洪屏抽蓄电站水泵水轮机选型设计概述

王康生

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安 330603）

洪屏抽蓄电站水泵水轮机选型设计概述

王康生

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安 330603）

根据洪屏抽水蓄能电站设计参数的要求确定水泵水轮机设计比转速，采用CFD数值计算软件对水泵水轮机进行水力开发，并在福伊特海登海姆模型试验台进行了水力模型试验，通过两种试验结果对比分析，所开发的水泵水轮机各项水力性能能满足合同要求，并对水泵水轮机四象限特性曲线反“S”区特性进行了简单分析。

比转速；CFD；模型试验；“S”区

0 引言

江西洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县三爪仑乡境内，距靖安县、南昌、九江、武汉的直线距离分别为40、65、100km和190km。电站上水库位于三爪仑乡塘里村的洪屏自然村，下水库位于潦河支流北河中上游。电站安装4台单机容量300MW的立轴单级可逆混流式水泵水轮机组，总装机容量1200MW。电站以500kV电压等级出线接入华中电网，在系统中担任调峰、填谷、调频、调相作用和紧急事故备用等任务。

江西洪屏抽水蓄能电站水力开发主要目标参数：最大毛水头/扬程570m，最小毛水头/扬程535m，水轮机额定水头540m，额定转速500r/min，水轮机额定出力306MW。

1 研究方法

水泵水轮机选型设计与常规水轮机相同，在水泵工况和水轮机工况下，对转轮、双列叶栅、蜗壳和尾水管的水力性能设计，并以水泵工况的水力性能优化为设计出发点。

现代转轮优化设计方法首先将转轮叶片几何参数化，通过改变相关的变量参数，生成不同的转轮叶片，然后对其进行CFD数值分析，最后采用模拟退火法、遗传算法、蚂蚁算法、粒子群算法等现代智能优化算法进行寻优[1、2]。通过以上方法可以分析水泵水轮机各通流部件内部的流动情况，预估水泵水轮机水力性能。

2 CFD数值计算

2.1 比转速的选择

水泵水轮机比转速是衡量机组水力性能的重要参数，其计算公式是在相似定律的条件下推导得出的，符合水泵水轮机的相似准则，即几何相似和运动相似。其值由式（1）确定

式中：n——水泵水轮机额定转速；

Q——水泵水轮机设计点（最优点）流量；

H——水泵水轮机设计点（最优点）扬程。

根据江西洪屏抽水蓄能电站招标文件中规定的目标参数和要求，选择水泵水轮机设计比转速为35.15（m/s2）3/4，此比转速在同类型电站中算是比较大的。

2.2 几何参数选择

比转速相近的同种类型的水泵水轮机符合几何相似和运动相似的准则，转轮的几何参数直接影响水泵水轮机特性。根据设计点比转速选择通流部件几何参数，原型机与模型机的比例因子为7.65986。模型和原型水泵水轮机的主要参数见表1。

表1 洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数Tab.1 The main Pump-turbine parameters of Hongping Pumped Storage Power Station

2.3 CFD数值模拟计算结果

目前，采用CFD数值计算软件对水泵水轮机的水力性能开发，对流道的计算有两种方法，一种是采用全流道，即蜗壳、双列叶栅、转轮、尾水管进行计算，此方法对计算机性能要求高；一种是考虑旋转机械的周期性，转轮的数值计算以单周期叶片为计算域，其能减少计算人员的工作量。而此计算为全流道计算，图1为尾水管三维建模，图2为水泵水轮机的四象限特性曲线。

图1 尾水管三维建模Fig.1 The three-dimensional modeling of tail pipe

图2 水泵水轮机的四象限特性曲线Fig.2 The four quadrant characteristic curve of Pumpturbine

3 水力模型试验

本次模型试验在德国海登海姆福伊特水电公司水力试验室的通用型高水头2号试验台（UHD2）上进行，海登海姆试验台的精度不大于±0.25%。验收试验主要依据为《江西洪屏抽水蓄能电站机组及其附属设备采购合同》（以下简称合同）和IEC 60193—1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》。

3.1 水泵零流量扬程试验

在水头680.26m进行了水泵零流量扬程试验，水泵最大入力为57.26MW，试验结果见表2。

表2 水泵零流量扬程试验结果Tab.2 The results of the pump zero flow lift test

3.2 水泵效率试验

在水泵工况下模型的最优效率、加权平均效率详见表3，不同水头水泵工况下的水泵水轮机效率值详见图3。

表3 水泵工况效率Tab.3 The efficiency of pump condition

图3 水泵工况下的效率值Fig.3 The efficiency of pump condition

由表3、图3可知，洪屏电站水泵水轮机各效率验收值与初步试验相符且满足合同要求。

3.3 水泵空化试验

水泵空化与水轮机相同，低压和头部脱流是引起水轮机空化的主要原因，小流量工况水泵空化主要由低压和叶片头部吸力面脱流引起；最优工况附近运行条件较优，不存在叶片头部脱流；大流量工况水泵空化主要由叶片头部压力面脱流引起[4]。本次试验为在扬程580、555m和540m下对初生空化现象进行观察并确定了初生空化系数，试验结果见图4。

从水泵工况空化试验验收结果来看，在运行区，初生空化系数和临界空化系数都远远小于电站装置空化系数，满足合同要求。

图4 水泵工况空化系数验收结果Fig.4 The cavitation coefficient results in pump contidion

3.4 水泵驼峰裕度试验

合同规定当两台机运行在最大扬程，频率在49.8Hz下的水泵运行外包络线驼峰裕量为3.1%，本次验收试验与此相对应的驼峰裕量计算值为3.90%。

本次验收试验计算值为：一台机在50Hz下的最大扬程点对应的导叶开度（16°）的H-Q曲线驼峰裕量为2.68%；一台机在49.8Hz 下的最大扬程点对应的导叶开度（16°）的H-Q曲线驼峰裕量为1.90%，厂家福伊特根据已建工程的经验认为有足够的安全裕量，能确保机组稳定运行，图5给出了真机水泵驼峰裕量在不同给定条件下的数值。

图5 水泵驼峰曲线Fig.5 The Pump hump curve

3.5 压力脉动试验

压力脉动验收试验共采用4个压力脉动测点，分别是尾水管管壁、导叶与转轮之间、顶盖与转轮之间、蜗壳进口。表4列出了在电站空化条件下，最小水头520m、额定水头540m和最大水头565m的水轮机工况压力脉动和对6个效率加权点及10个16°导叶开度下水泵工况的模型压力脉动验收试验结果。

从表4中可以看出，洪屏电站水泵水轮机在水泵工况的压力脉动幅值与初步试验结果一致且满足合同要求。

3.6 水轮机能量试验

水泵水轮机在满足抽水蓄能运行的同时还要兼顾发电，水轮机能量试验的目的就是为了校核水轮机工况机组的发电能力。

表4 水泵工况压力脉动试验Tab.4 The pressure pulsation test of pump condition

模型水轮机最优工况：n11=76.08r/min，Q11=0.155m3/s，ηmax=94.22。

模型水轮机额定工况：n11=84.34r/min，Q11=0.173m3/s，ηmax=93.30，P=306MW。

水泵水轮机在发电工况运行时具有较高的效率水平和较好的能量性能。

4 四象限“S”区

我国已投入运行的抽水蓄能电站出现了较多的水轮机工况低水头启动并网困难问题，如天荒坪电站、蒲石河电站等。这些电站通过布置小导叶，实现导叶非同步开启，解决了水轮机低水头启动问题。而对于引进的日本机组似乎并不存在此类问题，如西龙池电站（7 叶片转轮，东芝、日立、三菱合作生产）、回龙电站（9 叶片转轮，日立、哈电合作生产）。其模型水泵水轮机全特性不存在水轮机“S”区，同样，采用CFD数值模拟软件对洪屏电站的水泵水轮机进行了水力开发，使水泵水轮机避免了在低水头启动问题。

图6给出了洪屏电站水泵水轮机在“S”特性区域附近的详细结果。模型试验结果表明在机组正常运行范围内包括正常频率变化范围内在有关的等导叶开度线上（从4°、5°一直到6.2°）没有正斜率出现。机组在50Hz同步并网时最大导叶开度为4.5°，在50.2Hz同步并网时最大导叶开度为4.7°。因此模型试验显示“S”特性稳定性的界限在Dj=6.2°。安全裕量在50.2Hz和50Hz时分别是32.4m和36.8m。“S”型特性的模型验收试验结果满足合同规定的正常运行范围内。

图6 S特性区域附近曲线Fig.6 The curve near the area of S characteristic

5 结束语

抽水蓄能机组可以双向运行，能够较大程度地提高电力系统的供电质量。近年来通过国家的支持，通过技术引进，合作设计、合作生产我国的发电设备企业已经掌握了抽水蓄能机组的设计开发方法，并在不断探索中形成了自己对抽水蓄能技术的认知体系，能够独立开发出适合电站要求的、水力性能优良的机组。因此，以目前比较常用的水泵水轮机开发CFD数值计算软件对洪屏抽水蓄能电站的水泵水轮机进行水力开发，并在福伊特海登海姆模型试验台进行了力模型试验，通过两种试验结果对比分析，所开发的水泵水轮机各项水力性能能满足合同要求，从数值计算结果来看，洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机在低水头启动时能避免进入“S”区。

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The Pump-turbine selection design overview of Hongping Pumped Storage Power Station Turbine

WANG Kangsheng
（Jiangxi Hongping Pumped Storage Co.，Ltd.， State Grid Xin Yuan Company Jingan 330603）

The specific speed was determined in accordance with the pump-turbine design parameters of Hongping pumped storage power station，the contest to results between CFD numerical simulation software for pump-turbine hydraulic research and Hydraulic model test was maded the UHD.The performance of the pump-turbine hydraulic development to meet the contract requirements，and according to the results have a simple feature analysis of the pump-turbine characteristic curve anti-quadrant “S” zone.

specific speed；CFD ；model test；“S” zone

TV72 文献标识码：A 学科代码：570.25 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.016

2016-08-03

王康生（1987—），男，硕士研究生，工程师，研究方向为水力机械。E-mail：wangks2009@126.com