變速抽水蓄能機(jī)組空化特性及運(yùn)轉(zhuǎn)特性研究

劉德民，許唯林，趙永智

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000；2.四川大學(xué)，四川省成都市 610065）

0 引言

“十三五”和“十四五”期間，中國建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)大量的抽水蓄能電站，中國的抽水蓄能發(fā)展特點(diǎn)是高水頭、大容量和高轉(zhuǎn)速。目前建設(shè)中的抽水蓄能電站單級(jí)水頭已經(jīng)接近800m，容量已經(jīng)達(dá)到400MW，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到600r/min。不斷推進(jìn)中國的抽水蓄能電站向著更高的目標(biāo)邁進(jìn)。

隨著電網(wǎng)中核電、燃?xì)獍l(fā)電及聯(lián)合循環(huán)電站等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的大規(guī)模利用，其在電網(wǎng)上所占比例日漸增大，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難。圖1為某風(fēng)場的輸出功率波動(dòng)圖，可見風(fēng)電負(fù)荷波動(dòng)較大。核電在電網(wǎng)中的比重增加，夜間也滿負(fù)荷運(yùn)行，可以調(diào)整輸出功率的其他機(jī)組在夜間被停運(yùn)，就會(huì)產(chǎn)生夜間負(fù)荷調(diào)整困難及頻率波動(dòng)的問題。恒速蓄能機(jī)組在此期間以水泵工況運(yùn)行，不能調(diào)節(jié)輸入功率，因此無法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求。可變速蓄能機(jī)組就是解決該問題的辦法之一，這里所指的可變速運(yùn)行與變極電機(jī)的雙轉(zhuǎn)速切換運(yùn)行完全不同，是指機(jī)組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無級(jí)變速運(yùn)行。

抽水蓄能的另一個(gè)發(fā)展方向就是變速抽水蓄能機(jī)組，為了使抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍更寬，響應(yīng)更快，運(yùn)行更靈活，機(jī)組的參數(shù)從單一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向了變轉(zhuǎn)速。

圖1 某風(fēng)場瞬時(shí)輸出功率、平均輸出功率和最大輸出功率的關(guān)系圖Figure 1 The Diagram of instantaneous output，average output and maximum output of a wind field

1 可變速機(jī)組研究現(xiàn)狀

1.1 國外抽水蓄能機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，日本、歐洲各國在變速抽水蓄能機(jī)組的應(yīng)用方面均進(jìn)行了深入的工作，其中日本是研發(fā)、制造和應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵(lì)磁蓄能機(jī)組最早且最多的國家。目前國際上有經(jīng)驗(yàn)的主機(jī)供貨商如日本東芝、日立、三菱、ANDRITZ、ALSTOM、VOITH等公司分別在日本、斯洛文尼亞、德國、瑞士、印度、法國、葡萄牙等國家有超過17個(gè)電站，合計(jì)37臺(tái)機(jī)組的供貨業(yè)績。

1.2 國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，中國大型抽水蓄能電站建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷了近40年的多方不懈努力的歷程，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)設(shè)備從國外引進(jìn)技術(shù)到實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)。建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和全方位管理也都積累了廣泛而寶貴的經(jīng)驗(yàn)，只是目前國內(nèi)已投運(yùn)和建設(shè)的大型抽水蓄能機(jī)組均為定轉(zhuǎn)速機(jī)組。

中國通過技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，也曾開展過變速機(jī)組的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國內(nèi)僅有4座電站的小容量變速機(jī)組投入運(yùn)行，基本都屬于變極調(diào)速方式，并非真正意義上的可變速電機(jī)。石家莊崗南電站1號(hào)機(jī)組、密云水電站裝有2臺(tái)變速抽水蓄能機(jī)組（斜流式），1973年投運(yùn)，發(fā)電容量12MW，抽水最大容量15MW。響洪甸電廠5號(hào)和6號(hào)機(jī)組為變速機(jī)組，1999年投運(yùn)，額定轉(zhuǎn)速150r/min時(shí)功率為42MW，額定轉(zhuǎn)速166.7r/min 時(shí)功率為55MW。潘家口電站裝有3臺(tái)單機(jī)容量90MW的變速抽水蓄能機(jī)組。水頭變幅高達(dá)2.4，水泵水輪機(jī)具有兩種固定轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)工況機(jī)組轉(zhuǎn)速為125r/min，水泵工況當(dāng)揚(yáng)程為85.7～65.1m時(shí)，轉(zhuǎn)速為142.8r/min；當(dāng)揚(yáng)程為66.4～36m時(shí)，轉(zhuǎn)速為125r/min。

1.3 變速抽水蓄能機(jī)組特點(diǎn)

與其他電源相比，抽水蓄能電站具有快速啟動(dòng)和高輸出功率變化率的特點(diǎn)。除了具有在峰荷小時(shí)按計(jì)劃供電的特點(diǎn)外，抽水蓄能在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的優(yōu)勢有以下幾個(gè)方面：

1.3.1 可變速抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行方面的作用

（1）可在其他電站非計(jì)劃停機(jī)時(shí)供電。

（2）可控制大電力需求量變化，例如早晨時(shí)段。

（3）提供熱儲(chǔ)備（從秒到分的波動(dòng)控制），或者運(yùn)行儲(chǔ)備（從1分鐘到幾分鐘的控制）。

（4）提供輸變電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的電流調(diào)節(jié)或電壓控制。

（5）出現(xiàn)大面積干擾時(shí)能夠啟動(dòng)恢復(fù)點(diǎn)。

（6）通過在輕負(fù)荷時(shí)段以有效輸出功率運(yùn)行基荷供電電源，全面降低燃料價(jià)格。

1.3.2 抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行中的作用

抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行中的作用論證在該領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟，各國論證方法也基本相同。

1.3.3 可變速抽水蓄能機(jī)組在需—供控制中的運(yùn)行情況

在日本除了抽水蓄能電站本身的作用外，可變速抽水蓄能機(jī)組作為調(diào)節(jié)儲(chǔ)能在夜間運(yùn)行。與其他電源形式相比，變速抽水蓄能機(jī)組具有的快速動(dòng)態(tài)寬功率響應(yīng)能力成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，如表1所示。

表1 各類型發(fā)電機(jī)組輸出功率變化率Table 1 The rate of change of electric generator output

變速抽水蓄能機(jī)組由于寬功率的調(diào)節(jié)要求，調(diào)節(jié)范圍由某一開度的一條線拓寬為了一條運(yùn)行帶。對(duì)于變速機(jī)組而言，影響變速機(jī)組運(yùn)行范圍的主要因素為駝峰、空化、最大輸入功率和流量調(diào)節(jié)范圍（見圖2）。這其中空化最為重要，空化直接影響機(jī)組的壽命，所以變速機(jī)組對(duì)無空化運(yùn)行提出了更高的要求。

圖2 變速機(jī)組的輸入功率調(diào)節(jié)范圍Figure 2 The input force regulation range of variable speed pumped storage unit

既然空化對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組如此重要，因此很有必要對(duì)變速機(jī)組，尤其是空化特性進(jìn)行研究。目前業(yè)界對(duì)空化的研究方法包括數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)。

1.4 空化數(shù)值計(jì)算研究

對(duì)空化特性開展的數(shù)值計(jì)算的方法很多：包括多種空化模型，同時(shí)引入可壓縮效應(yīng)對(duì)空化流進(jìn)行研究。目前混合流體模型中采用的空化模型主要分為以下三種：

（1）基于空泡動(dòng)力學(xué)的空化模型[1-6]；

（2）基于氣液平衡界面理論的空化模型[7]；

（3）基于蒸發(fā)—凝結(jié)相變理論的空化模型[8]。在這三類空化模型中，基于空泡動(dòng)力學(xué)的全空化模型（full cavitation model）使用最為廣泛，發(fā)展較為充分。

空化質(zhì)量輸運(yùn)方程的使用基于如下假定：

（1）把氣液混合流體，看作一個(gè)密度可變的多組分單一流體，氣相與液體相之間無滑移，擁有相同的壓力和速度，只需要一組動(dòng)量方程即可描述[6]。

（2）在全流場內(nèi)求解混合介質(zhì)的雷諾時(shí)均N-S方程和連續(xù)方程。

利用質(zhì)量輸運(yùn)方程對(duì)空化流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通常將氣液兩種介質(zhì)假定為變密度的混合物來處理。

為了求解空化流場，氣相的連續(xù)方程被引入：

式中：Re——水蒸汽生成率；

Rc——水蒸汽凝結(jié)率；

Re-Rc——相變引起的質(zhì)量輸運(yùn)。

對(duì)于質(zhì)量輸運(yùn)源項(xiàng)Re和Rc的計(jì)算方法，Merkle（1998）[7]、Kunz （1999，2000）[7-8]、Singhal （2002）[9]、Senocak和Shyy（2004）[10]和 Zwart-Gerber-Belamri（2004）（簡稱 ZGB模型）[5，11]等許多學(xué)者開展了廣泛的研究并進(jìn)行了特定范圍內(nèi)的修正。

1.5 空化試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究，包括對(duì)各翼形的空化形態(tài)特征研究和水力機(jī)械中的空化研究。其中對(duì)翼型空化的研究內(nèi)容主要包含空泡初生、發(fā)展和潰滅的過程，以及與之相伴生的在空泡全生命周期中的壓力脈動(dòng)和空泡脫落頻率的研究[13-15]。對(duì)水力機(jī)械的空化研究側(cè)重在水輪機(jī)、水泵和水中螺旋槳產(chǎn)生的各種空泡形態(tài)進(jìn)行研究[16]。

2 數(shù)學(xué)模型

兩相流法將液體和氣體看成一個(gè)混合物，通過一個(gè)混合密度來表征汽液體積分?jǐn)?shù)的變化，汽液兩相具有相同的速度和壓力，相間無滑移，在全場應(yīng)用控制方程來求解。為了描述汽液相變過程，各種版本的質(zhì)量傳輸方程被提出。

2.1 改進(jìn)質(zhì)量傳輸方程的應(yīng)用（改進(jìn)ZGB模型）

流體的連續(xù)方程為：

流體的動(dòng)量方程為：

式中：μ——?jiǎng)恿︷ば韵禂?shù)；

λ——膨脹黏性系數(shù)。

為了求解空化流，汽相的連續(xù)方程被引入：

式中：Re——水蒸氣生成率；

Rc——水蒸氣凝結(jié)率；

Re-Rc——相變引起的質(zhì)量輸運(yùn)。

質(zhì)量傳輸方程的使用基于如下假定：

（1）氣液混合流體為均質(zhì)平衡流，把整個(gè)流場看作一個(gè)密度可變的多組分單一流體，只需要一組動(dòng)量方程即可描述[6]。

（2）氣相與液相達(dá)到動(dòng)力平衡與擴(kuò)散平衡，兩相之間無滑移，擁有相同的壓力、速度。

（3）在全流場內(nèi)求解混合介質(zhì)的雷諾時(shí)均N-S方程和連續(xù)方程。

其中： 為混合流體的密度，ρm=(1 -αv)ρl+ρvαv+ρgαg；ui為混合流體的速度矢量；p為壓力；αv為汽相的體積組分；對(duì)選定的翼型進(jìn)行多次試算，作者對(duì)ZGB模型進(jìn)行了改進(jìn)研究，最終確定Fvap=80，F(xiàn)con=0.01，計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)相比更為接近，見圖4。

對(duì)模型的驗(yàn)證，計(jì)算對(duì)象是NACA0015翼型，它的具體參數(shù)是：弦長C0=0.015m，翼展寬度為0.08m，攻角為8°，在翼型的吸力面四個(gè)不同的位置分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)p1，p2，p3和p4，見圖3。分別對(duì)應(yīng)空化系數(shù)從0.5到3，在不同的工況分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。邊界條件為進(jìn)口速度U∞=8m/s，出口壓力p∞。

圖3 翼型流場結(jié)構(gòu)圖及其測點(diǎn)Figure 3 The flow field structure diagram of hydrofoil and its measuring points

無量綱參數(shù)有：空化系數(shù)σ和壓力系數(shù)Cp分別定義如下：

應(yīng)用改進(jìn)模型對(duì)NACA0015翼型進(jìn)行了計(jì)算比較驗(yàn)證，對(duì)NACA0015翼型在空化系數(shù)σ=1.5工況下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)ZGB模型計(jì)算的壓力系數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果更為接近，見圖4。這是由于改進(jìn)ZGB模型提高了空化時(shí)的質(zhì)量傳輸率。

圖4 改進(jìn)ZGB模型和ZGB模型以及試驗(yàn)測試壓力系數(shù)比較Figure 4 Comparison of improved ZGB model and ZGB model and test pressure coefficient

2.2 考慮可壓縮效應(yīng)和空化特征的水泵水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

試驗(yàn)所用的模型水泵水輪機(jī)是按某抽水蓄能電站原型水泵水輪機(jī)等比例縮小的模型?？赡媸剿盟啓C(jī)為單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)，其比轉(zhuǎn)速ns為284.94（m·kW），如圖5所示。水泵水輪機(jī)模型幾何參數(shù)如表2所示?；炝魇剿盟啓C(jī)全流道包括五個(gè)部分：蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管。

表2 水泵水輪機(jī)模型基本幾何參數(shù)表Table 2 The basic parameter of pumped turbine

圖5 水泵水輪機(jī)全流道計(jì)算域Figure 5 The full passage of pump turbine

水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域的幾何形狀復(fù)雜且不規(guī)則，其中轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格采用ANSYS-TurboGrid軟件劃分，其余通流部件流道網(wǎng)格劃分采用ANSYS-ICEMCFD軟件劃分。全計(jì)算域均采用六面體網(wǎng)格劃分，并且對(duì)邊界層進(jìn)行局部加密和平滑過渡，以便更好地解析邊界層的流動(dòng)特征，如圖6所示。全流道網(wǎng)格單元總數(shù)為764萬個(gè)，蝸殼為49萬個(gè)，固定導(dǎo)葉為239萬個(gè)，活動(dòng)導(dǎo)葉135萬個(gè)，轉(zhuǎn)輪為158萬個(gè)和尾水管為182萬個(gè)。

圖6 部分流道網(wǎng)格劃分圖Figure 6 The mesh of full passage of pump turbine

水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪空化計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。利用計(jì)算模型對(duì)水泵水輪機(jī)進(jìn)行了空化計(jì)算，計(jì)算工況為某機(jī)組最高揚(yáng)程工況，空化初生發(fā)生在單個(gè)葉片進(jìn)口的吸力面，空化發(fā)展時(shí)多個(gè)葉片上出現(xiàn)空泡。

圖7 空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)計(jì)算結(jié)果Figure 7 The CFD result of of cavitation incipient and developing

對(duì)于高水頭（一般大于400m）水頭水泵水輪機(jī)，水體表現(xiàn)出一定的弱可壓縮性，最近的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該水體可壓縮性不可忽略，如何建立狀態(tài)方程和壓力波在水的可壓縮狀態(tài)下的傳播規(guī)律，實(shí)現(xiàn)考慮水體可壓縮效應(yīng)精確地模擬水泵水輪機(jī)中的壓力脈動(dòng)。

如圖8所示，對(duì)于水泵水輪機(jī)而言，動(dòng)靜干涉誘發(fā)的激振頻率大約在50～200Hz，對(duì)應(yīng)的波長大約5～30m。因此，水中的聲波波長基本上和真機(jī)的尺度相似。在這種情況下，可能會(huì)發(fā)生聲共振，聲效應(yīng)會(huì)放大壓力脈動(dòng)，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的高振幅振動(dòng)。這種聲效應(yīng)可以通過水的可壓縮性表征出來，因此壓力脈動(dòng)的傳播規(guī)律在真機(jī)尺度和可壓縮效應(yīng)中表現(xiàn)出不同于模型機(jī)組和不可壓縮流體的特點(diǎn)。

空化計(jì)算和可壓縮效應(yīng)均是液體的密度發(fā)生變化。其區(qū)別是空化是作為混合介質(zhì)，通過水的汽化，改變混合物的密度。可壓縮效應(yīng)是引入壓力波的傳播效應(yīng)，改變水的密度。

水的狀態(tài)方程被引入流動(dòng)計(jì)算中：

式中：ρ——水的密度；

ρ0——水的參考密度，1000kg/m3；

p0——水的參考?jí)毫Γ?01325Pa；

a——聲速；

K——水的體積彈性模量，通常情況下為常數(shù)，K=2×109Pa。

考慮水的可壓縮性，將水的連續(xù)方程和動(dòng)量方程中的密度應(yīng)用式（6）進(jìn)行修正，則方程變?yōu)椋?/p>

利用可壓縮模型對(duì)水泵水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，選取設(shè)計(jì)水頭作為計(jì)算條件。

根據(jù)水泵水輪機(jī)工作特性，將水輪機(jī)工況下蝸殼入口作為全流道計(jì)算域的進(jìn)口邊界，定義為壓力進(jìn)口。尾水管出口作為全流道計(jì)算域的出口邊界，定義為開放式壓力出口，出口相對(duì)靜壓為0。蝸殼進(jìn)口邊界條件的水頭與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選取。在交界面的處理上，采用GGI方式進(jìn)行連接。定常計(jì)算時(shí)，交界面類型為靜靜交界面采用none類型，動(dòng)靜交接面采用Frozen Rotor類型。在非定常計(jì)算中，靜靜交界面依然采用None類型，而動(dòng)靜交界面采用Transient Rotor-Stator類型。湍流模型采用剪切應(yīng)力SST模型，SST模型為k-ω模型和k-ε模型的混合優(yōu)化模型，對(duì)于不同的流場域通過混合函數(shù)分別進(jìn)行不同的處理，k-ω模型對(duì)于邊界層中的黏性底層和對(duì)數(shù)律的計(jì)算準(zhǔn)確度較高，而k-ε模型則能更好地適應(yīng)自由剪切層流動(dòng)，SST模型可以精確的預(yù)測流動(dòng)的開始和負(fù)壓力梯度下的流動(dòng)分離，因而在此次數(shù)值模擬中采用SST模型進(jìn)行求解。

為了更深入分析無葉區(qū)內(nèi)部流場變化特性與其壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系，探究無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的作用機(jī)制、傳播模式以及相位分布，對(duì)水泵水輪機(jī)全流道進(jìn)行了壓力監(jiān)測點(diǎn)布置，監(jiān)測點(diǎn)的布測位置如圖9所示。在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)沿周向布置了36個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，其圓周間距恒定為10°，其余的測點(diǎn)沿流道分別布置在蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管內(nèi)。

圖9 壓力監(jiān)測點(diǎn)布置圖Figure 9 The layout of pressure fluctuation monitoring points

為了更好地闡明水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)與其流動(dòng)結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系，定義了相對(duì)壓力脈動(dòng)幅值ΔH/H與壓力系數(shù)Cp兩個(gè)無量綱系數(shù)作為量化水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度的參量，其定義如式（10）與式（11）所示。

式中：ΔH——壓力脈動(dòng)峰值，m；

Cp——無量綱壓力脈動(dòng)系數(shù)，%；

Pi——i點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的壓力，Pa；

——時(shí)間平均的壓力；

H——水頭，m；

Pimax，Pimin——i點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的壓力最大值與最小值，Pa。

通過考慮可壓縮效應(yīng)對(duì)壓力脈動(dòng)的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，可壓縮狀態(tài)與不可壓縮相比，如圖10所示。水泵水輪機(jī)全域從蝸殼到尾水管所有的監(jiān)測點(diǎn)，壓力脈動(dòng)幅值均出現(xiàn)了不同程度的增長。特別是在蝸殼區(qū)域、固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪域壓力脈動(dòng)幅值增加了2～5倍。在考慮可壓縮狀態(tài)下，壓力脈動(dòng)幅值有了質(zhì)的飛越。這一幅值增加現(xiàn)象在機(jī)組研究過程中需要充分考慮這一現(xiàn)象。對(duì)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖進(jìn)行FFT變換，可以發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)的主頻是9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率。其中，活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)是9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率幅值最強(qiáng)的區(qū)域。該區(qū)域的壓力脈動(dòng)向上游的活動(dòng)導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉和蝸殼區(qū)傳播，傳播過程中略有衰減。同時(shí)，該壓力脈動(dòng)也向下游的轉(zhuǎn)輪和尾水管傳播，并且傳播過程衰減很快，在尾水管區(qū)域接近消失。

對(duì)于9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率，這兩個(gè)頻率和葉片數(shù)以及相差密切相關(guān)，通過可壓縮效應(yīng)在向上游傳播的過程中被放大，向下游傳播過程中衰減很快，這一傳播現(xiàn)象說明壓力波在傳播過程中發(fā)生了波的疊加。

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動(dòng)計(jì)算比較（一）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動(dòng)計(jì)算比較（二）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動(dòng)計(jì)算比較（三）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

3 空化試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型試驗(yàn)是對(duì)轉(zhuǎn)輪空化性能最好的驗(yàn)證方式。試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速恒定，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。在水泵運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線上選取特征工況點(diǎn)進(jìn)行水泵臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)試驗(yàn)。臨界空化系數(shù)σc值采用效率降低0.5%時(shí)的空化系數(shù)。對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行30min的抽氣運(yùn)行后開始空化試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中檢測水中空氣含量。在小于最優(yōu)流量的運(yùn)行區(qū)域，初生空化系數(shù)定義為隨吸出高度的減小，即尾水管內(nèi)真空度的增加，在轉(zhuǎn)輪3個(gè)葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)。在大于最優(yōu)流量的運(yùn)行區(qū)域，采用視覺觀察與噪聲法相結(jié)合確定初生空化系數(shù)。

選取圖2中的工況點(diǎn)B進(jìn)行空化觀測，空化觀測結(jié)果如圖11所示。三種狀態(tài)下，轉(zhuǎn)輪上的空泡逐漸增加，以致充斥流道，造成效率下降。

圖11 水泵工況在工況點(diǎn)B空化圖像Figure 11 Cavitation image of pump at working condition point B

4 變速水泵水輪機(jī)的運(yùn)行方式研究

變速水泵水輪機(jī)在解決空化問題后，機(jī)組的運(yùn)行范圍得到拓寬。

4.1 水輪機(jī)工況的變速調(diào)節(jié)

圖12為某變轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況模型綜合曲線，從轉(zhuǎn)速的改變可以明顯看到最低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域的改變。該水泵水輪機(jī)采用低轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍擴(kuò)大到40%～100%額定負(fù)荷時(shí)，加權(quán)平均效率比恒轉(zhuǎn)速機(jī)組（運(yùn)行范圍50%～100%額定負(fù)荷）高1%左右，部分負(fù)荷區(qū)域高得更多。

水輪機(jī)工況的運(yùn)行策略如下：以最低轉(zhuǎn)速作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，可保證空載穩(wěn)定性，并可加快起機(jī)速度。而后一直在最低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，當(dāng)要求進(jìn)行輸出功率調(diào)整時(shí)，則首先以導(dǎo)葉調(diào)節(jié)為主進(jìn)行，如果還達(dá)不到調(diào)節(jié)容量要求，再進(jìn)行變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。而這一調(diào)節(jié)前必須設(shè)定好穩(wěn)定運(yùn)行范圍。當(dāng)然，若要求的調(diào)節(jié)容量不大，并且需要響應(yīng)速度很快，優(yōu)先采用變速調(diào)節(jié)也是可以的。

4.2 水泵工況的變速調(diào)節(jié)

變速水泵水輪機(jī)的主要目的已不是為了解決電站揚(yáng)程/水頭變幅過大的問題，而是利用水泵工況下輸入功率可調(diào)而能進(jìn)行自動(dòng)頻率控制，也就是說不會(huì)采用在高揚(yáng)程用高轉(zhuǎn)速、在低揚(yáng)程用低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行策略，來減小泵工況的運(yùn)行范圍從而追求高效和穩(wěn)定性能。而是在每個(gè)揚(yáng)程下，通過轉(zhuǎn)速的改變實(shí)現(xiàn)輸入功率的改變，實(shí)現(xiàn)水泵調(diào)節(jié)容量越大越好。

圖12 水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)速變化引起的運(yùn)行范圍變化Figure 12 Variation of operating range caused by variation of rotating speed in working condition of hydraulic turbine

恒速水泵水輪機(jī)水泵工況是按協(xié)聯(lián)線運(yùn)行，不能通過開關(guān)導(dǎo)葉進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。而變速水泵水輪機(jī)也是按協(xié)聯(lián)線運(yùn)行的，也不能通過開關(guān)導(dǎo)葉進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，而只能通過變轉(zhuǎn)速改變輸入功率。這一改變從泵的流量揚(yáng)程曲線上看，實(shí)際上也是泵的運(yùn)行范圍發(fā)生了改變。如圖2所示，有定速時(shí)沿某一開度的一條運(yùn)行線變成了變速下的一條帶，而泵的運(yùn)行范圍在小流量高揚(yáng)程受限于葉片背面空化、壓力脈動(dòng)、駝峰余量和最小流量要求；在大流量低揚(yáng)程受限于葉片工作面空化、壓力脈動(dòng)和最大輸入功率要求。

對(duì)于變速水泵水輪機(jī)水力開發(fā)來說，努力的方向就是進(jìn)一步提高水泵工況的空化性能、減小壓力脈動(dòng)、提高駝峰余量，盡可能加大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，從而加大水泵的可變速范圍。

5 結(jié)束語

截至2019年底，中國抽水蓄能電站在運(yùn)裝機(jī)容量已經(jīng)突破3000萬kW，在建抽水蓄能電站裝機(jī)容量約4321萬kW，在運(yùn)、在建裝機(jī)容量均穩(wěn)居世界第一位[17]。未來變速抽水蓄能機(jī)組在中國也會(huì)得到有利的發(fā)展，從目前的技術(shù)發(fā)展來看，還需要不斷的研發(fā)投入，不斷研發(fā)抽水蓄能新技術(shù)，服務(wù)于抽水蓄能的快速發(fā)展，確保中國抽蓄行穩(wěn)致遠(yuǎn)。