可逆式水泵水輪機內流研究綜述

毛秀麗，陸家豪，劉寶熙，王 博

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710000)

國家“十三五”規劃中，在能源和電力規劃方面強調加快抽水蓄能電站建設，到2020年我國抽水蓄能電站建設規模將超過7 000萬kW[1-2]。當前階段，抽水蓄能電站在電力系統中以保障電網安全穩定為主要功能，同時發揮調峰填谷、提供消納新能源儲能等綜合功能[3-4]。基于目前水泵水輪機向大容量、高水頭、高轉速發展，國內外抽水蓄能電站普遍采用可逆式水泵水輪機[5-6](見圖1)，據統計現有抽水蓄能電站配置可逆式機組承擔電力超過740萬kW[7]。

可逆式機組包含水泵水輪機和電動發電機，其中水泵水輪機需要根據電網需求工作在抽水工況和發電工況(水泵和水輪機工況下轉輪旋轉方向正好相反)。水泵水輪機常見的型式有混流式、斜流式和貫流式，各自適用水頭/揚程范圍有所不同。混流式作為應用最為廣泛的水泵水輪機機型，其與斜流式常用于大中型抽水蓄能電站[8-9]，而貫流式在潮汐能電站中常見。除設計型水泵水輪機外，實際工程中部分泵站機組諸如離心泵、軸流泵等反轉運行，這類水泵水輪機應用并不廣泛，但卻有重要的科學研究意義[10-11]。

1-上水庫，2-引水道，3-上游調壓室，4-壓力管道，5-蝸殼，6-水泵水輪機，7-尾水管，8-尾水調壓室，9-尾水道，10-下水庫

水泵水輪機系統由于啟停機頻繁，諸如大幅度增減負荷、事故甩負荷、以及發電轉調相等工況轉換過程多變復雜[12-13]，當下幾乎投運的所有抽水蓄能電站機組均存在不同程度的噪聲、振動、部件使用壽命達不到設計標準等各類動力學問題[14-15]。現有水泵水輪機在典型工況及過渡過程階段運行時，出現壓力脈動、振動異常、擺度超標、抬機、掃膛等現象屢見不鮮，主要原因可歸結于機組內流場的瞬態特性[16-17]。為了滿足電力系統負荷調度的支配，水泵水輪機需要能夠在四象限的全特性范圍瞬態過程運行并頻繁切換。系統在瞬態工況切換過渡過程極易出現以多重耦合方式傳輸和轉換瞬態能量，引起系統出力和轉速的強烈擺動，觸發水、機和電的強烈耦合，導致機組不能及時并網運行[12-13]。

1 國內外研究現狀

抽水蓄能技術的發展響應世界各國能源戰略，特別是為傳統能源與新能源的協調與智能發展保駕護航[7,18-19]。國內外學者針對抽水蓄能電站穩定運行開展了一系列的相關研究[20-22]，主要目的在于針對系統的穩定性及危險工況能夠進行預測，從而為管道結構布置、機組設計參數選擇，機組導葉關閉規律優化，調節系統參數選擇，減弱觸發水、機和電強烈耦合影響的措施，以及應對系統出力和轉速強烈擺動等提供一定的依據[23-24]。對于抽水蓄能電站水力過渡過程數值仿真計算主要是一維特征線法為基礎的研究，其基本理論是水擊基本連續方程與運動方程以及特征線法，結合引水發電系統的各部件數學模型及邊界條件，對大波動過渡過程、小波動過渡過程以及水力干擾過渡過程進行分析與計算。這一計算理論能夠從一定程度上滿足常規電站水力機械過渡過程的需要，并得到各調保參數，以及驗證過渡過程能否安全和平穩地進行[12,25]。此外，由于特性曲線難以用數學方程精確地表達且方程個數較多，常用的求解方法是假定待求工況點在特性曲線上某一段折線內，將折線段方程代入機組其它方程中[26]。目前對水泵水輪機內流場穩定性研究主要方向可大致分為以下兩類:

1.1 水泵水輪機內流場演變研究

(1) 求解方法：水泵水輪機內流場求解常用SA、k-ε和k-ω兩方程模型、SST、LES及DES等湍流模型，上述模型基于各自優缺點適用范圍不同[27-29]。DES 模型能夠對于 LES計算足夠精細的區域切換到亞格子尺度公式，而對于靠近邊界區域與湍流長度尺度小于最大網格尺寸的區域，均和RANS模型處理方式相同，從而DES模型被廣泛的用于求解水力機械復雜流場[29-31]。基于水泵水輪機實況研究問題對CFD流場求解湍流模型進行改進，形象描繪流體流動特征及發展規律是水力機械行業的重點研究方向[32-33]。此外，針對流體水質引入多相流模型、可壓縮流體模型、空化模型、轉捩模型等對流道內空腔生成、發展、潰滅以及反水擊等現象探討，得到運用上述綜合模型數值模擬誤差小于純粹性流場求解計算結果誤差，從而更好的反映內流道結構[4,15]。同時諸如動網格技術、遺傳算法、人工神經元網絡的應用進一步提升了數值模擬的真實性[34-35]，其中圖2為網格壁面滑行技術在某水泵水輪機甩負荷過程中的應用。

(2)工況研究：水泵水輪機穩態工況包含抽水工況及發電工況，其相當于常規水泵、水輪機運行，機組穩態內流場不會引起系統的外部不穩定現象。然而，對于單機組諸如啟停機、甩負荷、增減負荷、發電轉調相、水泵突然斷電等暫態工況則極易導致系統運行安全問題[36-38]。水泵水輪機在典型工況過渡過程區運行時，內部瞬態流場是導致系統出現不穩定現象的直接原因[39-40]。基于數值模擬、實驗輔助及理論分析相結合的研究方式，探索水泵水輪機“S”特性區、駝峰區內流瞬態特性廣受國內外學者關注[41-42]。提取諸如湍流強度、渦流尺度、壓力、流量、出力等特征信號，并結合流動分離、動靜干涉、工況變遷回流、葉間旋流等流場現象，以表征水泵水輪機內流運動特征和演變規律[43],圖3所示即為某水泵水輪機甩負荷過程出水管道流態變化歷程[44]。上述成果不僅對流體動力學應用型研究意義重大，而且具有較高的理論價值和實踐指導意義。

圖2 網格壁面滑移技術在某水泵水輪機甩負荷過程應用中網格質量[35]

圖3 某水泵水輪機甩負荷過程出水管道流態變化歷程[44](黑色大箭頭表示流向，A區間為相反流向水流形成的空流區域)

1.2 水泵水輪機內流對系統外特性的影響

水泵水輪機非穩態流場對系統外特性的影響主要表現為振動和噪聲兩個方面，由于條件限制，該方面研究相對較少。

(1) 振動方面。研究方法主要為數值模擬與實驗數據或現場實測結果相結合，運用自適應濾波函數等方法處理諸如軸承、軸振動類采集信號，從而分析內流變化對機組結構的影響,并以此為依據優化水泵水輪機設計結構以改善系統不穩定性[45-47]。基于水動力學理論與結構振動理論，經由時、頻域提煉分析特征參量，探討流場參量脈動主頻與各過流部件固有頻率的關聯性，盡可能避免出現抬機、掃膛等事故[13,24]。混沌理論的引入建立了系列控制模型，機組與軸系，水錘影響與電機非線性特征，全局敏感性分析及結構振動不確定因素影響[48-50]，上述非線性模型為工況切換過渡過程引起的水、機電強烈耦合效應全局性研究奠定了基礎，然而其實際應用性及普適性有待進一步研究。此外，結合預開導葉方式、變速控制模式、機組調節系統優化等的研究，從工程角度不同程度的提高了水泵水輪機運行穩定性，然而該方面的研究深度有待加強，需要進一步探索[51-53]。尤其對于工況切換過渡過程引起的水、機電強烈耦合激振，暫時未有較好的全局應對措施。

(2) 噪聲方面。目前對于水力機械噪聲方面的探討較為罕見，主要原因是實際電站噪聲影響因素繁多且無法定性計算[54]。現有噪聲研究集中于流動誘導噪聲，且主要研究方法為假設邊界封閉前提的聲場模擬[55-56]。相關學者針對水力機械流動誘導噪聲開展了系列性研究，均在定導葉工況下分析給出了聲場與流場相關參量之間初步關聯性[57-59]。對于水泵水輪機瞬態過程流動誘導噪聲目前鮮見相關成果發表，先前階段作者對比分析某水泵水輪機持續甩負荷過程與各定導葉工況流動誘導噪聲特性，圖4為其在一階二階葉頻下噪聲指向性分布[44]。上述局限于流動誘導噪聲的研究工作為后續機組噪聲相關研究奠定了一定的基礎。

綜上所述，近年來水泵水輪機工況切換過渡過程及系統運行穩定性研究已成為國際上研究的熱點。但是由于機組內流場瞬態特性和水、機與電之間相互干擾的復雜性，目前對水泵水輪機有效的分析方法和機理研究有一些初步成果，但未形成內流演變特征與機架振動、軸承擺度及水壓脈動等系統不穩定性之間的理論機制。由于條件與現有技術的限制，相關試驗研究較少。主要存在的不足可概括為以下兩個方面：

(1) 針對抽水蓄能電站水泵水輪機內流場進行了數值計算，但注重于機組段，少有對從上水庫至下水庫包含機組段的全流道水動力學問題進行分析，機組運行在瞬態過程不穩定流場演變機理亟待深入研究。

(2) 針對水泵水輪機運行穩定性問題進行了分析，但側重于某些典型工況，對于工況切換過程引起的系統外特性研究偏少，且未形成指導方案設計理論，以及內流場和系統協同性之間的明確關系。

圖4 一階二階葉頻下某水泵水輪機甩負荷過程噪聲指向性分布[44]

2 展 望

對水泵水輪機典型工況切換過程內流瞬態特性進行研究，不僅能夠提高電站運行穩定性和供電質量，而且有助于提升電力系統安全、環保和經濟運行水平，更是高效利用清潔能源和電網系統協調智能發展的需要。然而對于水泵水輪機瞬態過程誘發穩定性問題少有相關理論方面的研究，難以從理論上對事故、故障現象做出解釋[23,60]。同時由于缺乏理論上的指導，對待抽水蓄能電站發生事故、故障現象全憑經驗處置，一方面盲目性大，另一方面也會誘發人為的二次故障或事故[61-62]。因此，對水泵水輪機典型工況切換過程內流不穩定機理進行研究，不僅是學科發展的需要，亦對解決工程實際問題具有重要的指導意義。

基于工程實況需求與學科發展需要，針對水泵水輪機典型工況切換過渡過程，綜合水力動力學和機組多工況運行設計等理論，需要進一步深入研究機組內流發展。諸如: (1) 探究流場特征參數間的本質規律和相互聯系以描述內流演變規律，并揭示機組瞬態過程不穩定性動力學機理；(2) 分析內流場湍流結構特征對機組外特性產生的影響，嘗試建立流場特征與系統外部運行指標之間非線性混雜概率模型；(3) 實現抽水蓄能電站出力和轉速擺動，水、機和電耦合等不良現象的預防和預測計算等研究，不僅具有重要理論價值的科學探索，并具有重大的工程實際意義。