陳泓宇

（中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的應(yīng)用

陳泓宇

（中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

介紹了長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的發(fā)展應(yīng)用情況和長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)理念與功能，結(jié)合清蓄1號(hào)機(jī)組調(diào)試分析、總結(jié)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況，為后續(xù)機(jī)組順利調(diào)試及多機(jī)甩負(fù)荷提供了數(shù)據(jù)參考，同時(shí)長(zhǎng)短葉片首次在國(guó)內(nèi)大型抽水蓄能電站成功應(yīng)用，將對(duì)我國(guó)蓄能電站事業(yè)產(chǎn)生積極影響。

清遠(yuǎn)電站；長(zhǎng)短葉片；特點(diǎn)；應(yīng)用

1 前言

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱“清蓄”）是一座日調(diào)節(jié)型純抽水蓄能電站，機(jī)組主要參數(shù)見表1。電站主機(jī)設(shè)備由東芝水電（杭州）有限公司供貨，東芝水電推薦采用奧清津第2水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和神流川電站類似的最新技術(shù)的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，我們經(jīng)過比較、論證決定采用水力性能、振動(dòng)特性都很優(yōu)秀的圓周方向設(shè)置5張長(zhǎng)葉片加5張短葉片的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪。本文結(jié)合清蓄1號(hào)機(jī)組調(diào)試，分析、總結(jié)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況。

表1 清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機(jī)組參數(shù)表

2 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的發(fā)展應(yīng)用

（1）云南省羅平縣魯布革水電站的水輪機(jī)采用挪威K.B公司設(shè)計(jì)制造的長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，這在國(guó)內(nèi)是第一次。電站設(shè)計(jì)水頭312 m，額定出力153 MW，額定流量53.5 m3/s，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑3.442 m。自1988年第一臺(tái)機(jī)組投運(yùn)以來，最高效率達(dá)94.6%，證明了長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪具有高效率、耐磨蝕的優(yōu)良性能。

（2）萬家寨引黃工程的離心水泵采用長(zhǎng)短葉片組合的葉輪，在水流含沙量多年平均達(dá)0.94 kg/m3的運(yùn)行條件下，滿足了水泵高揚(yáng)程、大流量、高效率、抗汽蝕、耐磨蝕的要求。

（3）繼魯布革電站之后國(guó)內(nèi)常規(guī)水電站采用長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的還有石板水電站、大盈江電站（東芝水電設(shè)計(jì)制造的Φ4 000 mm、15+15長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪）和福建周寧水電站（帶傾角的X形長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪），這些電站發(fā)電運(yùn)行以來都表現(xiàn)出了較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和抗磨蝕性能。

（4）日本安云抽水蓄能電站是世界上首次在高比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)中應(yīng)用長(zhǎng)短葉轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)效率在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)得到明顯改善，優(yōu)于同類常規(guī)機(jī)組約1%～2%，尤其是100%負(fù)荷時(shí)效率會(huì)提高5%；泵工況效率提高值雖然不是很穩(wěn)定，但至少也在5%之上。而且，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪具有很好的抗氣蝕性能，機(jī)組在30%出力時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）神流川電站則是在凈水頭653 m、額定出力482 MW的低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)采用5+5長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，同時(shí)較之常規(guī)七葉片轉(zhuǎn)輪，長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度擴(kuò)大了1.6%，而葉片入口直徑減少了3%。明顯改善流道的水力性能，具有更優(yōu)效率和更低的水壓脈動(dòng)，水輪機(jī)工況最低凈水頭、30%輸出功率仍可穩(wěn)定運(yùn)行，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)泵工況效率和運(yùn)行也都有相當(dāng)大的改善。

第一臺(tái)機(jī)2005年12月投入商業(yè)運(yùn)行至今，已完成總裝機(jī)2，820 MW（470 MW×6），成為世界最大的抽水蓄能電站，獲得在福岡舉行第七屆AICFM的水泵水輪機(jī)模型發(fā)展獎(jiǎng)項(xiàng)。

3 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)理念與功能

（1）對(duì)于在含沙水流中運(yùn)行的水力機(jī)械 （水輪機(jī)、水泵水輪機(jī)），在不影響水力效率的前提下，增強(qiáng)葉輪的抗汽蝕、耐磨損性能，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、耐用、安全的運(yùn)行指標(biāo)。

1）采用長(zhǎng)短葉片組合提高葉片出口部位的導(dǎo)流性能，可以改善流態(tài)，避免（或減少）脫流現(xiàn)象，防止渦流的產(chǎn)生，改善汽蝕磨損的性能，尤其在部分負(fù)荷和超負(fù)荷運(yùn)行情況下的抗泥沙磨損性能。

2）增加的短葉片使得泵工況出口部位的節(jié)距減小一半，加大葉柵稠密度，提高葉片對(duì)水流的導(dǎo)流（約束）能力，避免了出口液流偏離葉片的現(xiàn)象。同時(shí)，葉片出口部位單位面積上的負(fù)載大為減小。

3）良好的抗空蝕能力?；炝魇剿啓C(jī)高速水流會(huì)產(chǎn)生低壓區(qū)，容易導(dǎo)致空蝕和二次回流，造成下環(huán)進(jìn)口后面區(qū)域處尤易產(chǎn)生空蝕磨損、低效率和水力不穩(wěn)定等一系列問題，而長(zhǎng)短葉片、上冠處相對(duì)較小的出口直徑及轉(zhuǎn)輪下環(huán)側(cè)葉片較短等使葉片正、背面壓力差較小，從而有效避免下環(huán)至轉(zhuǎn)輪體之間不均衡流態(tài)和低壓區(qū)或轉(zhuǎn)輪空蝕等問題。長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)空蝕狀況良好，在大片區(qū)域內(nèi)空蝕安全裕度大，僅在空載、最大水頭最小流量、最小水頭最大流量等極端不利運(yùn)行工況下有一定程度的空腔空蝕和翼型空蝕。

（2）效率高

1）對(duì)于高水頭的混流式水輪機(jī)，在進(jìn)口處相對(duì)的流速一般在10 m/s左右，而出口處的相對(duì)流速一般則在40 m/s左右，因?yàn)樗Φ哪Σ翐p失大體上和水流速度的2次方成正比，故在轉(zhuǎn)輪中水力的摩擦損失絕大多數(shù)出現(xiàn)在葉片的出水邊附近，而長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的這個(gè)區(qū)域只有長(zhǎng)葉的葉片面積是減小了的。所以，水力損失并沒有增加，水輪機(jī)效率的負(fù)面影響也沒有增大。

2）根據(jù)流線-流面優(yōu)化導(dǎo)流性能的要求布置短葉片的位置（并非一定在兩個(gè)長(zhǎng)葉片的中間位置），使得轉(zhuǎn)輪出口流速正背面分布均勻，繞流葉片后匯合的水流更平穩(wěn)、順暢，轉(zhuǎn)輪整體流態(tài)改善，尤其是出口處圓周速度的降低使轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)性能改善。

3）長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪通過帶傾角的出口形狀和上冠處相對(duì)較小出口直徑（由于在泵工況下，葉片出口滑移減小了，與水頭-流量特性相適應(yīng)的葉片直徑或者說葉片出口角可以設(shè)計(jì)得小一點(diǎn)），減小了尾水管壓力脈動(dòng)和葉片間渦流，增大了穩(wěn)定運(yùn)行范圍和高效率區(qū)。

4 清蓄1號(hào)機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的驗(yàn)證

4.1 長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)

（1）模型試驗(yàn)

1）固定雷諾數(shù)ReM下水泵加權(quán)平均效率ηhMP= 91.63%＞91.59%（合同保證值，下同），水輪機(jī)效率ηhMT=91.74%＞91.7%。

2）正常運(yùn)行范圍轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉間的壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果（最大值）3.5%＜保證值5%；正常運(yùn)行范圍轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間壓力腔的壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果（最大值）4.8%＜保證值5%；正常運(yùn)行范圍尾水管壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果（最大值）1.2%＜保證值2%。

3）水輪機(jī)工況電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.47～2.65，有較大的裕度；水泵工況電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.36～2.25，同樣有較大的裕度，也就是說原型機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)不發(fā)生空化。

4）二次流初生限制線至49.0 Hz下最大總揚(yáng)程的余量4.2%＞合同要求4%。

5）正常運(yùn)行，無葉區(qū)脈動(dòng)即導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間水壓脈動(dòng)值（ΔH/H%，ΔH為雙振幅）4.1%＜保證值5%，尾水管壓力脈動(dòng)1.4%＜保證值2%。

（2）真機(jī)試驗(yàn)

1）空載試驗(yàn)：上庫水位約591.43 m，比上庫正常蓄水位612.50m低21.07m，僅比上庫死水位587.00m高4.43m；下庫水位129.24m，水頭約462.19 m。即在水頭約462.19 m左右空載持續(xù)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速基本無波動(dòng)，擺度幅值僅約0.1 Hz，并均能順利通過自動(dòng)并網(wǎng)試驗(yàn)。如圖1所示，機(jī)組自動(dòng)開機(jī)超調(diào)量0.17 Hz，啟動(dòng)時(shí)間19.8 s，驗(yàn)證了全特性曲線所標(biāo)示的“無S特性，任何水頭均可正常并網(wǎng)”的預(yù)期。

圖1 空載啟動(dòng)

如表2所示的機(jī)組空轉(zhuǎn)工況上、下機(jī)架振動(dòng)及上、下導(dǎo)軸擺均較小，只是受空轉(zhuǎn)工況流場(chǎng)不太穩(wěn)定的影響，頂蓋振動(dòng)和水導(dǎo)擺度略大（但仍在可以運(yùn)行范疇）。其余振動(dòng)值全部落入A區(qū)（優(yōu)良運(yùn)行區(qū)），優(yōu)于國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組的平均先進(jìn)水平。

表2 空轉(zhuǎn)振擺

（3）120%電氣過速試驗(yàn)

在水頭為463 m時(shí)，機(jī)組在手動(dòng)模式下進(jìn)行了120%電氣過速試驗(yàn)（接力器行程為65%），最高轉(zhuǎn)速升至123%，如圖2所示。從現(xiàn)場(chǎng)曲線和解析波形分析，壓力和轉(zhuǎn)速上升幅值正常，也沒有所謂的“S”特性出現(xiàn)。

圖2 120%過速試驗(yàn)

（4）負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組先后進(jìn)行了甩80 MW、160 MW、240 MW和305 MW、317 MW發(fā)電負(fù)荷試驗(yàn)，甩后數(shù)據(jù)見表3及圖3。從幾次甩負(fù)荷結(jié)果來看，轉(zhuǎn)速上升值均比廠家調(diào)保計(jì)算低約4%，蝸殼最大水壓上升幅值也低約10%，而尾水管最小壓力則高12%左右，均能較好的滿足控制值要求，也為后續(xù)順利進(jìn)行雙機(jī)或多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)提供了判據(jù)。所有這些是長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪有利于機(jī)組穩(wěn)定性能的強(qiáng)勢(shì)證明。

表3 甩負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖3 甩負(fù)荷波形圖

（5）負(fù)載試驗(yàn)

水輪機(jī)工況25%、37.5%和50%負(fù)載運(yùn)行測(cè)錄的機(jī)組振擺如表4所示，可以看出，25%負(fù)載時(shí)僅水導(dǎo)和頂蓋的通頻稍大，其他振擺都還正常；37.5%和50%負(fù)載時(shí)機(jī)組則完全納入可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的允許范圍。

表4 負(fù)載運(yùn)行振擺

4.2 試驗(yàn)結(jié)論

1號(hào)機(jī)水泵工況在高低揚(yáng)程均進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，表5為水泵工況熱穩(wěn)定性試驗(yàn)期間的測(cè)錄，整個(gè)大軸擺度的絕對(duì)值均比較?。ň跇?biāo)準(zhǔn)可不受限制運(yùn)行的A區(qū)），水導(dǎo)擺度甚至比上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度幅值還要小；上、下機(jī)架振動(dòng)和頂蓋振動(dòng)均處在標(biāo)準(zhǔn)A區(qū)。

這無疑是長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪對(duì)機(jī)組水泵工況全揚(yáng)程高效穩(wěn)定運(yùn)行的有力佐證。

表5 水泵工況熱穩(wěn)定性振擺

5 結(jié)語

清蓄首臺(tái)機(jī)組的順利調(diào)試，為后續(xù)機(jī)組順利調(diào)試及多機(jī)甩負(fù)荷提供了數(shù)據(jù)參考，同時(shí)長(zhǎng)短葉片首次在國(guó)內(nèi)大型抽水蓄能電站成功應(yīng)用，將對(duì)我國(guó)蓄能電站事業(yè)產(chǎn)生積極影響，主要取得以下幾點(diǎn)應(yīng)用成果：

（1）很好地解決了水輪機(jī)工況部分負(fù)荷下運(yùn)行范圍由于進(jìn)口處空蝕而受限的難題。

一般高水頭水泵水輪機(jī)由于其高流速和高強(qiáng)度空化，即使是輕微的初生空化都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損壞，往往把避免進(jìn)口空化的形成作為水輪機(jī)運(yùn)行范圍的限制條件。清蓄長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪由于葉片總面積隨葉片數(shù)量同步增加，其單位面積所承受的荷載相應(yīng)減小，最終效果是葉片正壓面和負(fù)壓面壓力差降低，從而有效的改善轉(zhuǎn)輪抗空蝕的性能。葉片直徑和葉片角度的減小使水輪機(jī)工況下相對(duì)流速的葉片入流角變化減少，從而使轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的空化特性得到提高，也減小整個(gè)出力范圍的軸振動(dòng)。其運(yùn)行試驗(yàn)表明其能在30%～40%負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定、可靠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，足以證明在相當(dāng)寬的運(yùn)行范圍內(nèi)具有進(jìn)口處空化較少、效率更高、壓力脈動(dòng)更小的特點(diǎn)，較好的解決了低比轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組一般都存在部分負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。

（2）清蓄機(jī)組雖然還沒有進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)，但從模型試驗(yàn)的資料，以及機(jī)組在空載、過速和甩負(fù)荷試驗(yàn)的測(cè)錄數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，清蓄長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪的采用有效解決了低比轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組低效率的難題。

1）長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪直徑的減?。òㄞD(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)）使得整機(jī)尺寸減小、圓盤損失減少，同時(shí)泵工況轉(zhuǎn)輪出口部位葉柵稠密度增大，流道具備良好、通暢的導(dǎo)流性能。

2）長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪能夠優(yōu)化葉輪入口的旋轉(zhuǎn)速度，尤其是在偏離設(shè)計(jì)工況（如部分負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域）時(shí)，減小葉輪沖角，減緩由葉輪內(nèi)二次流、水流的分離和分層效應(yīng)相互影響、激發(fā)形成的尾流與射流區(qū)間的速度梯度，在一定流量范圍區(qū)域降低回流出現(xiàn)的臨界速度，從而延緩回流的產(chǎn)生。尤其是對(duì)旋轉(zhuǎn)線速度、葉片曲率大的低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)，能有效避免由于回流和脫流擠壓主流（射流）空間導(dǎo)致能量損失急劇上升以及隨生壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲。如前所述，水輪機(jī)運(yùn)行高效率區(qū)加寬、延伸到了30%～40%負(fù)荷區(qū)段，從整體上較大提高水輪機(jī)效率是不言而喻的。

（3）一般高水頭可逆式機(jī)組在水泵工況時(shí)流量隨揚(yáng)程的變化會(huì)比較大，清蓄機(jī)組水泵工況高、低揚(yáng)程穩(wěn)定熱運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

1）由于長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪（與同等的七葉片轉(zhuǎn)輪相比較）增加了總?cè)~片數(shù)，使得每個(gè)葉片的負(fù)荷有所降低，減小了負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的壓力脈動(dòng)，也減少了尾水管的壓力脈動(dòng)，機(jī)組可運(yùn)行范圍都會(huì)有所加寬，尤其水泵工況更加顯著。

2）由于葉片角度的減小使泵水頭隨流量的變化變小，從而使一定水頭范圍內(nèi)的入流角的變化減少，這就導(dǎo)致空化特性的提高。

因此，水泵流量隨揚(yáng)程的變化較小，使得運(yùn)行于高揚(yáng)程時(shí)得到更大的泵流量，減少水泵運(yùn)行所需的總時(shí)間。這就意味著，清蓄采用長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪有效解決了運(yùn)行中的揚(yáng)程變化范圍受限的難題。

［1］梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］楊中興，覃大清，楊 玚.我國(guó)抽水蓄能機(jī)組技術(shù)國(guó)產(chǎn)化歷程與思考［J］.調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)，2013.

［3］NalamnmT，高轉(zhuǎn)速高水頭可逆式水泵水輪機(jī)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

陳泓宇（1975-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行檢修和基建工作。