宽水头变幅高稳定性水泵水轮机

宫让勤，陈元林，覃大清，于鹏飞，刘玉明，张美琴

（1.水力发电国家重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150040；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

0 引言

溧阳抽水蓄能电站单机容量250MW，水头变幅宽，高出相近水头段的蒲石河、张河湾、黑糜峰等电站较多，为国内该水头段水头变幅最大的抽水蓄能机组，设计、制造难度大。

考虑到该电站的特点及中水头抽水蓄能机组的发展趋势，对水泵水轮机研发、设计、制造的一些关键技术进行研究，为溧阳抽水蓄能电站机组安全稳定运行提供保障的同时，也为我国宽水头变幅大型抽水蓄能机组的研制提供技术支撑。

1 水头变幅的影响

1.1 水头变幅与机组稳定运行

在前期设计和水力设计中全力避免出现水轮机工况低水头不稳定现象，是抽蓄机组水泵水轮机参数选择和水力设计的首要目标。水泵水轮机参数选择过程中，从水头段、额定水头、水头变幅等方面分析水泵水轮机的“S”形特性，并可根据以往类似水头段的水泵水轮机特性曲线来校核空载稳定性，通过合理控制水头变幅来为空载稳定性设计创造条件。

哈电公司进行了研究统计[1]，提出了HPmax/HTmin值和HPmax的经验关系限制线见图1，HPmax/HTmin限制值随着运行水头的升高而减小。根据经验关系限制线，溧阳抽水蓄能电站水泵工况最大扬程为296.51m，机组可稳定运行的HPmax/HTmin比值最大值不宜超过1.32。

图1 水泵水轮机HPmax/HTmin值与最大扬程关系曲线Figure 1 Relation curve between HPmax/HTmin value and Maximum pump head

溧阳抽水蓄能电站的HPmax/HTmin比值为1.301，相对较大，已经处于制造厂经验曲线上稳定运行限制线附近，裕量较小。在相似电站的水泵水轮机全特性曲线上看，在低水头小开度范围具有相对明显的“S”形。因此，在的水力设计、模型试验以及电站初期运行的调试需更加注重“S”区特性对机组运行稳定性的影响。

1.2 水头变幅与水轮机空载启动

图2是根据统计数据绘制的抽蓄电站水头变幅HPmax/HTmin与水轮机工况最大水头的关系图[2]，其中红色点为电站调试运行过程中出现过空载不稳定的电站。从图中可以看出各水头段HPmax/HTmin比值分布虽然较离散，但总体趋势是在同一个水头段，HPmax/HTmin比值越大，电站越容易出现空载不稳定情况。

回归的水头最大变幅与水轮机工况最大水头公式为：

式中HPmax——水泵工况最大扬程，m；

HTmin——水轮机工况最小水头，m；

HTmax——水轮机工况最大水头，m。

在水头变幅值优选时，最高值不宜超过公式（1）计算值。超过公式的计算值时，在转轮叶片数的选择上应重点考虑叶片水对并网特性的影响，选择低水头并网特性优的叶片数。

图2 水头变幅HPmax/HTmin与水轮机工况最大水头的关系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

水泵水轮机“S”形特性是影响机组是否能够空载稳定并网的关键特性。研究和探索消除空载不稳定“S”形特性的水力设计技术，是行业内所公认的关键技术难题，也是本研究的最终目标。国际上通常采用导叶“非同步”开启的方式来解决影响空载并网的“S”形特性，并且已成为了工程上解决此问题的一种“习惯”。在我国引进机组中，如天荒坪机组，宝泉、黑糜峰、张河湾、蒲石河等，均采取预开“非同步”导叶的并网措施。预开“非同步”导叶进行空载并网主要有以下几个显著的缺点：①机组振动大，稳定性能差；②需增加额外的操作设备，增大机组投资；③机组结构更加复杂，增加机组设计、安装等难度。

在本项目的研究中，首次提出消除和改善“S”形特性、使转轮本身具备空载稳定并网能力的水力设计思想。从内部流态分析入手，应用先进的动态流体计算手段，分析“S”形特性形成的机理，探索消除影响空载并网的“S”形特性水力设计方法，并通过专用试验台模型试验验证，最终形成解决“S”形特性的水力设计技术。

2.2 固定导叶影响

水泵水轮机水轮机工况对固定导叶安放角比水泵工况更敏感，双列叶栅的水力设计主要考虑水轮机工况。通过对蜗壳出流角的分析，可以指导固定导叶进口安放角的设计，以适应蜗壳出流条件，减少水流对固定导叶头部的撞击损失，改变水流绕流流态，达到蜗壳出流与固定导叶入流的最优配合，这样不仅有助于水轮机工况水力效率的提高，而且能够改善由于水流扰流引起的机组振动。

2.3 模型的开发

哈电溧阳抽水蓄能电站水泵水轮机水力性能的研发自2009年初开始，投标前共完成多个模型转轮性能开发和多个基于转轮实物的改型优化；中标后，哈电公司为进一步改善溧阳水泵水轮机空载并网“S”形特性以及空载并网水力稳定性，投入了A1094等其5个转轮方案的水力开发，最终攻破了水泵水轮机空载并网“S”形特性水力关键技术难题。转轮A1094用于溧阳抽水蓄能电站，在水泵工况最大扬程与水轮机工况最小水头之比为1.301时，原型水轮机工况运行范围不存在“S”区现象，“S”区特性优良，实现了水力设计技术创新。

3 水力过渡过程

3.1 低水头并网模拟计算

使用A1094转轮于2012年4月26日至5月24日在瑞士洛桑联邦理工大学水力机械实验室FP2 试验台完成了最终的模型验收试验结果。哈电公司对溧阳抽水蓄能电站，在上水库死水位为254.0m，下水库正常水位19.0m，电站最小毛水头235m，两台机组水轮机工况带预想出力正常运行，一台机组启动的工况进行了模拟计算，计算结果表明A1094转轮完全满足水轮机工况并网要求。对于启动过程中由于导叶开度突变而引起的转速扰动进行模拟计算，计算结果表明，机组转速有很好的收敛性，在水轮机工况可顺利并网。图3为A1094转轮在Hg=235m时起动仿真过程线。

3.2 无叶区压力脉动对并网特性的影响

模型试验结果表明，在水头高于240m运行时，“无叶区”空载压力脉动试验值为13.62%～24.22%，水头低于240m（含）运行时，“无叶区”空载压力脉动值力略高于25%；最大空载压力脉动出现在最低运行水头227m时，其值为ΔH/H=28.82%。“无叶区”空载压力脉动随运行水头的降低而增大，水头变幅的影响显著，溧阳水头变幅达到1.301，最低水头空载压力脉动稍偏大属正常现象。电站调试运行表明，在该压力脉动下机组可以顺利的采用同步导叶接力器并网。机组的并网特性主要取决于“S”区的特性，不宜追求过低的空载压力脉动值，从而牺牲水泵水轮机的其他性能。

图3 A1094转轮在Hg=235m时启动仿真过程线Figure 3 Starting simulation procedure lines of A1094 runner at Hg=235m

3.3 一管三机甩负荷

电站共安装6台单机容量为250MW水泵水轮机组，其输水系统共分为两个独立的水力单元，每个水力单元的机组上游侧及下游侧均采用一洞三机布置，在机组下游侧隧洞设有尾水调压井。对于一洞多机系统，由于多台机组共用引水隧洞及尾水隧洞，机组间相互干扰大，在工况变化引起的水力瞬变过程中，因惯性存在及系统中能量不平衡，将引起水道系统内水压力及机组转速的剧烈变化，即产生压力急剧上升或下降及机组转速急剧加快，危及电站的运行安全，影响机组的寿命。电站于2018年5月2日至9日进行了5、6号机双机甩50%、75%和100%额定负荷的试验，以及4、5、6号机三机同甩50%、75%和100%额定负荷的试验。甩负荷实测数据线与计算数据线具有很好的拟合性；最大转速上升的误差在1%以内，数值计算成果可靠。溧阳抽水蓄能电站一洞三机甩负荷试验的顺利完成在国内尚属首次。

4 机组运行稳定性

4.1 动静干涉

水力干扰引起的振动方式是绕转轮的轴线旋转，对于固定部件这种振型下的角速度为±（fr/R）Hz，对于转动部件则为±（fg/R）Hz，正号表示方向同转轮转动方向一致，负号则相反[3]。当激振频率fr=m×Zg×nR同有R个节径数的转轮固有频率一致时，就会发生转轮振动。对于溧阳抽水蓄能电站而言，m=1、n=3、R=1，因此要求在节径R=1时转轮在水中的固有频率应避开机组的激振频率fr=100Hz。采用流固耦合方法对过流部件开展水中固有频率分析研究，重点开发整体转轮在水中固有频率计算的力学模型和边界条件。计算节径R=1时转轮的固有频率为119.82Hz，在水中的固有频率与激振频率错开大于10%，具有良好的动态特性。电站运行表明，无叶区压力脉动大，水力激振力大。压力脉动的幅值不仅要关心混频值，更要关注分频值，特别是满足动静干涉条件的无叶区压力脉动幅值，该值不宜大于2%。张河湾抽水蓄能电站新改造转轮后该值约为2%[4]，溧阳抽水蓄能电站该值约为1.5%，机组运行稳定性很好。转轮在水中的固有频率除要避开上述频率外，还应避开转轮上冠和下环反向振动的频率。对相位共振的风险因子进行了计算[5]，波速在900～1200m/s之间时，风险因子为3.12%～8.77%，满足不大于25%的要求。哈电公司对各种水力激振频率进行分析，避免了共振和相位共振的产生。为今后抽水蓄能机组的结构设计以及制造提供理论依据。

4.2 机组运行的稳定性

溧阳抽水蓄能电站6台机组2017年底全部投入商业运行，机组在能量指标、稳定性指标、空化指标，达到国际先进水平。特别是水泵水轮机运行稳定性优越，试运行期间水泵工况稳态运行时顶盖水平振动8μm，垂直振动3μm，水导摆度0.063mm；水轮机工况稳态运行顶盖水平振动10μm，垂直振动3μm，水导摆度0.12mm；水轮机工况水导瓦温最高53.8℃，水泵工况水导瓦温最高53℃。机组运行的稳定性处于国际领先水平。

5 结束语

溧阳水泵水轮机运行水头变幅最大达到1.301，这样的变幅在全国是属于前列，水泵水轮机水力设计难度较大，电站运行表明哈电公司已完全掌握了宽水头变幅高稳定性抽水蓄能机组的技术。

溧阳水泵水轮机为国内首个从设计阶段彻底取消小导叶接力器系统的国产化机组，从运行情况看，设计研发思路是正确的，运行稳定。

溧阳抽水蓄能电站是国内第二个采用一管三机布置的电站，并首次完成了一管三机同甩负荷，试验结果表明，蜗壳进口最大压力、尾水管进口最低压力、机组转速上升均满足合同要求，仿真计算结果的精度可满足工程要求。

溧阳水泵水轮机开发成功，为我国水电行业开发大型宽水头变幅高稳定性的抽水蓄能机组提供了可靠的技术积累。