混流可逆式水泵水轮机“S”形特性研究

李金伟，陈　柳，于纪幸，胡清娟（.中国水利水电科学研究院，北京 00048；.河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡 453003）

混流可逆式水泵水轮机“S”形特性研究

李金伟1，陈柳1，于纪幸1，胡清娟2
（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡 453003）

摘要：以宝泉抽水蓄能电站机组为对象，从模型试验、现场试验以及CFD计算三个方面对水泵水轮机的“S”形特性进行了研究，着重讨论了模型与原型之间的相似性、“S”形特性对真机运行的影响以及“S”形特性的水力机理等问题。

关键词：抽水蓄能电站；模型试验；现场试验；CFD计算；“S”形特性

0　引言

抽水蓄能电站在电网中承担调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务，机组要求启动频繁、运行灵活，其安全、稳定运行至关重要。水泵水轮机模型试验四象限特性曲线显示，在水轮机、水轮机制动以及反水泵工况之间存在一个明显的“S”区，即在此区域同一个单位转速对应不同的单位流量，单位转速与单位流量的关系曲线呈现出反“S”形，如图1所示。

图1　混流可逆式水泵水轮机四象限特性曲线

在水轮机工况空载启动时，机组如进入“S”区，将导致转速来回波动和无法并网，机组部件的振动及大轴摆度将随之加剧。这种现象在我国已建成投产的天荒坪、张河湾、宝泉、黑麋峰等抽水蓄能电站均已出现。

模型试验、现场试验以及CFD计算是开展“S”形特性研究的三种主要方法。目前，“S”形特性的研究主要集中在模型试验方面，模型试验对于机组的设计、优化是必不可少的。随着人们对机组稳定性关注度的提高，在模型水泵水轮机验收试验中，其“S”形特性和内部压力脉动均是重点考察对象，它们是关系到机组稳定性最基本也是最重要的因素之一[1-8]。众所周知，模型试验是在几何相似、运动相似以及动力相似条件下进行的，由于比尺效应的影响，模型试验结果并不能完全真实地反映原型机组的实际运行状况。以本文的研究对象-宝泉抽水蓄能电站机组为例，2005年9月水泵水轮机的模型验收试验在法国Grenoble的ALSTOM试验室完成，试验结果全面反映出机组具有良好的综合性能，清晰显示出水头高于设计值510m时模型机组不存在“S”形特性。然而，投入实际运行、水头低于530m时原型机组仍然出现比较明显的“S”形特性。这就是模型试验与实际运行之间的差异，充分说明模型与原型之间的相似规律仍需要进一步深入研究。

抽水蓄能机组安装完成进入调试阶段后，都会进行常规试验，这其中就包括机组空载运行并网试验，这是检验真机是否存在明显的“S”形特性最直接、最有效的方式。

随着计算机技术和湍流模型的高速发展，作为研究的另一种重要手段-CFD计算的作用越来越显著。目前，国内外学者对混流可逆式水泵水轮机“S”形特性已经开展了大量的CFD计算研究，取得了一定的成果。

本文将从我们完成的一个科研项目入手，从上述三个方面阐述“S”形特性的研究过程和研究成果。

1　“S”形特性的模型试验

图2为宝泉抽水蓄能电站机组的四象限特性曲线，机组飞逸（空载）工况下导叶开度与单位转速的关系曲线如图3所示，机组的基本参数见表1。

图2　宝泉抽水蓄能电站机组的四象限特性曲线

图3　机组飞逸（空载）工况下导叶开度与单位转速的关系曲线

表1　机组基本参数

由图2、图3、表1可知：机组的运行水头范围为494.0～570.4m，对应的n11（单位转速）和a（导叶开度）分别为43.192～40.196 r/min、7.183～3.592°。额定水头510m对应的n11和a分别为42.510 r/min、6.244°。

将图2进行放大可以看出：导叶开度6.244°对应的飞逸工况已越过即将进入水轮机制动的临界状态，处于稳定工况，当机组运行水头高于额定水头时，从模型试验结果推断机组可以采用导叶全同步开启方式并网，但考虑到模型机组和原型机组结构与水流状况的偏差，设备制造商还是制定了导叶非同步开启（也称导叶预开启）方案，作为真机运行的备用程序。

2　“S”形特性的现场试验

为了掌握真机水轮机工况空载启动时的“S”形特性，业主委托我们对1号机组空载启动时的运行状态进行现场试验。

试验工况为：上库水位760.26m，下库水位242.12m，毛水头518.14m，净水头/工作水头518.04m（空载运行时的水头损失约为0.1m）。

试验内容如下：

（1）导叶全同步开启方式下的机组变转速试验；

（2）导叶非同步开启（8、9、18、19号导叶预开启，其余16个导叶同步开启）方式下的机组变转速试验。

机组测试参数如下：

（1）振动：上机架+X、+Y方向与下机架+X、+Y、+Z方向各布置1个测点，共计5个；

（2）摆度：上导、下导以及水导的+X、+Y方向各布置1个测点，共计6个；

（3）压力脉动：蜗壳进口、活动导叶后（无叶区）、上迷宫环进口、尾水锥管上游各布置1个测点，简称P1、P2、P3、P4测点。

图4显示了导叶全同步开启方式下机组空载运行时的转速波动情况，转速最小值为490.8 r/min，最大值为504.1 r/min，转速波动范围超出了并网要求的495～505 r/min，机组无法成功并网。

图4　导叶全同步开启方式下机组空载运行时的转速波动

下页图5显示了导叶非同步开启方式下机组空载运行时的转速波动情况，转速最小值为497.9 r/min，最大值为502.4 r/min，转速波动范围满足并网要求，机组能够成功并网。

图5　导叶非同步开启方式下机组空载运行时的转速波动

表2　振动峰峰值　单位：μm

表3　摆度峰峰值　单位：μm

表4　压力脉动相对幅值Pr单位：%

由表2～表4可以得出：采用导叶非同步开启方式虽然可以使机组顺利并网，但同时会导致活动导叶出流和转轮入流的不均衡，并由此造成机架振动、三导摆度以及压力脉动的幅值，较导叶全同步开启时大。

3　“S”形特性的CFD计算

模型试验可以得到机组的外特性曲线，现场试验可以得到机组真实的运行状态，但这两种方法均无法得到机组内部的流态，无法阐述“S”形特性形成的水力机理。随着计算机技术和湍流模型的快速发展，对“S”形特性进行CFD计算已经实现，可以通过分析机组内部流态的演变规律来研究“S”形特性。

“S”形特性的CFD计算区域为整个全流道，包括蜗壳、导水部件、转轮以及尾水管，如图6所示。

由于计算区域的边界比较复杂，因此采用适应性很强的非结构化四面体网格对其进行划分，整个计算区域的网格单元总数约550万，各过流部件的网格单元数如表5所示。

采用有限体积法对控制方程进行离散，变量存储在控制体中心；压力项采用二阶中心差分格式，对流项、湍动能项以及湍动能耗散项均采用高阶迎风差分格式进行离散；采用SST k-ω湍流模型对离散方程组进行封闭，对整个方程组进行全耦合求解，计算软件为CFX-12.0，计算采用并行模式。

进口边界条件：采用流量进口边界条件。水轮机、飞逸以及水轮机制动工况下在蜗壳进口处给定流量，反水泵工况下在尾水管出口处给定流量（流动方向相反）。

出口边界条件：采用压力出口边界条件。水轮机、飞逸以及水轮机制动工况下在尾水管出口处给定相对平均静压，反水泵工况下在蜗壳进口处给定相对平均静压（流动方向相反），湍动能和湍动能耗散率等参数根据第二类边界条件给定。

壁面边界条件：固壁面采用无滑移边界条件，近壁区采用标准壁面函数。

为了验证、优化计算方法，选定模型试验结果中6°、21°、24°开度的“S”形曲线上的29个工况点进行三维定常湍流计算。试验结果与计算结果如下页图7所示，3个导叶开度下“S”形曲线的计算值与试验值的相对误差均在±6%之内，表明本文的计算方法是合理、可行的，表明通过CFD计算能够反映出“S”形特性的基本特征。

众所周知，可逆式机组往往在低水头水轮机工况下出现“S”形特性，随着水头的升高，这种特性将得到改善并消除，那么它与水头之间存在怎样的关系？因此，针对6个导叶开度的飞逸工况下蜗壳、导水部件以及转轮内的流态进行分析，各导叶开度下飞逸工况对应的参数如表6所示。

图6　CFD计算区域

表5　各过流部件的网格单元数

图7　“S”形曲线的试验值与计算值

表6　6个导叶开度下飞逸工况的参数

图8　6个开度飞逸工况下蜗壳、导水部件以及转轮的中心面的流线分布

由图8可以看出：

（1）开度不断增大即水头不断降低，活动导叶与转轮的间隙不断减小，两者间的动静干涉不断增强，表现为两者间的水环厚度与活动导叶上下游的压力梯度不断减小，这是导致转轮惯性力（离心力）对流动的影响向上游扩散的原因。机组内部流动的对称性不断恶化，开度为13°时，导水部件的流道间开始出现涡流，开度进一步增大，蜗壳内也开始出现涡流。

（2）转轮进口存在比较严重的脱流，这些脱流在部分流道内逐渐发展成面积较大的环流，造成流道拥塞。原本流入这些流道的水流被迫流向其他流道，引起流量的重新分配，进而导致转轮的转动矩、转速的波动以及运行的不稳定。这点可根据活动导叶流道内的流态变化得到进一步地解释，当活动导叶部分流道内出现涡流时，流道间的流量同样会重新分配，由此将导致活动导叶所受水力矩产生波动，进而引起导叶开度出现波动，加剧转速的波动。目前，有些学者将流道拥塞造成转轮的转动矩与转速波动的现象称为“旋转失速”。

4　“S”形特性的讨论与建议

从模型水泵水轮机的四象限特性曲线来看：导叶开度线与飞逸曲线的交点处的切线斜率为负时，机组处于稳定状态；斜率为正时，机组出现明显的“S”形特性。因此，斜率即将为正的工况点即为“S”形特性的临界工况点，如图9所示。

图9　“S”区临界工况的确定

目前，国内新建电站在进行水泵水轮机的模型试验时，不仅要保证机组在空载启动时不进入“S”区，而且要保证“S”区的临界工况点对应水头与正常运行范围的最低水头之间保留足够的裕度，以保证真机运行时不会进入“S”区。

根据近年来抽水蓄能电站水泵水轮机的模型试验结果来看，从水力设计上直接将“S”区排除在正常运行水头范围以外是可以达到的，并且国内的设计水平也逐渐可以满足这一要求。根据国内蓄能电站机组的模型试验结果和原型机组运行情况以及近期相关水电设备供货商的水力设计成果，在考虑正常电网频率变化范围下的“S”区水头安全裕度为20～40m，或相对水轮机最低运行水头不小于8%的水头裕量。目前，国内机组设计考虑到模型和原型之间的相似偏差，并可能考虑到水轮机异常低水头空载排水等因素，水头安全裕度有逐渐增大的趋势。但由于水泵水轮机各水力性能之间的相互关系和制约，水力设计还应进行综合考虑，在保证足够的“S”区水头安全裕度的基础上，平衡机组的能量特性、空化特性，特别是运行稳定性。

5　结论

“S”形特性是混流可逆式机组的固有特性，是影响机组运行稳定性的重要因素。目前，判明一台机组在运行水头范围内是否存在“S”形特性主要依靠模型试验，但由于模型机组与真机之间的比尺效应，“S”形特性的模型试验结果无法反映真机的实际运行状况，它们之间相差一个“水头安全裕量”，该裕量的取值目前尚无定论，在设计阶段还需综合考虑机组的能量特性和空化特性。

目前，国内绝大多数投产运行的混流可逆式机组在运行水头范围内均存在比较明显的“S”形特性，解决并网问题均是采用导叶非同步开启方式。根据本文的现场试验分析，这种方式带来的典型负作用是造成机组部件的振动、大轴摆度以及内部压力脉动的加剧，影响机组的安全稳定运行，这是由于导叶非同步开启造成活动导叶出流和转轮入流不均衡引起的。因此，保障混流可逆式机组水轮机工况安全启动的最好办法就是通过优化设计将“S”形特性排除在运行水头范围之外。

迄今，“S”形特性的水力机理尚无明确的阐述。本文采用CFD计算方法对宝泉抽水蓄能电站机组内部的流动进行了数值模拟，着重分析了不同水头飞逸工况下的机组内部流态，得出水环厚度（上游水冲击力与离心力共同作用的结果）和转轮进口脱流造成的流道拥塞是影响“S”形特性的关键因素。

参考文献：

[1]李志远,何万成,陆军,等.白山抽水蓄能水泵水轮机模型验收复核试验[J].水力发电,2003(11):37-40.

[2]乔中军,王文先.回龙抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验[J].人民黄河,2004,26(6):37-39.

[3]胡忠启,汤一波,孟晓超,等.桐柏抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收及主要水力性能分析[C].//第十六次中国水电设备学术讨论会论文集.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社, 2007:402-412.

[4]吕田,贺涌,徐洪泉,等.西龙池电站水泵水轮机模型验收试验及性能分析[C].//第十六次中国水电设备学术讨论会论文集.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,2007:393-401.

[5]王胜军,胡清娟.宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验[J].水力发电,2008,34(10):59-62.

[6]郑建兴,张俊芝,曾再祥,等.黑麋峰水电站水泵水轮机模型验收试验及主要性能分析[C].//第十七次中国水电设备学术讨论会论文集.杭州:中国水利水电出版社,2009:355-361.

[7]王国玉,秦卫潮,于纪幸.响水涧抽水蓄能电站水泵水轮机初步模型验收试验及主要水力性能分析[C].//第二届水力发电技术国际会议论文集.北京:中国电力出版社,2009: 1282-1290.

[8]黎辉,赵英男,许建新.响水涧抽水蓄能机组水泵水轮机模型试验结果分析 [OC].中国抽水蓄能网,2010,http: //www.psp.org.cn:8080.

中图分类号：TV136

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）02-0020-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.006

收稿日期：2014-09-17

作者简介：李金伟（1981-），男，高级工程师，从事水轮发电机组的稳定性研究工作。