寬水頭變幅高穩(wěn)定性水泵水輪機

宮讓勤，陳元林，覃大清，于鵬飛，劉玉明，張美琴

（1.水力發(fā)電國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

溧陽抽水蓄能電站單機容量250MW，水頭變幅寬，高出相近水頭段的蒲石河、張河灣、黑糜峰等電站較多，為國內(nèi)該水頭段水頭變幅最大的抽水蓄能機組，設計、制造難度大。

考慮到該電站的特點及中水頭抽水蓄能機組的發(fā)展趨勢，對水泵水輪機研發(fā)、設計、制造的一些關鍵技術進行研究，為溧陽抽水蓄能電站機組安全穩(wěn)定運行提供保障的同時，也為我國寬水頭變幅大型抽水蓄能機組的研制提供技術支撐。

1 水頭變幅的影響

1.1 水頭變幅與機組穩(wěn)定運行

在前期設計和水力設計中全力避免出現(xiàn)水輪機工況低水頭不穩(wěn)定現(xiàn)象，是抽蓄機組水泵水輪機參數(shù)選擇和水力設計的首要目標。水泵水輪機參數(shù)選擇過程中，從水頭段、額定水頭、水頭變幅等方面分析水泵水輪機的“S”形特性，并可根據(jù)以往類似水頭段的水泵水輪機特性曲線來校核空載穩(wěn)定性，通過合理控制水頭變幅來為空載穩(wěn)定性設計創(chuàng)造條件。

哈電公司進行了研究統(tǒng)計[1]，提出了HPmax/HTmin值和HPmax的經(jīng)驗關系限制線見圖1，HPmax/HTmin限制值隨著運行水頭的升高而減小。根據(jù)經(jīng)驗關系限制線，溧陽抽水蓄能電站水泵工況最大揚程為296.51m，機組可穩(wěn)定運行的HPmax/HTmin比值最大值不宜超過1.32。

圖1 水泵水輪機HPmax/HTmin值與最大揚程關系曲線Figure 1 Relation curve between HPmax/HTmin value and Maximum pump head

溧陽抽水蓄能電站的HPmax/HTmin比值為1.301，相對較大，已經(jīng)處于制造廠經(jīng)驗曲線上穩(wěn)定運行限制線附近，裕量較小。在相似電站的水泵水輪機全特性曲線上看，在低水頭小開度范圍具有相對明顯的“S”形。因此，在的水力設計、模型試驗以及電站初期運行的調(diào)試需更加注重“S”區(qū)特性對機組運行穩(wěn)定性的影響。

1.2 水頭變幅與水輪機空載啟動

圖2是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制的抽蓄電站水頭變幅HPmax/HTmin與水輪機工況最大水頭的關系圖[2]，其中紅色點為電站調(diào)試運行過程中出現(xiàn)過空載不穩(wěn)定的電站。從圖中可以看出各水頭段HPmax/HTmin比值分布雖然較離散，但總體趨勢是在同一個水頭段，HPmax/HTmin比值越大，電站越容易出現(xiàn)空載不穩(wěn)定情況。

回歸的水頭最大變幅與水輪機工況最大水頭公式為：

式中HPmax——水泵工況最大揚程，m；

HTmin——水輪機工況最小水頭，m；

HTmax——水輪機工況最大水頭，m。

在水頭變幅值優(yōu)選時，最高值不宜超過公式（1）計算值。超過公式的計算值時，在轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的選擇上應重點考慮葉片水對并網(wǎng)特性的影響，選擇低水頭并網(wǎng)特性優(yōu)的葉片數(shù)。

圖2 水頭變幅HPmax/HTmin與水輪機工況最大水頭的關系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

水泵水輪機“S”形特性是影響機組是否能夠空載穩(wěn)定并網(wǎng)的關鍵特性。研究和探索消除空載不穩(wěn)定“S”形特性的水力設計技術，是行業(yè)內(nèi)所公認的關鍵技術難題，也是本研究的最終目標。國際上通常采用導葉“非同步”開啟的方式來解決影響空載并網(wǎng)的“S”形特性，并且已成為了工程上解決此問題的一種“習慣”。在我國引進機組中，如天荒坪機組，寶泉、黑糜峰、張河灣、蒲石河等，均采取預開“非同步”導葉的并網(wǎng)措施。預開“非同步”導葉進行空載并網(wǎng)主要有以下幾個顯著的缺點：①機組振動大，穩(wěn)定性能差；②需增加額外的操作設備，增大機組投資；③機組結構更加復雜，增加機組設計、安裝等難度。

在本項目的研究中，首次提出消除和改善“S”形特性、使轉(zhuǎn)輪本身具備空載穩(wěn)定并網(wǎng)能力的水力設計思想。從內(nèi)部流態(tài)分析入手，應用先進的動態(tài)流體計算手段，分析“S”形特性形成的機理，探索消除影響空載并網(wǎng)的“S”形特性水力設計方法，并通過專用試驗臺模型試驗驗證，最終形成解決“S”形特性的水力設計技術。

2.2 固定導葉影響

水泵水輪機水輪機工況對固定導葉安放角比水泵工況更敏感，雙列葉柵的水力設計主要考慮水輪機工況。通過對蝸殼出流角的分析，可以指導固定導葉進口安放角的設計，以適應蝸殼出流條件，減少水流對固定導葉頭部的撞擊損失，改變水流繞流流態(tài)，達到蝸殼出流與固定導葉入流的最優(yōu)配合，這樣不僅有助于水輪機工況水力效率的提高，而且能夠改善由于水流擾流引起的機組振動。

2.3 模型的開發(fā)

哈電溧陽抽水蓄能電站水泵水輪機水力性能的研發(fā)自2009年初開始，投標前共完成多個模型轉(zhuǎn)輪性能開發(fā)和多個基于轉(zhuǎn)輪實物的改型優(yōu)化；中標后，哈電公司為進一步改善溧陽水泵水輪機空載并網(wǎng)“S”形特性以及空載并網(wǎng)水力穩(wěn)定性，投入了A1094等其5個轉(zhuǎn)輪方案的水力開發(fā)，最終攻破了水泵水輪機空載并網(wǎng)“S”形特性水力關鍵技術難題。轉(zhuǎn)輪A1094用于溧陽抽水蓄能電站，在水泵工況最大揚程與水輪機工況最小水頭之比為1.301時，原型水輪機工況運行范圍不存在“S”區(qū)現(xiàn)象，“S”區(qū)特性優(yōu)良，實現(xiàn)了水力設計技術創(chuàng)新。

3 水力過渡過程

3.1 低水頭并網(wǎng)模擬計算

使用A1094轉(zhuǎn)輪于2012年4月26日至5月24日在瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學水力機械實驗室FP2 試驗臺完成了最終的模型驗收試驗結果。哈電公司對溧陽抽水蓄能電站，在上水庫死水位為254.0m，下水庫正常水位19.0m，電站最小毛水頭235m，兩臺機組水輪機工況帶預想出力正常運行，一臺機組啟動的工況進行了模擬計算，計算結果表明A1094轉(zhuǎn)輪完全滿足水輪機工況并網(wǎng)要求。對于啟動過程中由于導葉開度突變而引起的轉(zhuǎn)速擾動進行模擬計算，計算結果表明，機組轉(zhuǎn)速有很好的收斂性，在水輪機工況可順利并網(wǎng)。圖3為A1094轉(zhuǎn)輪在Hg=235m時起動仿真過程線。

3.2 無葉區(qū)壓力脈動對并網(wǎng)特性的影響

模型試驗結果表明，在水頭高于240m運行時，“無葉區(qū)”空載壓力脈動試驗值為13.62%～24.22%，水頭低于240m（含）運行時，“無葉區(qū)”空載壓力脈動值力略高于25%；最大空載壓力脈動出現(xiàn)在最低運行水頭227m時，其值為ΔH/H=28.82%?！盁o葉區(qū)”空載壓力脈動隨運行水頭的降低而增大，水頭變幅的影響顯著，溧陽水頭變幅達到1.301，最低水頭空載壓力脈動稍偏大屬正?，F(xiàn)象。電站調(diào)試運行表明，在該壓力脈動下機組可以順利的采用同步導葉接力器并網(wǎng)。機組的并網(wǎng)特性主要取決于“S”區(qū)的特性，不宜追求過低的空載壓力脈動值，從而犧牲水泵水輪機的其他性能。

圖3 A1094轉(zhuǎn)輪在Hg=235m時啟動仿真過程線Figure 3 Starting simulation procedure lines of A1094 runner at Hg=235m

3.3 一管三機甩負荷

電站共安裝6臺單機容量為250MW水泵水輪機組，其輸水系統(tǒng)共分為兩個獨立的水力單元，每個水力單元的機組上游側(cè)及下游側(cè)均采用一洞三機布置，在機組下游側(cè)隧洞設有尾水調(diào)壓井。對于一洞多機系統(tǒng)，由于多臺機組共用引水隧洞及尾水隧洞，機組間相互干擾大，在工況變化引起的水力瞬變過程中，因慣性存在及系統(tǒng)中能量不平衡，將引起水道系統(tǒng)內(nèi)水壓力及機組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，即產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機組轉(zhuǎn)速急劇加快，危及電站的運行安全，影響機組的壽命。電站于2018年5月2日至9日進行了5、6號機雙機甩50%、75%和100%額定負荷的試驗，以及4、5、6號機三機同甩50%、75%和100%額定負荷的試驗。甩負荷實測數(shù)據(jù)線與計算數(shù)據(jù)線具有很好的擬合性；最大轉(zhuǎn)速上升的誤差在1%以內(nèi)，數(shù)值計算成果可靠。溧陽抽水蓄能電站一洞三機甩負荷試驗的順利完成在國內(nèi)尚屬首次。

4 機組運行穩(wěn)定性

4.1 動靜干涉

水力干擾引起的振動方式是繞轉(zhuǎn)輪的軸線旋轉(zhuǎn)，對于固定部件這種振型下的角速度為±（fr/R）Hz，對于轉(zhuǎn)動部件則為±（fg/R）Hz，正號表示方向同轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動方向一致，負號則相反[3]。當激振頻率fr=m×Zg×nR同有R個節(jié)徑數(shù)的轉(zhuǎn)輪固有頻率一致時，就會發(fā)生轉(zhuǎn)輪振動。對于溧陽抽水蓄能電站而言，m=1、n=3、R=1，因此要求在節(jié)徑R=1時轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率應避開機組的激振頻率fr=100Hz。采用流固耦合方法對過流部件開展水中固有頻率分析研究，重點開發(fā)整體轉(zhuǎn)輪在水中固有頻率計算的力學模型和邊界條件。計算節(jié)徑R=1時轉(zhuǎn)輪的固有頻率為119.82Hz，在水中的固有頻率與激振頻率錯開大于10%，具有良好的動態(tài)特性。電站運行表明，無葉區(qū)壓力脈動大，水力激振力大。壓力脈動的幅值不僅要關心混頻值，更要關注分頻值，特別是滿足動靜干涉條件的無葉區(qū)壓力脈動幅值，該值不宜大于2%。張河灣抽水蓄能電站新改造轉(zhuǎn)輪后該值約為2%[4]，溧陽抽水蓄能電站該值約為1.5%，機組運行穩(wěn)定性很好。轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率除要避開上述頻率外，還應避開轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)反向振動的頻率。對相位共振的風險因子進行了計算[5]，波速在900～1200m/s之間時，風險因子為3.12%～8.77%，滿足不大于25%的要求。哈電公司對各種水力激振頻率進行分析，避免了共振和相位共振的產(chǎn)生。為今后抽水蓄能機組的結構設計以及制造提供理論依據(jù)。

4.2 機組運行的穩(wěn)定性

溧陽抽水蓄能電站6臺機組2017年底全部投入商業(yè)運行，機組在能量指標、穩(wěn)定性指標、空化指標，達到國際先進水平。特別是水泵水輪機運行穩(wěn)定性優(yōu)越，試運行期間水泵工況穩(wěn)態(tài)運行時頂蓋水平振動8μm，垂直振動3μm，水導擺度0.063mm；水輪機工況穩(wěn)態(tài)運行頂蓋水平振動10μm，垂直振動3μm，水導擺度0.12mm；水輪機工況水導瓦溫最高53.8℃，水泵工況水導瓦溫最高53℃。機組運行的穩(wěn)定性處于國際領先水平。

5 結束語

溧陽水泵水輪機運行水頭變幅最大達到1.301，這樣的變幅在全國是屬于前列，水泵水輪機水力設計難度較大，電站運行表明哈電公司已完全掌握了寬水頭變幅高穩(wěn)定性抽水蓄能機組的技術。

溧陽水泵水輪機為國內(nèi)首個從設計階段徹底取消小導葉接力器系統(tǒng)的國產(chǎn)化機組，從運行情況看，設計研發(fā)思路是正確的，運行穩(wěn)定。

溧陽抽水蓄能電站是國內(nèi)第二個采用一管三機布置的電站，并首次完成了一管三機同甩負荷，試驗結果表明，蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最低壓力、機組轉(zhuǎn)速上升均滿足合同要求，仿真計算結果的精度可滿足工程要求。

溧陽水泵水輪機開發(fā)成功，為我國水電行業(yè)開發(fā)大型寬水頭變幅高穩(wěn)定性的抽水蓄能機組提供了可靠的技術積累。