寬水頭變幅高穩定性水泵水輪機

宮讓勤，陳元林，覃大清，于鵬飛，劉玉明，張美琴

（1.水力發電國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

溧陽抽水蓄能電站單機容量250MW，水頭變幅寬，高出相近水頭段的蒲石河、張河灣、黑糜峰等電站較多，為國內該水頭段水頭變幅最大的抽水蓄能機組，設計、制造難度大。

考慮到該電站的特點及中水頭抽水蓄能機組的發展趨勢，對水泵水輪機研發、設計、制造的一些關鍵技術進行研究，為溧陽抽水蓄能電站機組安全穩定運行提供保障的同時，也為我國寬水頭變幅大型抽水蓄能機組的研制提供技術支撐。

1 水頭變幅的影響

1.1 水頭變幅與機組穩定運行

在前期設計和水力設計中全力避免出現水輪機工況低水頭不穩定現象，是抽蓄機組水泵水輪機參數選擇和水力設計的首要目標。水泵水輪機參數選擇過程中，從水頭段、額定水頭、水頭變幅等方面分析水泵水輪機的“S”形特性，并可根據以往類似水頭段的水泵水輪機特性曲線來校核空載穩定性，通過合理控制水頭變幅來為空載穩定性設計創造條件。

哈電公司進行了研究統計[1]，提出了HPmax/HTmin值和HPmax的經驗關系限制線見圖1，HPmax/HTmin限制值隨著運行水頭的升高而減小。根據經驗關系限制線，溧陽抽水蓄能電站水泵工況最大揚程為296.51m，機組可穩定運行的HPmax/HTmin比值最大值不宜超過1.32。

圖1 水泵水輪機HPmax/HTmin值與最大揚程關系曲線Figure 1 Relation curve between HPmax/HTmin value and Maximum pump head

溧陽抽水蓄能電站的HPmax/HTmin比值為1.301，相對較大，已經處于制造廠經驗曲線上穩定運行限制線附近，裕量較小。在相似電站的水泵水輪機全特性曲線上看，在低水頭小開度范圍具有相對明顯的“S”形。因此，在的水力設計、模型試驗以及電站初期運行的調試需更加注重“S”區特性對機組運行穩定性的影響。

1.2 水頭變幅與水輪機空載啟動

圖2是根據統計數據繪制的抽蓄電站水頭變幅HPmax/HTmin與水輪機工況最大水頭的關系圖[2]，其中紅色點為電站調試運行過程中出現過空載不穩定的電站。從圖中可以看出各水頭段HPmax/HTmin比值分布雖然較離散，但總體趨勢是在同一個水頭段，HPmax/HTmin比值越大，電站越容易出現空載不穩定情況。

回歸的水頭最大變幅與水輪機工況最大水頭公式為：

式中HPmax——水泵工況最大揚程，m；

HTmin——水輪機工況最小水頭，m；

HTmax——水輪機工況最大水頭，m。

在水頭變幅值優選時，最高值不宜超過公式（1）計算值。超過公式的計算值時，在轉輪葉片數的選擇上應重點考慮葉片水對并網特性的影響，選擇低水頭并網特性優的葉片數。

圖2 水頭變幅HPmax/HTmin與水輪機工況最大水頭的關系Figure 2 Relation curve between HPmax/HTmin value and Maximum turbine head

2 “S”形特性的研究

2.1 “S”形特性的改善

水泵水輪機“S”形特性是影響機組是否能夠空載穩定并網的關鍵特性。研究和探索消除空載不穩定“S”形特性的水力設計技術，是行業內所公認的關鍵技術難題，也是本研究的最終目標。國際上通常采用導葉“非同步”開啟的方式來解決影響空載并網的“S”形特性，并且已成為了工程上解決此問題的一種“習慣”。在我國引進機組中，如天荒坪機組，寶泉、黑糜峰、張河灣、蒲石河等，均采取預開“非同步”導葉的并網措施。預開“非同步”導葉進行空載并網主要有以下幾個顯著的缺點：①機組振動大，穩定性能差；②需增加額外的操作設備，增大機組投資；③機組結構更加復雜，增加機組設計、安裝等難度。

在本項目的研究中，首次提出消除和改善“S”形特性、使轉輪本身具備空載穩定并網能力的水力設計思想。從內部流態分析入手，應用先進的動態流體計算手段，分析“S”形特性形成的機理，探索消除影響空載并網的“S”形特性水力設計方法，并通過專用試驗臺模型試驗驗證，最終形成解決“S”形特性的水力設計技術。

2.2 固定導葉影響

水泵水輪機水輪機工況對固定導葉安放角比水泵工況更敏感，雙列葉柵的水力設計主要考慮水輪機工況。通過對蝸殼出流角的分析，可以指導固定導葉進口安放角的設計，以適應蝸殼出流條件，減少水流對固定導葉頭部的撞擊損失，改變水流繞流流態，達到蝸殼出流與固定導葉入流的最優配合，這樣不僅有助于水輪機工況水力效率的提高，而且能夠改善由于水流擾流引起的機組振動。

2.3 模型的開發

哈電溧陽抽水蓄能電站水泵水輪機水力性能的研發自2009年初開始，投標前共完成多個模型轉輪性能開發和多個基于轉輪實物的改型優化；中標后，哈電公司為進一步改善溧陽水泵水輪機空載并網“S”形特性以及空載并網水力穩定性，投入了A1094等其5個轉輪方案的水力開發，最終攻破了水泵水輪機空載并網“S”形特性水力關鍵技術難題。轉輪A1094用于溧陽抽水蓄能電站，在水泵工況最大揚程與水輪機工況最小水頭之比為1.301時，原型水輪機工況運行范圍不存在“S”區現象，“S”區特性優良，實現了水力設計技術創新。

3 水力過渡過程

3.1 低水頭并網模擬計算

使用A1094轉輪于2012年4月26日至5月24日在瑞士洛桑聯邦理工大學水力機械實驗室FP2 試驗臺完成了最終的模型驗收試驗結果。哈電公司對溧陽抽水蓄能電站，在上水庫死水位為254.0m，下水庫正常水位19.0m，電站最小毛水頭235m，兩臺機組水輪機工況帶預想出力正常運行，一臺機組啟動的工況進行了模擬計算，計算結果表明A1094轉輪完全滿足水輪機工況并網要求。對于啟動過程中由于導葉開度突變而引起的轉速擾動進行模擬計算，計算結果表明，機組轉速有很好的收斂性，在水輪機工況可順利并網。圖3為A1094轉輪在Hg=235m時起動仿真過程線。

3.2 無葉區壓力脈動對并網特性的影響

模型試驗結果表明，在水頭高于240m運行時，“無葉區”空載壓力脈動試驗值為13.62%～24.22%，水頭低于240m（含）運行時，“無葉區”空載壓力脈動值力略高于25%；最大空載壓力脈動出現在最低運行水頭227m時，其值為ΔH/H=28.82%。“無葉區”空載壓力脈動隨運行水頭的降低而增大，水頭變幅的影響顯著，溧陽水頭變幅達到1.301，最低水頭空載壓力脈動稍偏大屬正常現象。電站調試運行表明，在該壓力脈動下機組可以順利的采用同步導葉接力器并網。機組的并網特性主要取決于“S”區的特性，不宜追求過低的空載壓力脈動值，從而犧牲水泵水輪機的其他性能。

圖3 A1094轉輪在Hg=235m時啟動仿真過程線Figure 3 Starting simulation procedure lines of A1094 runner at Hg=235m

3.3 一管三機甩負荷

電站共安裝6臺單機容量為250MW水泵水輪機組，其輸水系統共分為兩個獨立的水力單元，每個水力單元的機組上游側及下游側均采用一洞三機布置，在機組下游側隧洞設有尾水調壓井。對于一洞多機系統，由于多臺機組共用引水隧洞及尾水隧洞，機組間相互干擾大，在工況變化引起的水力瞬變過程中，因慣性存在及系統中能量不平衡，將引起水道系統內水壓力及機組轉速的劇烈變化，即產生壓力急劇上升或下降及機組轉速急劇加快，危及電站的運行安全，影響機組的壽命。電站于2018年5月2日至9日進行了5、6號機雙機甩50%、75%和100%額定負荷的試驗，以及4、5、6號機三機同甩50%、75%和100%額定負荷的試驗。甩負荷實測數據線與計算數據線具有很好的擬合性；最大轉速上升的誤差在1%以內，數值計算成果可靠。溧陽抽水蓄能電站一洞三機甩負荷試驗的順利完成在國內尚屬首次。

4 機組運行穩定性

4.1 動靜干涉

水力干擾引起的振動方式是繞轉輪的軸線旋轉，對于固定部件這種振型下的角速度為±（fr/R）Hz，對于轉動部件則為±（fg/R）Hz，正號表示方向同轉輪轉動方向一致，負號則相反[3]。當激振頻率fr=m×Zg×nR同有R個節徑數的轉輪固有頻率一致時，就會發生轉輪振動。對于溧陽抽水蓄能電站而言，m=1、n=3、R=1，因此要求在節徑R=1時轉輪在水中的固有頻率應避開機組的激振頻率fr=100Hz。采用流固耦合方法對過流部件開展水中固有頻率分析研究，重點開發整體轉輪在水中固有頻率計算的力學模型和邊界條件。計算節徑R=1時轉輪的固有頻率為119.82Hz，在水中的固有頻率與激振頻率錯開大于10%，具有良好的動態特性。電站運行表明，無葉區壓力脈動大，水力激振力大。壓力脈動的幅值不僅要關心混頻值，更要關注分頻值，特別是滿足動靜干涉條件的無葉區壓力脈動幅值，該值不宜大于2%。張河灣抽水蓄能電站新改造轉輪后該值約為2%[4]，溧陽抽水蓄能電站該值約為1.5%，機組運行穩定性很好。轉輪在水中的固有頻率除要避開上述頻率外，還應避開轉輪上冠和下環反向振動的頻率。對相位共振的風險因子進行了計算[5]，波速在900～1200m/s之間時，風險因子為3.12%～8.77%，滿足不大于25%的要求。哈電公司對各種水力激振頻率進行分析，避免了共振和相位共振的產生。為今后抽水蓄能機組的結構設計以及制造提供理論依據。

4.2 機組運行的穩定性

溧陽抽水蓄能電站6臺機組2017年底全部投入商業運行，機組在能量指標、穩定性指標、空化指標，達到國際先進水平。特別是水泵水輪機運行穩定性優越，試運行期間水泵工況穩態運行時頂蓋水平振動8μm，垂直振動3μm，水導擺度0.063mm；水輪機工況穩態運行頂蓋水平振動10μm，垂直振動3μm，水導擺度0.12mm；水輪機工況水導瓦溫最高53.8℃，水泵工況水導瓦溫最高53℃。機組運行的穩定性處于國際領先水平。

5 結束語

溧陽水泵水輪機運行水頭變幅最大達到1.301，這樣的變幅在全國是屬于前列，水泵水輪機水力設計難度較大，電站運行表明哈電公司已完全掌握了寬水頭變幅高穩定性抽水蓄能機組的技術。

溧陽水泵水輪機為國內首個從設計階段徹底取消小導葉接力器系統的國產化機組，從運行情況看，設計研發思路是正確的，運行穩定。

溧陽抽水蓄能電站是國內第二個采用一管三機布置的電站，并首次完成了一管三機同甩負荷，試驗結果表明，蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最低壓力、機組轉速上升均滿足合同要求，仿真計算結果的精度可滿足工程要求。

溧陽水泵水輪機開發成功，為我國水電行業開發大型寬水頭變幅高穩定性的抽水蓄能機組提供了可靠的技術積累。