抽水蓄能機組“S”特性對穩定性影響研究

（1南京南瑞集團公司 南京 211106；2華東宜興抽水蓄能有限公司 宜興 214205

3河海大學 江蘇 南京 210098 ）

[摘 要] 抽水蓄能技術的核心問題在于可逆式機組的“S”特性，“S”特性對機組正常工況運行以及過渡工況運行的穩定性起著決定性的作用。本文從抽水蓄能機組轉輪“S”特性機理出發，揭示“S”特性對機組開機啟動方式、正常運行穩定性以及甩負荷工況壓力脈動變化規律的影響，對蓄能機組的選型設計有借鑒意義。

[關鍵詞] 抽水蓄能機組 “S”特性 水力阻抗 壓力脈動

1 引言

抽水蓄能機組的“S”特性是影響機組運行穩定性的關鍵因素，該區域內機組在同一單位轉速下對應三種不同單位流量，這種正負流量的相互轉換會導致正反向轉矩的產生，極易造成機組構件的破壞[4]。在轉輪“S”特性區水流流態十分紊亂，紊流引發的壓力脈動是產生機組振動的重要原因之一，特別對于結構強度較低的大型機組，嚴重時可導致機組構件疲勞性破壞以及尾水流道內汽蝕，威脅機組的安全穩定運行。因此，研究轉輪“S”區壓力脈動特性以及機組振動穩定性，不僅有助于機組安全穩定運行，還可對可逆式機組選型設計提供建議。

針對可逆式機組的壓力脈動問題，不少學者做過研究。錢忠東等人[1]分別采用不同模型對模型水輪機全流道內的三維非定常湍流進行了數值模擬，通過分析導水機構及尾水管壓力脈動的特征，得到模擬壓力脈動的較優模型。劉樹紅等人[2]利用SST k-ω湍流模型開展了水泵水輪機在水輪機工況下不同位置的壓力脈動的研究。研究結果表明壓力脈動的幅值和頻率在不同位置均不同，且有明確的傳遞特性。孫躍昆等人[3]根據真機實測壓力脈動結果對機組開機過程無葉區壓力脈動進行深入分析，獲得開機過程無葉區壓力脈動幅值及頻譜特性。已有成果多為機組不同位置壓力脈動特性的研究，而涉及“S”特性對機組振動穩定性影響的并不多見。

本文結合真機實測壓力脈動數值，對機組“S”特性區域壓力脈動幅值特性進行分析，進一步探討“S”特性區單位轉速及單位流量變化對機組振動穩定性影響的規律，對水泵水輪機的設計選型工作提出建議。

2 正常運行工況“S”特性對機組穩定性的影響

抽水蓄能機組在水輪機工況開機啟動時，活動導葉逐漸開啟，機組轉輪達到空載開度下的飛逸狀態，此時水泵水輪機處于空載開度下的“S”區。此時增加負荷，機組則不可避免進入反水泵區，最終導致機組并網困難。采用非同步導葉（MGV）可有效解決機組并網困難的問題，但MGV裝置破壞了流場的流動對稱性，增強機組的壓力脈動。機組在水輪機工況正常運行時，運行軌跡沿著等開度線延伸，若正常運行等開度線上單位流量隨單位轉速變化規律復雜，也會產生正常流態不穩定現象，引起機組振動。本節對比兩套相近轉輪曲線正常運行范圍的不同“S”特性，結合各自的開機方式以及運行特點，分析機組正常運行時“S”特性對穩定性影響。轉輪流量特性曲線如圖1、圖2所示。

圖1 曲線1正常運行范圍圖2 曲線2正常運行范圍

分析曲線1的正常運行區可知，曲線1的正常運行區離“S”區很近，正常運行區包含了約50%等開度線的整個“S”區。曲線1正常運行的較多區域已經較多處于“S”區。因此，轉輪1全水頭開機啟動均需要投入非同步導葉，擾亂了水流流態，引發壓力脈動現象。同時，帶正常負荷運行時，轉輪1的單位流量同單位轉速的變化規律復雜，流態較為紊亂，正常運行時機組伴隨著振動現象。

分析曲線2的正常運行區可知，曲線2的正常運行區離“S”區較遠，正常運行區僅包含了約10%等開度線的整個“S”區，在大開度區的等開度線過渡平緩，因此，轉輪2僅在小部分水頭段開機啟動時需要投入非同步導葉。同時，帶正常負荷運行時，轉輪2的單位流量同單位轉速變化規律一致，運行穩定性較好。

以上分析可知，機組正常運行區的“S”特性范圍對機組開機穩定性以及正常運行時的穩定性均有較大影響。正常運行范圍離“S”區越遠，包含完整“S”特性的等開度線條數越少，機組運行越穩定。

3 甩負荷過程“S”區域壓力脈動幅值特性

抽水蓄能機組甩負荷過程，運行軌跡恰好經過“S”區。因此，轉輪“S”區內轉速流量變化特性對機組穩定性有重要影響。有文獻描述，引起可逆式機組過流系統不穩定的機理是：機組引用流量隨水頭的增大而減小，此時機組水力阻抗值為負：

式中： 為單位轉速，r/min； 為單位流量，m3/s； 為機組轉速，r/min； 為機組轉輪直徑，m。

因水輪機工況、、均為正值，則< 0時，即時，該工況點機組運行不穩定。本文根據真機實測壓力脈動幅值結果，對此公式的合理性進行驗證，并對甩負荷過程“S”區機組壓力脈動特性進行評判。

（a）（b）

圖3 電站實測數據穩定區域示意圖（時間起點以斷路器跳閘為起始點）

表1 實測脈動幅值與穩定性對比表

工況點 大小脈動壓力幅值（m）

3s-0.01000 0.00155 >010.7

3.5s-0.00800 0.00142 >010.7

4s-0.01667 0.00134 >021.4

4.5s-0.00400 0.00125 >010.1

6.5s0.01560 0.00084 <030.2

7s0.01310 0.00074 <041.5

7.5s0.01200 0.00064 <036.1

8s0.01190 0.00052 <021.0

如圖3所示，紅線為穩定工況區與非穩定工況區的分界線。等開度線水輪機工況區第一個折點過后機組單位流量隨單位轉速的減小而減小，斜率迅速由負斜率變為正斜率，進入非穩定區。而一般抽蓄機組全特性曲線的“S”區在此點過后還會經過一段負斜率的過渡區才會逐漸轉為正斜率區，即非穩定區。因此，該電站的非穩定工況區十分寬廣。同時，該電站采用導葉延時關閉規律使機組運行軌跡線順著全特性曲線走勢延伸，很快進入不穩定區，進而產生強烈的壓力脈動。以上說明，全特性曲線的“S”特性也會影響到機組的穩定性問題。

表1中數據可知，根據公式判定，甩負荷開始后3s、3.5s、4s、4.5s時刻工況點均大于零，處于穩定區，脈動幅值相對較小，最大有21.4m；甩負荷開始后6.5s、7s、7.5s、8s時刻工況點的均小于零，處于非穩定區，脈動壓力驟然增大。所以該電站在導葉延時關閉10s內出現很強烈的壓力脈動現象。

綜合以上分析可得，抽水蓄能機組甩負荷過程，機組不穩定區域越大，即< 0的區域越大，機組脈動壓力幅值越大，持續時間越久。

4 結語

本文通過對抽水蓄能機組正常運行范圍以及甩負荷工況區的“S”特性及機組穩定性的分析，得出了水輪機工況“S”特性對機組穩定性影響。具體結論如下：

機組正常運行區“S”特性范圍對機組開機穩定性以及正常運行時的穩定性均有較大影響。正常運行范圍離“S”區越遠，包含完整“S”特性的等開度線條數越少，機組開機啟動需投入MGV裝置的工況越少，機組運行穩定性越好。

抽水蓄能機組水輪機工況甩負荷過程，機組不穩定區域越大，即< 0的區域越大，機組脈動壓力幅值越大，持續時間越久。

參考文獻

[1] 錢忠東， 楊建東. 湍流模型對水輪機壓力脈動數值預測的比較[J]. 水力發電學報，2007，26（6）：111-115.

[2] 劉樹紅， 孫躍昆， 左志剛等. 原型水泵水輪機壓力脈動傳遞特性的數值模擬及分析[J]. 中國水電設備學術討論會，2013.

[3] 孫躍昆， 劉樹紅， 劉錦濤等. 水泵水輪機開機過程壓力脈動的試驗研究[J]. 工程熱物理學報，2012，8（33）.

[4] 梅祖彥. 抽水蓄能發電技術[M]. 北京：機械工業出版社，2000.