长短叶片转轮在清远抽水蓄能电站的应用

陈泓宇

（中国南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853）

长短叶片转轮在清远抽水蓄能电站的应用

陈泓宇

（中国南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853）

介绍了长短叶片转轮的发展应用情况和长短叶片转轮设计理念与功能，结合清蓄1号机组调试分析、总结长短叶片转轮的特点及其应用情况，为后续机组顺利调试及多机甩负荷提供了数据参考，同时长短叶片首次在国内大型抽水蓄能电站成功应用，将对我国蓄能电站事业产生积极影响。

清远电站；长短叶片；特点；应用

1 前言

广东清远抽水蓄能电站（以下简称“清蓄”）是一座日调节型纯抽水蓄能电站，机组主要参数见表1。电站主机设备由东芝水电（杭州）有限公司供货，东芝水电推荐采用奥清津第2水泵水轮机转轮和神流川电站类似的最新技术的长短叶片转轮，我们经过比较、论证决定采用水力性能、振动特性都很优秀的圆周方向设置5张长叶片加5张短叶片的长短叶片转轮。本文结合清蓄1号机组调试，分析、总结长短叶片转轮的特点及其应用情况。

表1 清远抽水蓄能电站机组参数表

2 长短叶片转轮的发展应用

（1）云南省罗平县鲁布革水电站的水轮机采用挪威K.B公司设计制造的长短叶片转轮，这在国内是第一次。电站设计水头312 m，额定出力153 MW，额定流量53.5 m3/s，额定转速333.3 r/min，转轮直径3.442 m。自1988年第一台机组投运以来，最高效率达94.6%，证明了长短叶片转轮具有高效率、耐磨蚀的优良性能。

（2）万家寨引黄工程的离心水泵采用长短叶片组合的叶轮，在水流含沙量多年平均达0.94 kg/m3的运行条件下，满足了水泵高扬程、大流量、高效率、抗汽蚀、耐磨蚀的要求。

（3）继鲁布革电站之后国内常规水电站采用长短叶片转轮的还有石板水电站、大盈江电站（东芝水电设计制造的Φ4 000 mm、15+15长短叶片转轮）和福建周宁水电站（带倾角的X形长短叶片转轮），这些电站发电运行以来都表现出了较好的运行稳定性和抗磨蚀性能。

（4）日本安云抽水蓄能电站是世界上首次在高比转速水泵水轮机中应用长短叶转轮，水轮机效率在整个运行范围内得到明显改善，优于同类常规机组约1%～2%，尤其是100%负荷时效率会提高5%；泵工况效率提高值虽然不是很稳定，但至少也在5%之上。而且，长短叶片转轮具有很好的抗气蚀性能，机组在30%出力时仍能稳定运行。

（5）神流川电站则是在净水头653 m、额定出力482 MW的低比转速水泵水轮机采用5+5长短叶片转轮，同时较之常规七叶片转轮，长短叶片转轮进口高度扩大了1.6%，而叶片入口直径减少了3%。明显改善流道的水力性能，具有更优效率和更低的水压脉动，水轮机工况最低净水头、30%输出功率仍可稳定运行，在整个运行范围内泵工况效率和运行也都有相当大的改善。

第一台机2005年12月投入商业运行至今，已完成总装机2，820 MW（470 MW×6），成为世界最大的抽水蓄能电站，获得在福冈举行第七届AICFM的水泵水轮机模型发展奖项。

3 长短叶片转轮设计理念与功能

（1）对于在含沙水流中运行的水力机械 （水轮机、水泵水轮机），在不影响水力效率的前提下，增强叶轮的抗汽蚀、耐磨损性能，达到经济、耐用、安全的运行指标。

1）采用长短叶片组合提高叶片出口部位的导流性能，可以改善流态，避免（或减少）脱流现象，防止涡流的产生，改善汽蚀磨损的性能，尤其在部分负荷和超负荷运行情况下的抗泥沙磨损性能。

2）增加的短叶片使得泵工况出口部位的节距减小一半，加大叶栅稠密度，提高叶片对水流的导流（约束）能力，避免了出口液流偏离叶片的现象。同时，叶片出口部位单位面积上的负载大为减小。

3）良好的抗空蚀能力。混流式水轮机高速水流会产生低压区，容易导致空蚀和二次回流，造成下环进口后面区域处尤易产生空蚀磨损、低效率和水力不稳定等一系列问题，而长短叶片、上冠处相对较小的出口直径及转轮下环侧叶片较短等使叶片正、背面压力差较小，从而有效避免下环至转轮体之间不均衡流态和低压区或转轮空蚀等问题。长短叶片转轮在设计工况范围内空蚀状况良好，在大片区域内空蚀安全裕度大，仅在空载、最大水头最小流量、最小水头最大流量等极端不利运行工况下有一定程度的空腔空蚀和翼型空蚀。

（2）效率高

1）对于高水头的混流式水轮机，在进口处相对的流速一般在10 m/s左右，而出口处的相对流速一般则在40 m/s左右，因为水力的摩擦损失大体上和水流速度的2次方成正比，故在转轮中水力的摩擦损失绝大多数出现在叶片的出水边附近，而长短叶片转轮的这个区域只有长叶的叶片面积是减小了的。所以，水力损失并没有增加，水轮机效率的负面影响也没有增大。

2）根据流线-流面优化导流性能的要求布置短叶片的位置（并非一定在两个长叶片的中间位置），使得转轮出口流速正背面分布均匀，绕流叶片后汇合的水流更平稳、顺畅，转轮整体流态改善，尤其是出口处圆周速度的降低使转轮压力脉动性能改善。

3）长短叶片转轮通过带倾角的出口形状和上冠处相对较小出口直径（由于在泵工况下，叶片出口滑移减小了，与水头-流量特性相适应的叶片直径或者说叶片出口角可以设计得小一点），减小了尾水管压力脉动和叶片间涡流，增大了稳定运行范围和高效率区。

4 清蓄1号机长短叶片转轮的验证

4.1 长短叶片转轮试验

（1）模型试验

1）固定雷诺数ReM下水泵加权平均效率ηhMP= 91.63%＞91.59%（合同保证值，下同），水轮机效率ηhMT=91.74%＞91.7%。

2）正常运行范围转轮与活动导叶间的压力脉动模型试验结果（最大值）3.5%＜保证值5%；正常运行范围转轮上冠与顶盖间压力腔的压力脉动模型试验结果（最大值）4.8%＜保证值5%；正常运行范围尾水管压力脉动模型试验结果（最大值）1.2%＜保证值2%。

3）水轮机工况电站空化系数与初生空化系数之比为1.47～2.65，有较大的裕度；水泵工况电站空化系数与初生空化系数之比为1.36～2.25，同样有较大的裕度，也就是说原型机运行范围内不发生空化。

4）二次流初生限制线至49.0 Hz下最大总扬程的余量4.2%＞合同要求4%。

5）正常运行，无叶区脉动即导叶与转轮之间水压脉动值（ΔH/H%，ΔH为双振幅）4.1%＜保证值5%，尾水管压力脉动1.4%＜保证值2%。

（2）真机试验

1）空载试验：上库水位约591.43 m，比上库正常蓄水位612.50m低21.07m，仅比上库死水位587.00m高4.43m；下库水位129.24m，水头约462.19 m。即在水头约462.19 m左右空载持续运行，转速基本无波动，摆度幅值仅约0.1 Hz，并均能顺利通过自动并网试验。如图1所示，机组自动开机超调量0.17 Hz，启动时间19.8 s，验证了全特性曲线所标示的“无S特性，任何水头均可正常并网”的预期。

图1 空载启动

如表2所示的机组空转工况上、下机架振动及上、下导轴摆均较小，只是受空转工况流场不太稳定的影响，顶盖振动和水导摆度略大（但仍在可以运行范畴）。其余振动值全部落入A区（优良运行区），优于国内抽水蓄能机组的平均先进水平。

表2 空转振摆

（3）120%电气过速试验

在水头为463 m时，机组在手动模式下进行了120%电气过速试验（接力器行程为65%），最高转速升至123%，如图2所示。从现场曲线和解析波形分析，压力和转速上升幅值正常，也没有所谓的“S”特性出现。

图2 120%过速试验

（4）负荷试验

机组先后进行了甩80 MW、160 MW、240 MW和305 MW、317 MW发电负荷试验，甩后数据见表3及图3。从几次甩负荷结果来看，转速上升值均比厂家调保计算低约4%，蜗壳最大水压上升幅值也低约10%，而尾水管最小压力则高12%左右，均能较好的满足控制值要求，也为后续顺利进行双机或多机甩负荷试验提供了判据。所有这些是长短叶片转轮有利于机组稳定性能的强势证明。

表3 甩负荷数据

图3 甩负荷波形图

（5）负载试验

水轮机工况25%、37.5%和50%负载运行测录的机组振摆如表4所示，可以看出，25%负载时仅水导和顶盖的通频稍大，其他振摆都还正常；37.5%和50%负载时机组则完全纳入可以长期安全稳定运行的允许范围。

表4 负载运行振摆

4.2 试验结论

1号机水泵工况在高低扬程均进行了较长时间运行，表5为水泵工况热稳定性试验期间的测录，整个大轴摆度的绝对值均比较小（均在标准可不受限制运行的A区），水导摆度甚至比上导和下导摆度幅值还要小；上、下机架振动和顶盖振动均处在标准A区。

这无疑是长短叶片转轮对机组水泵工况全扬程高效稳定运行的有力佐证。

表5 水泵工况热稳定性振摆

5 结语

清蓄首台机组的顺利调试，为后续机组顺利调试及多机甩负荷提供了数据参考，同时长短叶片首次在国内大型抽水蓄能电站成功应用，将对我国蓄能电站事业产生积极影响，主要取得以下几点应用成果：

（1）很好地解决了水轮机工况部分负荷下运行范围由于进口处空蚀而受限的难题。

一般高水头水泵水轮机由于其高流速和高强度空化，即使是轻微的初生空化都会导致严重的损坏，往往把避免进口空化的形成作为水轮机运行范围的限制条件。清蓄长短叶片转轮由于叶片总面积随叶片数量同步增加，其单位面积所承受的荷载相应减小，最终效果是叶片正压面和负压面压力差降低，从而有效的改善转轮抗空蚀的性能。叶片直径和叶片角度的减小使水轮机工况下相对流速的叶片入流角变化减少，从而使转轮进口的空化特性得到提高，也减小整个出力范围的轴振动。其运行试验表明其能在30%～40%负荷范围内稳定、可靠长时间运行，足以证明在相当宽的运行范围内具有进口处空化较少、效率更高、压力脉动更小的特点，较好的解决了低比转速抽水蓄能机组一般都存在部分负荷运行区域运行不稳定的问题。

（2）清蓄机组虽然还没有进行相关的性能试验，但从模型试验的资料，以及机组在空载、过速和甩负荷试验的测录数据可以认为，清蓄长短叶片转轮的采用有效解决了低比转速抽水蓄能机组低效率的难题。

1）长短叶片转轮直径的减小（包括转轮的上冠和下环）使得整机尺寸减小、圆盘损失减少，同时泵工况转轮出口部位叶栅稠密度增大，流道具备良好、通畅的导流性能。

2）长短叶片转轮能够优化叶轮入口的旋转速度，尤其是在偏离设计工况（如部分负荷运行区域）时，减小叶轮冲角，减缓由叶轮内二次流、水流的分离和分层效应相互影响、激发形成的尾流与射流区间的速度梯度，在一定流量范围区域降低回流出现的临界速度，从而延缓回流的产生。尤其是对旋转线速度、叶片曲率大的低比转速水泵水轮机，能有效避免由于回流和脱流挤压主流（射流）空间导致能量损失急剧上升以及随生压力脉动所产生机械振动和噪声。如前所述，水轮机运行高效率区加宽、延伸到了30%～40%负荷区段，从整体上较大提高水轮机效率是不言而喻的。

（3）一般高水头可逆式机组在水泵工况时流量随扬程的变化会比较大，清蓄机组水泵工况高、低扬程稳定热运行的试验数据表明：

1）由于长短叶片转轮（与同等的七叶片转轮相比较）增加了总叶片数，使得每个叶片的负荷有所降低，减小了负荷运行时的压力脉动，也减少了尾水管的压力脉动，机组可运行范围都会有所加宽，尤其水泵工况更加显著。

2）由于叶片角度的减小使泵水头随流量的变化变小，从而使一定水头范围内的入流角的变化减少，这就导致空化特性的提高。

因此，水泵流量随扬程的变化较小，使得运行于高扬程时得到更大的泵流量，减少水泵运行所需的总时间。这就意味着，清蓄采用长短叶片转轮有效解决了运行中的扬程变化范围受限的难题。

［1］梅祖彦.抽水蓄能发电技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［2］杨中兴，覃大清，杨 玚.我国抽水蓄能机组技术国产化历程与思考［J］.调峰调频技术，2013.

［3］NalamnmT，高转速高水头可逆式水泵水轮机研究［C］//18th IAHR Symposium，1996.

TK730.2

B

1672-5387（2016）10-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.002

2016-06-14

陈泓宇（1975-），男，工程师，从事电力系统运行检修和基建工作。