比、额定水头与机组稳定性、比转速与转轮尺寸、叶栅选择与动静干涉、防沙措施与过机泥沙等问题进行剖析，希望对加快西北抽水蓄能电站高质量建设提供一定的帮助。

  2023年05期 v.9;No.51 27-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2372K]
  

• 抽水蓄能电站输水系统布置对机组特性的影响规律研究

  鄢劭恺;赵志高;桂中华;刘程鹏;陈飞;杨建东;

  为准确量化不同输水系统布置形式对机组安全稳定性的影响，本文基于实际工程数据，针对同一电站场景，通过对比首部式和中部式开发方式、一洞四机和两洞四机的洞机组合方式以及取消或设置上游调压室三种不同布置形式的大波动过渡过程动态响应参数，探究不同布置形式对机组特性的影响。结果表明：采用中部式、一洞四机以及取消上游调压室的布置形式时蜗壳进口压力分别增加2.25%、3.20%、4.49%；采用一洞四机和取消上游调压室的布置形式时尾水管进口压力分别减小1.43%、0.97%，而机组转速最大上升率分别增大2.76%、3.02%。同时，在设置尾水调压室的前提下，当引、尾水支管长度之比相近时，首部式和中部式布置方案的尾水管进口最小压力相近，这对优化抽水蓄能电站输水系统布置具有一定的参考意义。

  2023年05期 v.9;No.51 36-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 2587K]
  

• 基于振动特性曲线的抽水蓄能机组状态监测优化方法

  赵卫强;严单单;许贝贝;王正伟;

  为早日实现“双碳”目标，以风能和太阳能为代表的新型可再生能源近年来成为能源增长的主力军。为应对新型可再生能源带来的间歇性供电和用电端的需求波动，抽水蓄能正在发挥越来越重要的作用，同时水泵水轮机需要更多地在远离设计点的扩展运行范围内运行，这带来了更多的转轮疲劳破坏等故障现象。针对这种运行方式，建立有效的状态参数趋势分析非常重要。本文针对水泵水轮机的振动特点进行详细分析，提出了一系列表征机组振动特征的性能指标，进而提出类似混流式水轮机综合特性曲线的水泵水轮机机组振动特性曲线。通过对水泵水轮机机组振动特性曲线的趋势分析，可以更准确地评估指标及其趋势以及异常值的识别。本方法被用于某大型水泵水轮机的两年运行的监测。首先，针对机组振动特征，从振动监测数据提取相关特征参数，使用人工神经网络（ANN）对特征参数进行拟合，获得水泵水轮机机组振动特性等值线图。将水泵水轮机机组振动特性曲线同国际标准建议的警报和停机值进行对比，量化评估不同方法对机组状态监测的准确性。最后，针对不同状态监测指标的趋势分析，提出了水泵水轮机状态监测雷达图。结果表明使用动态状态监测指标代替常数值设置动作水平，受试者工作特征（ROC曲线）将得到改善，证明动态状态监测指标可以对水泵水轮机实现更好的诊断能力。

  2023年05期 v.9;No.51 47-52+60页 [查看摘要][在线阅读][下载 2517K]
  

• 兼顾可靠性与经济性的风光火蓄多能系统容量配置方法

  耿新民;许贝贝;

  风光火蓄多能互补可有效缓解区域新能源大规模集中开发带来的弃电风险，其中如何进行合理的容量配置以充分发挥多能系统的互补效果是研究的重点。项目投资方不会追求系统高可靠性而忽略投资成本，但同时也需确保电能质量符合规范要求。本文以青海省海西州某基地为例，综合考虑多能系统电源出力特性和负荷侧电力需求，提出一种兼顾可靠性与经济性的多能系统容量配置方法，以外送基地落地电价最低为目标，通过8760h生产模拟优化抽水蓄能电站充放电功率；进一步地构建风光火蓄多能互补容量配置评价指标体系，量化不同容量配置方案下的供电可靠性和互补程度。研究结果可用于指导多能互补项目容量配置。

  2023年05期 v.9;No.51 53-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 2505K]
  

水工及水力学

• 不同湍流模型在泵站进水管道的应用研究

  李晓超;李晓鹤;李君;谢敏萍;高忠信;周叶;潘涛;刘洪涛;

  为探究不同湍流模型在开敞式进水池泵站进水管道中的应用效果，基于Fluent平台，采用雷诺时均化模型中的两方程模型Realizable k-ε模型、RNG k-ε模型、标准k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型共计五种湍流模型对该泵站进行数值模拟，选取了4个不同特征截面，通过对其流线图、流速分布云图中所反映的流动趋势和速度分布变化等情况进行分析，以及对整体水流流动趋势、流场细节的观察，并结合各方案下水力损失、出口断面流速分布均匀度和速度加权平均角折线图，发现采用SST k-ω模型和RNG k-ε模型的方案，对流场流动细节捕捉能力更强，可用于复杂流动或对流场细节要求高的数值模拟中；Realizable k-ε模型和标准k-ω模型下的方案对流场细节的模拟能力较好，可用于对流场细节要求较高的数值模拟计算；标准k-ε模型模拟能力较差，部分流动细节捕捉效果较差，但对整体的流动趋势预测仍有较好的模拟结果，一般场合下可使用该湍流模型。

  2023年05期 v.9;No.51 61-67+81页 [查看摘要][在线阅读][下载 2619K]
  

• 小流量工况双吸离心泵能量损失及受力特性分析

  石保虎;刘金龙;李晨昊;张高正;王李科;

  为了深入分析小流量工况下双吸式离心泵的能量特性和运行稳定性，本文采用数值模拟的方法研究了不同流量下泵内的熵产损失分布和叶轮受力特性，并通过试验验证证明了计算结果的准确性。研究结果表明：叶轮和蜗壳内的损失是泵损失的主要来源，叶轮损失占比在20%～43%之间，蜗壳的损失占比在54%～73%之间；叶轮内由于动静干涉引起的脉动损失占比更高，蜗壳内壁面损失占比更高。隔板在小流量下的适用性差，其存在不仅会诱发动静干扰带来额外的流动损失，而且会压缩相应流道增加不必要的壁面损失；叶轮所受径向力随流量增大呈先减小后增大的趋势，额定工况点附近受力最小。

  2023年05期 v.9;No.51 68-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 2837K]
  

• 叶轮时序位置对多级离心泵性能影响的数值研究

  王晶;王李科;卢金玲;李晨昊;

  时序位置会对多级离心泵的性能产生影响，本文采用数值模拟方法分析了不同首级和次级叶轮时序位置下外特性的变化规律，以及时序位置变化对蜗壳和次级叶轮内部流场的影响机理。结果表明：时序位置改变主要影响次级叶轮和蜗壳的性能，使得次级叶轮内涡量下降，高涡量区面积减小，出口径向速度明显增大；并且能够抑制蜗壳隔舌位置出现的漩涡，蜗壳内低速区面积和湍动能明显下降，流动损失减少，扬程和效率上升，当次级叶轮叶片的周向位置位于首级叶轮流道中间时，最大上升幅度分别达到了2.9%和1.78%；此外时序位置不会改变径向力主频，但是能够降低径向力的幅值，最大下降幅度达到了9.7%。研究结果能够为多级离心泵优化设计提供理论支撑。

  2023年05期 v.9;No.51 74-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 3153K]
  

水工监测及自动化

• 某抽水蓄能电站下水库大坝抗震安全复核分析

  季昀;范振东;滕世敏;孙辅庭;周建波;杨鸽;

  为依据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》、NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》等现行规范评价某已建抽水蓄能电站下水库大坝当前的抗震安全性，采用基于有限元振型叠加反应谱法的动力法进行了大坝抗震复核计算。计算成果表明，在地震工况下，坝踵垂直拉应力区小于坝底面宽度的7%，且未超过帷幕位置，坝基面抗滑稳定的抗力作用比大于1。此外，考虑到在设计阶段大坝抗震薄弱部位已针对性地采取了相关工程处理措施，经综合分析，大坝抗震安全性仍满足现行规范要求。

  2023年05期 v.9;No.51 82-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2162K]
  

• 一种基于法布里—珀罗原理的测缝计在坝体监测中的应用

  陈静;向芸芸;赵刚;马畅;王一燚;

  在坝体结构监测中，为防止坝体由于应力和热膨胀等原因导致应力过大、破坏结构，在坝体内设置预留缝。本文使用全新的光纤法布里-珀罗干涉原理测缝计，该传感器具有直接测量、无零漂、精度高、自动化测量、抗电磁干扰和防雷击等优点。通过对某混凝土拱坝7号坝段405m高程横缝的水平错动、垂直错动和开合度进行实时观测，再结合监测数据，综合分析横缝宽度的变化过程，证实了坝体的横缝宽度在安全范围内。

  2023年05期 v.9;No.51 87-90+97页 [查看摘要][在线阅读][下载 2293K]
  

主机及其辅助设备

• 可变速抽水蓄能机组协调控制设计与功能研究

  贾鑫;蔡卫江;翟进男;于爽;吴远征;

  可变速抽水蓄能机组的控制研究愈发成为热点，由于其转速可调、功率和转速耦合、功率快速响应等特点，需要专门的协调控制单元进行配合分工，本文对协调控制单元的输入输出、功能性能、控制方法及控制模式进行了研究，提出了协调控制单元的硬件接口及功能设计要求、协调控制单元的转速和功率解耦策略、一次调频算法、不同控制模式的分类以及不同应用场景，最后给出了可变速机组适应电网不同频差以及调整负荷的灵活调节策略。本文可供大型可变速机组的协调控制提供一定参考。

  2023年05期 v.9;No.51 91-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 2103K]
  

• 某抽水蓄能电站顶盖联结安全性复核

  章亮;霍兆斌;赵强;王宁宁;

  通过对某抽水蓄能电站提升预紧力后的顶盖螺纹联结结构的强度复核，现有顶盖螺栓的预紧安全系数、夹紧力安全系数和螺栓材料安全系数均能满足要求，螺母的强度不能满足预紧要求。本着同螺栓有较好匹配原则，重新选用的螺母强度符合按照ASME分析设计原则校核的强度要求。由于现有顶盖的强度偏低，需在顶盖和螺母之间增加一个20mm厚的垫圈。座环内螺纹的强度也满足要求。提升预紧力需要更换螺栓和螺母，该电站机组已经安全运行一个大修周期，进一步提升预紧力的必要性值得探讨。

  2023年05期 v.9;No.51 98-101+120页 [查看摘要][在线阅读][下载 2053K]
  

工程施工

• 混凝土面板堆石坝面板温度应力及开裂研究

  王震洲;王彦兵;杨柳;

  针对温度变化对面板应力影响的研究众多，但温度应力对面板的破坏形式还未有定论，且目前研究都是在面板已产生裂缝的基础上进行。本文则结合某设计中的混凝土面板堆石坝，对面板变温荷载进行计算模拟，探讨环境温度变化对面板的影响。计算表明：温降荷载比温升荷载对面板影响明显，且高温降荷载下面板两翼可能出现开裂，并有向面板中腹部延伸的趋势。

  2023年05期 v.9;No.51 102-107页 [查看摘要][在线阅读][下载 7528K]
  

• 基于改进层次分析法的抽水蓄能电站上下库连接公路比选模型——以辽宁某抽水蓄能电站为例

  崔皓博;向科铭;郭重霄;刘英伟;郭兴;

  针对抽水蓄能电站上下库连接公路方案比选，本文利用层次分析法原理，构建了以技术、经济、工期、环境、路线布置及安全等因素为主要框架的综合比选模型，并针对准则层和方案层分别引入动态调整机制，此外，以辽宁某抽水蓄能电站为例，验证了评价模型的可靠性和合理性。

  2023年05期 v.9;No.51 108-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 2010K]
  

• 基于转子动力学的水轮发电机组运行稳定性研究

  肖惠民;陈启卷;

  <正>转子动力学主要研究转子-支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，尤其是接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。水轮发电机组是一种受多种扰动耦合作用的复杂转子-轴承系统，其振动问题属于转子动力学问题，且具有自身特点。水轮发电机组动力学特性涉及机械、水力及电气的相互作用，在对轴系进行动力特性分析时要考虑多种因素的影响，且其振动具有很强的非线性，从而使得从整体上进行研究难度很大。

  2023年05期 v.9;No.51 2-3页 [查看摘要][在线阅读][下载 1638K]
  

• 抽水蓄能机组安全稳定运行与控制研究

  许贝贝;

  <正>近年来，我国以水电、风电、光伏发电为代表的可再生能源实现跨越式发展，装机规模稳居全球首位，发电量占比稳步提升，能源结构调整和减碳效果逐步显现。截至2022年底，我国水电并网装机容量4.135亿k W，风电3.654亿k W，太阳能发电3.926亿k W，占全国发电总装机的45.7%，已达到相对多数地位。预计2060年，我国水电、风电、太阳能发电装机将分别达到7.6亿k W、25亿k W、38亿k W，占全国发电总装机的88%，成为电网主体电源。

  2023年05期 v.9;No.51 4-5页 [查看摘要][在线阅读][下载 1057K]
  
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