王康生

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安 330603）

洪屏抽蓄電站水泵水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)概述

王康生

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安 330603）

根據(jù)洪屏抽水蓄能電站設(shè)計(jì)參數(shù)的要求確定水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速，采用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)水泵水輪機(jī)進(jìn)行水力開(kāi)發(fā)，并在福伊特海登海姆模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了水力模型試驗(yàn)，通過(guò)兩種試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，所開(kāi)發(fā)的水泵水輪機(jī)各項(xiàng)水力性能能滿足合同要求，并對(duì)水泵水輪機(jī)四象限特性曲線反“S”區(qū)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

比轉(zhuǎn)速；CFD；模型試驗(yàn)；“S”區(qū)

0 引言

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣三爪侖鄉(xiāng)境內(nèi)，距靖安縣、南昌、九江、武漢的直線距離分別為40、65、100km和190km。電站上水庫(kù)位于三爪侖鄉(xiāng)塘里村的洪屏自然村，下水庫(kù)位于潦河支流北河中上游。電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量300MW的立軸單級(jí)可逆混流式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW。電站以500kV電壓等級(jí)出線接入華中電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相作用和緊急事故備用等任務(wù)。

江西洪屏抽水蓄能電站水力開(kāi)發(fā)主要目標(biāo)參數(shù)：最大毛水頭/揚(yáng)程570m，最小毛水頭/揚(yáng)程535m，水輪機(jī)額定水頭540m，額定轉(zhuǎn)速500r/min，水輪機(jī)額定出力306MW。

1 研究方法

水泵水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)與常規(guī)水輪機(jī)相同，在水泵工況和水輪機(jī)工況下，對(duì)轉(zhuǎn)輪、雙列葉柵、蝸殼和尾水管的水力性能設(shè)計(jì)，并以水泵工況的水力性能優(yōu)化為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。

現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法首先將轉(zhuǎn)輪葉片幾何參數(shù)化，通過(guò)改變相關(guān)的變量參數(shù)，生成不同的轉(zhuǎn)輪葉片，然后對(duì)其進(jìn)行CFD數(shù)值分析，最后采用模擬退火法、遺傳算法、螞蟻算法、粒子群算法等現(xiàn)代智能優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)[1、2]。通過(guò)以上方法可以分析水泵水輪機(jī)各通流部件內(nèi)部的流動(dòng)情況，預(yù)估水泵水輪機(jī)水力性能。

2 CFD數(shù)值計(jì)算

2.1 比轉(zhuǎn)速的選擇

水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)組水力性能的重要參數(shù)，其計(jì)算公式是在相似定律的條件下推導(dǎo)得出的，符合水泵水輪機(jī)的相似準(zhǔn)則，即幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似。其值由式（1）確定

式中：n——水泵水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速；

Q——水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)（最優(yōu)點(diǎn)）流量；

H——水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)（最優(yōu)點(diǎn)）揚(yáng)程。

根據(jù)江西洪屏抽水蓄能電站招標(biāo)文件中規(guī)定的目標(biāo)參數(shù)和要求，選擇水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速為35.15（m/s2）3/4，此比轉(zhuǎn)速在同類型電站中算是比較大的。

2.2 幾何參數(shù)選擇

比轉(zhuǎn)速相近的同種類型的水泵水輪機(jī)符合幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似的準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)輪的幾何參數(shù)直接影響水泵水輪機(jī)特性。根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)比轉(zhuǎn)速選擇通流部件幾何參數(shù)，原型機(jī)與模型機(jī)的比例因子為7.65986。模型和原型水泵水輪機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主要參數(shù)Tab.1 The main Pump-turbine parameters of Hongping Pumped Storage Power Station

2.3 CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

目前，采用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)水泵水輪機(jī)的水力性能開(kāi)發(fā)，對(duì)流道的計(jì)算有兩種方法，一種是采用全流道，即蝸殼、雙列葉柵、轉(zhuǎn)輪、尾水管進(jìn)行計(jì)算，此方法對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高；一種是考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械的周期性，轉(zhuǎn)輪的數(shù)值計(jì)算以單周期葉片為計(jì)算域，其能減少計(jì)算人員的工作量。而此計(jì)算為全流道計(jì)算，圖1為尾水管三維建模，圖2為水泵水輪機(jī)的四象限特性曲線。

圖1 尾水管三維建模Fig.1 The three-dimensional modeling of tail pipe

圖2 水泵水輪機(jī)的四象限特性曲線Fig.2 The four quadrant characteristic curve of Pumpturbine

3 水力模型試驗(yàn)

本次模型試驗(yàn)在德國(guó)海登海姆福伊特水電公司水力試驗(yàn)室的通用型高水頭2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)（UHD2）上進(jìn)行，海登海姆試驗(yàn)臺(tái)的精度不大于±0.25%。驗(yàn)收試驗(yàn)主要依據(jù)為《江西洪屏抽水蓄能電站機(jī)組及其附屬設(shè)備采購(gòu)合同》（以下簡(jiǎn)稱合同）和IEC 60193—1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》。

3.1 水泵零流量揚(yáng)程試驗(yàn)

在水頭680.26m進(jìn)行了水泵零流量揚(yáng)程試驗(yàn)，水泵最大入力為57.26MW，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泵零流量揚(yáng)程試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of the pump zero flow lift test

3.2 水泵效率試驗(yàn)

在水泵工況下模型的最優(yōu)效率、加權(quán)平均效率詳見(jiàn)表3，不同水頭水泵工況下的水泵水輪機(jī)效率值詳見(jiàn)圖3。

表3 水泵工況效率Tab.3 The efficiency of pump condition

圖3 水泵工況下的效率值Fig.3 The efficiency of pump condition

由表3、圖3可知，洪屏電站水泵水輪機(jī)各效率驗(yàn)收值與初步試驗(yàn)相符且滿足合同要求。

3.3 水泵空化試驗(yàn)

水泵空化與水輪機(jī)相同，低壓和頭部脫流是引起水輪機(jī)空化的主要原因，小流量工況水泵空化主要由低壓和葉片頭部吸力面脫流引起；最優(yōu)工況附近運(yùn)行條件較優(yōu)，不存在葉片頭部脫流；大流量工況水泵空化主要由葉片頭部壓力面脫流引起[4]。本次試驗(yàn)為在揚(yáng)程580、555m和540m下對(duì)初生空化現(xiàn)象進(jìn)行觀察并確定了初生空化系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從水泵工況空化試驗(yàn)驗(yàn)收結(jié)果來(lái)看，在運(yùn)行區(qū)，初生空化系數(shù)和臨界空化系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電站裝置空化系數(shù)，滿足合同要求。

圖4 水泵工況空化系數(shù)驗(yàn)收結(jié)果Fig.4 The cavitation coefficient results in pump contidion

3.4 水泵駝峰裕度試驗(yàn)

合同規(guī)定當(dāng)兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行在最大揚(yáng)程，頻率在49.8Hz下的水泵運(yùn)行外包絡(luò)線駝峰裕量為3.1%，本次驗(yàn)收試驗(yàn)與此相對(duì)應(yīng)的駝峰裕量計(jì)算值為3.90%。

本次驗(yàn)收試驗(yàn)計(jì)算值為：一臺(tái)機(jī)在50Hz下的最大揚(yáng)程點(diǎn)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度（16°）的H-Q曲線駝峰裕量為2.68%；一臺(tái)機(jī)在49.8Hz 下的最大揚(yáng)程點(diǎn)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度（16°）的H-Q曲線駝峰裕量為1.90%，廠家福伊特根據(jù)已建工程的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為有足夠的安全裕量，能確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，圖5給出了真機(jī)水泵駝峰裕量在不同給定條件下的數(shù)值。

圖5 水泵駝峰曲線Fig.5 The Pump hump curve

3.5 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)驗(yàn)收試驗(yàn)共采用4個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，分別是尾水管管壁、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間、頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間、蝸殼進(jìn)口。表4列出了在電站空化條件下，最小水頭520m、額定水頭540m和最大水頭565m的水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)和對(duì)6個(gè)效率加權(quán)點(diǎn)及10個(gè)16°導(dǎo)葉開(kāi)度下水泵工況的模型壓力脈動(dòng)驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果。

從表4中可以看出，洪屏電站水泵水輪機(jī)在水泵工況的壓力脈動(dòng)幅值與初步試驗(yàn)結(jié)果一致且滿足合同要求。

3.6 水輪機(jī)能量試驗(yàn)

水泵水輪機(jī)在滿足抽水蓄能運(yùn)行的同時(shí)還要兼顧發(fā)電，水輪機(jī)能量試驗(yàn)的目的就是為了校核水輪機(jī)工況機(jī)組的發(fā)電能力。

表4 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)Tab.4 The pressure pulsation test of pump condition

模型水輪機(jī)最優(yōu)工況：n11=76.08r/min，Q11=0.155m3/s，ηmax=94.22。

模型水輪機(jī)額定工況：n11=84.34r/min，Q11=0.173m3/s，ηmax=93.30，P=306MW。

水泵水輪機(jī)在發(fā)電工況運(yùn)行時(shí)具有較高的效率水平和較好的能量性能。

4 四象限“S”區(qū)

我國(guó)已投入運(yùn)行的抽水蓄能電站出現(xiàn)了較多的水輪機(jī)工況低水頭啟動(dòng)并網(wǎng)困難問(wèn)題，如天荒坪電站、蒲石河電站等。這些電站通過(guò)布置小導(dǎo)葉，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉非同步開(kāi)啟，解決了水輪機(jī)低水頭啟動(dòng)問(wèn)題。而對(duì)于引進(jìn)的日本機(jī)組似乎并不存在此類問(wèn)題，如西龍池電站（7 葉片轉(zhuǎn)輪，東芝、日立、三菱合作生產(chǎn)）、回龍電站（9 葉片轉(zhuǎn)輪，日立、哈電合作生產(chǎn)）。其模型水泵水輪機(jī)全特性不存在水輪機(jī)“S”區(qū)，同樣，采用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)洪屏電站的水泵水輪機(jī)進(jìn)行了水力開(kāi)發(fā)，使水泵水輪機(jī)避免了在低水頭啟動(dòng)問(wèn)題。

圖6給出了洪屏電站水泵水輪機(jī)在“S”特性區(qū)域附近的詳細(xì)結(jié)果。模型試驗(yàn)結(jié)果表明在機(jī)組正常運(yùn)行范圍內(nèi)包括正常頻率變化范圍內(nèi)在有關(guān)的等導(dǎo)葉開(kāi)度線上（從4°、5°一直到6.2°）沒(méi)有正斜率出現(xiàn)。機(jī)組在50Hz同步并網(wǎng)時(shí)最大導(dǎo)葉開(kāi)度為4.5°，在50.2Hz同步并網(wǎng)時(shí)最大導(dǎo)葉開(kāi)度為4.7°。因此模型試驗(yàn)顯示“S”特性穩(wěn)定性的界限在Dj=6.2°。安全裕量在50.2Hz和50Hz時(shí)分別是32.4m和36.8m。“S”型特性的模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果滿足合同規(guī)定的正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

圖6 S特性區(qū)域附近曲線Fig.6 The curve near the area of S characteristic

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能機(jī)組可以雙向運(yùn)行，能夠較大程度地提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。近年來(lái)通過(guò)國(guó)家的支持，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)，合作設(shè)計(jì)、合作生產(chǎn)我國(guó)的發(fā)電設(shè)備企業(yè)已經(jīng)掌握了抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，并在不斷探索中形成了自己對(duì)抽水蓄能技術(shù)的認(rèn)知體系，能夠獨(dú)立開(kāi)發(fā)出適合電站要求的、水力性能優(yōu)良的機(jī)組。因此，以目前比較常用的水泵水輪機(jī)開(kāi)發(fā)CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)洪屏抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)進(jìn)行水力開(kāi)發(fā)，并在福伊特海登海姆模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了力模型試驗(yàn)，通過(guò)兩種試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，所開(kāi)發(fā)的水泵水輪機(jī)各項(xiàng)水力性能能滿足合同要求，從數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)看，洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)在低水頭啟動(dòng)時(shí)能避免進(jìn)入“S”區(qū)。

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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 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 學(xué)科代碼：570.25 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.016

2016-08-03

王康生（1987—），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樗C(jī)械。E-mail：wangks2009@126.com