混流可逆式水泵水輪機“S”形特性研究

李金偉，陳　柳，于紀幸，胡清娟（.中國水利水電科學研究院，北京 00048；.河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453003）

混流可逆式水泵水輪機“S”形特性研究

李金偉1，陳柳1，于紀幸1，胡清娟2
（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453003）

摘要：以寶泉抽水蓄能電站機組為對象，從模型試驗、現場試驗以及CFD計算三個方面對水泵水輪機的“S”形特性進行了研究，著重討論了模型與原型之間的相似性、“S”形特性對真機運行的影響以及“S”形特性的水力機理等問題。

關鍵詞：抽水蓄能電站；模型試驗；現場試驗；CFD計算；“S”形特性

0　引言

抽水蓄能電站在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務，機組要求啟動頻繁、運行靈活，其安全、穩定運行至關重要。水泵水輪機模型試驗四象限特性曲線顯示，在水輪機、水輪機制動以及反水泵工況之間存在一個明顯的“S”區，即在此區域同一個單位轉速對應不同的單位流量，單位轉速與單位流量的關系曲線呈現出反“S”形，如圖1所示。

圖1　混流可逆式水泵水輪機四象限特性曲線

在水輪機工況空載啟動時，機組如進入“S”區，將導致轉速來回波動和無法并網，機組部件的振動及大軸擺度將隨之加劇。這種現象在我國已建成投產的天荒坪、張河灣、寶泉、黑麋峰等抽水蓄能電站均已出現。

模型試驗、現場試驗以及CFD計算是開展“S”形特性研究的三種主要方法。目前，“S”形特性的研究主要集中在模型試驗方面，模型試驗對于機組的設計、優化是必不可少的。隨著人們對機組穩定性關注度的提高，在模型水泵水輪機驗收試驗中，其“S”形特性和內部壓力脈動均是重點考察對象，它們是關系到機組穩定性最基本也是最重要的因素之一[1-8]。眾所周知，模型試驗是在幾何相似、運動相似以及動力相似條件下進行的，由于比尺效應的影響，模型試驗結果并不能完全真實地反映原型機組的實際運行狀況。以本文的研究對象-寶泉抽水蓄能電站機組為例，2005年9月水泵水輪機的模型驗收試驗在法國Grenoble的ALSTOM試驗室完成，試驗結果全面反映出機組具有良好的綜合性能，清晰顯示出水頭高于設計值510m時模型機組不存在“S”形特性。然而，投入實際運行、水頭低于530m時原型機組仍然出現比較明顯的“S”形特性。這就是模型試驗與實際運行之間的差異，充分說明模型與原型之間的相似規律仍需要進一步深入研究。

抽水蓄能機組安裝完成進入調試階段后，都會進行常規試驗，這其中就包括機組空載運行并網試驗，這是檢驗真機是否存在明顯的“S”形特性最直接、最有效的方式。

隨著計算機技術和湍流模型的高速發展，作為研究的另一種重要手段-CFD計算的作用越來越顯著。目前，國內外學者對混流可逆式水泵水輪機“S”形特性已經開展了大量的CFD計算研究，取得了一定的成果。

本文將從我們完成的一個科研項目入手，從上述三個方面闡述“S”形特性的研究過程和研究成果。

1　“S”形特性的模型試驗

圖2為寶泉抽水蓄能電站機組的四象限特性曲線，機組飛逸（空載）工況下導葉開度與單位轉速的關系曲線如圖3所示，機組的基本參數見表1。

圖2　寶泉抽水蓄能電站機組的四象限特性曲線

圖3　機組飛逸（空載）工況下導葉開度與單位轉速的關系曲線

表1　機組基本參數

由圖2、圖3、表1可知：機組的運行水頭范圍為494.0～570.4m，對應的n11（單位轉速）和a（導葉開度）分別為43.192～40.196 r/min、7.183～3.592°。額定水頭510m對應的n11和a分別為42.510 r/min、6.244°。

將圖2進行放大可以看出：導葉開度6.244°對應的飛逸工況已越過即將進入水輪機制動的臨界狀態，處于穩定工況，當機組運行水頭高于額定水頭時，從模型試驗結果推斷機組可以采用導葉全同步開啟方式并網，但考慮到模型機組和原型機組結構與水流狀況的偏差，設備制造商還是制定了導葉非同步開啟（也稱導葉預開啟）方案，作為真機運行的備用程序。

2　“S”形特性的現場試驗

為了掌握真機水輪機工況空載啟動時的“S”形特性，業主委托我們對1號機組空載啟動時的運行狀態進行現場試驗。

試驗工況為：上庫水位760.26m，下庫水位242.12m，毛水頭518.14m，凈水頭/工作水頭518.04m（空載運行時的水頭損失約為0.1m）。

試驗內容如下：

（1）導葉全同步開啟方式下的機組變轉速試驗；

（2）導葉非同步開啟（8、9、18、19號導葉預開啟，其余16個導葉同步開啟）方式下的機組變轉速試驗。

機組測試參數如下：

（1）振動：上機架+X、+Y方向與下機架+X、+Y、+Z方向各布置1個測點，共計5個；

（2）擺度：上導、下導以及水導的+X、+Y方向各布置1個測點，共計6個；

（3）壓力脈動：蝸殼進口、活動導葉后（無葉區）、上迷宮環進口、尾水錐管上游各布置1個測點，簡稱P1、P2、P3、P4測點。

圖4顯示了導葉全同步開啟方式下機組空載運行時的轉速波動情況，轉速最小值為490.8 r/min，最大值為504.1 r/min，轉速波動范圍超出了并網要求的495～505 r/min，機組無法成功并網。

圖4　導葉全同步開啟方式下機組空載運行時的轉速波動

下頁圖5顯示了導葉非同步開啟方式下機組空載運行時的轉速波動情況，轉速最小值為497.9 r/min，最大值為502.4 r/min，轉速波動范圍滿足并網要求，機組能夠成功并網。

圖5　導葉非同步開啟方式下機組空載運行時的轉速波動

表2　振動峰峰值　單位：μm

表3　擺度峰峰值　單位：μm

表4　壓力脈動相對幅值Pr單位：%

由表2～表4可以得出：采用導葉非同步開啟方式雖然可以使機組順利并網，但同時會導致活動導葉出流和轉輪入流的不均衡，并由此造成機架振動、三導擺度以及壓力脈動的幅值，較導葉全同步開啟時大。

3　“S”形特性的CFD計算

模型試驗可以得到機組的外特性曲線，現場試驗可以得到機組真實的運行狀態，但這兩種方法均無法得到機組內部的流態，無法闡述“S”形特性形成的水力機理。隨著計算機技術和湍流模型的快速發展，對“S”形特性進行CFD計算已經實現，可以通過分析機組內部流態的演變規律來研究“S”形特性。

“S”形特性的CFD計算區域為整個全流道，包括蝸殼、導水部件、轉輪以及尾水管，如圖6所示。

由于計算區域的邊界比較復雜，因此采用適應性很強的非結構化四面體網格對其進行劃分，整個計算區域的網格單元總數約550萬，各過流部件的網格單元數如表5所示。

采用有限體積法對控制方程進行離散，變量存儲在控制體中心；壓力項采用二階中心差分格式，對流項、湍動能項以及湍動能耗散項均采用高階迎風差分格式進行離散；采用SST k-ω湍流模型對離散方程組進行封閉，對整個方程組進行全耦合求解，計算軟件為CFX-12.0，計算采用并行模式。

進口邊界條件：采用流量進口邊界條件。水輪機、飛逸以及水輪機制動工況下在蝸殼進口處給定流量，反水泵工況下在尾水管出口處給定流量（流動方向相反）。

出口邊界條件：采用壓力出口邊界條件。水輪機、飛逸以及水輪機制動工況下在尾水管出口處給定相對平均靜壓，反水泵工況下在蝸殼進口處給定相對平均靜壓（流動方向相反），湍動能和湍動能耗散率等參數根據第二類邊界條件給定。

壁面邊界條件：固壁面采用無滑移邊界條件，近壁區采用標準壁面函數。

為了驗證、優化計算方法，選定模型試驗結果中6°、21°、24°開度的“S”形曲線上的29個工況點進行三維定常湍流計算。試驗結果與計算結果如下頁圖7所示，3個導葉開度下“S”形曲線的計算值與試驗值的相對誤差均在±6%之內，表明本文的計算方法是合理、可行的，表明通過CFD計算能夠反映出“S”形特性的基本特征。

眾所周知，可逆式機組往往在低水頭水輪機工況下出現“S”形特性，隨著水頭的升高，這種特性將得到改善并消除，那么它與水頭之間存在怎樣的關系？因此，針對6個導葉開度的飛逸工況下蝸殼、導水部件以及轉輪內的流態進行分析，各導葉開度下飛逸工況對應的參數如表6所示。

圖6　CFD計算區域

表5　各過流部件的網格單元數

圖7　“S”形曲線的試驗值與計算值

表6　6個導葉開度下飛逸工況的參數

圖8　6個開度飛逸工況下蝸殼、導水部件以及轉輪的中心面的流線分布

由圖8可以看出：

（1）開度不斷增大即水頭不斷降低，活動導葉與轉輪的間隙不斷減小，兩者間的動靜干涉不斷增強，表現為兩者間的水環厚度與活動導葉上下游的壓力梯度不斷減小，這是導致轉輪慣性力（離心力）對流動的影響向上游擴散的原因。機組內部流動的對稱性不斷惡化，開度為13°時，導水部件的流道間開始出現渦流，開度進一步增大，蝸殼內也開始出現渦流。

（2）轉輪進口存在比較嚴重的脫流，這些脫流在部分流道內逐漸發展成面積較大的環流，造成流道擁塞。原本流入這些流道的水流被迫流向其他流道，引起流量的重新分配，進而導致轉輪的轉動矩、轉速的波動以及運行的不穩定。這點可根據活動導葉流道內的流態變化得到進一步地解釋，當活動導葉部分流道內出現渦流時，流道間的流量同樣會重新分配，由此將導致活動導葉所受水力矩產生波動，進而引起導葉開度出現波動，加劇轉速的波動。目前，有些學者將流道擁塞造成轉輪的轉動矩與轉速波動的現象稱為“旋轉失速”。

4　“S”形特性的討論與建議

從模型水泵水輪機的四象限特性曲線來看：導葉開度線與飛逸曲線的交點處的切線斜率為負時，機組處于穩定狀態；斜率為正時，機組出現明顯的“S”形特性。因此，斜率即將為正的工況點即為“S”形特性的臨界工況點，如圖9所示。

圖9　“S”區臨界工況的確定

目前，國內新建電站在進行水泵水輪機的模型試驗時，不僅要保證機組在空載啟動時不進入“S”區，而且要保證“S”區的臨界工況點對應水頭與正常運行范圍的最低水頭之間保留足夠的裕度，以保證真機運行時不會進入“S”區。

根據近年來抽水蓄能電站水泵水輪機的模型試驗結果來看，從水力設計上直接將“S”區排除在正常運行水頭范圍以外是可以達到的，并且國內的設計水平也逐漸可以滿足這一要求。根據國內蓄能電站機組的模型試驗結果和原型機組運行情況以及近期相關水電設備供貨商的水力設計成果，在考慮正常電網頻率變化范圍下的“S”區水頭安全裕度為20～40m，或相對水輪機最低運行水頭不小于8%的水頭裕量。目前，國內機組設計考慮到模型和原型之間的相似偏差，并可能考慮到水輪機異常低水頭空載排水等因素，水頭安全裕度有逐漸增大的趨勢。但由于水泵水輪機各水力性能之間的相互關系和制約，水力設計還應進行綜合考慮，在保證足夠的“S”區水頭安全裕度的基礎上，平衡機組的能量特性、空化特性，特別是運行穩定性。

5　結論

“S”形特性是混流可逆式機組的固有特性，是影響機組運行穩定性的重要因素。目前，判明一臺機組在運行水頭范圍內是否存在“S”形特性主要依靠模型試驗，但由于模型機組與真機之間的比尺效應，“S”形特性的模型試驗結果無法反映真機的實際運行狀況，它們之間相差一個“水頭安全裕量”，該裕量的取值目前尚無定論，在設計階段還需綜合考慮機組的能量特性和空化特性。

目前，國內絕大多數投產運行的混流可逆式機組在運行水頭范圍內均存在比較明顯的“S”形特性，解決并網問題均是采用導葉非同步開啟方式。根據本文的現場試驗分析，這種方式帶來的典型負作用是造成機組部件的振動、大軸擺度以及內部壓力脈動的加劇，影響機組的安全穩定運行，這是由于導葉非同步開啟造成活動導葉出流和轉輪入流不均衡引起的。因此，保障混流可逆式機組水輪機工況安全啟動的最好辦法就是通過優化設計將“S”形特性排除在運行水頭范圍之外。

迄今，“S”形特性的水力機理尚無明確的闡述。本文采用CFD計算方法對寶泉抽水蓄能電站機組內部的流動進行了數值模擬，著重分析了不同水頭飛逸工況下的機組內部流態，得出水環厚度（上游水沖擊力與離心力共同作用的結果）和轉輪進口脫流造成的流道擁塞是影響“S”形特性的關鍵因素。

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中圖分類號：TV136

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）02-0020-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.006

收稿日期：2014-09-17

作者簡介：李金偉（1981-），男，高級工程師，從事水輪發電機組的穩定性研究工作。