榮 紅，宋旭峰，楊文道，蒲楠楠，秦曉峰

（1．南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2．國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3．河海大學，江蘇省南京市 210098）

抽水蓄能機組“S”特性判定方法的研究

榮 紅1，宋旭峰2，楊文道2，蒲楠楠3，秦曉峰1

（1．南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2．國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3．河海大學，江蘇省南京市 210098）

本文根據(jù)抽水蓄能電站調節(jié)保證模擬計算經(jīng)驗，總結出“S”特性的判定方法，并通過實際案例加以證明不同“S”特性對水錘壓力的影響。同時，提出判別可逆式機組穩(wěn)定性的“Z”特性，結合某電站的真機實測脈動壓力幅值結果來說明“Z”特性對可逆式機組振動穩(wěn)定性的影響。

抽水蓄能電站；“S”特性；振動穩(wěn)定性；“Z”特性

0 引言

近些年，根據(jù)電網(wǎng)的需求，抽水蓄能電站得到了快速發(fā)展。然而，抽蓄電站的核心部件——可逆式水泵水輪機的性能仍有待進一步提高。其中，可逆式機組的“S”特性及水力穩(wěn)定性是對抽水蓄能技術研究的重中之重。就目前已建抽水蓄能電站運行及調試情況來看，很多電站存在機組并網(wǎng)困難，正常運行時機組穩(wěn)定性較差，甩負荷過程機組伴隨著較大的噪聲和振動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象均與轉輪“S”特性及振動穩(wěn)定性有關。

針對可逆式機組“S”特性和振動穩(wěn)定性的問題，不少學者做了大量研究。紀興英[1]等人對水輪機工況不同導葉開度下的小流量區(qū)進行數(shù)值計算，獲得了水泵水輪機“S”特性區(qū)單位轉速與單位流量的關系曲線，提出了影響水泵水輪機“S”特性的轉動域流動特征。陳德新[2]等人針對低比轉速模型水泵水輪機轉輪內流道的流態(tài)特征進行可視化測試，獲得了“S”特性區(qū)轉輪葉片翼形間的流動圖像以及速度矢量變化，討論了“S”特性區(qū)紊態(tài)流動的原因。周建旭[3]等人從水力阻抗的角度推導出可逆式機組可能產(chǎn)生自激振動的判別條件以及相應的不穩(wěn)定區(qū)域，應用非線性振動理論，分析抽水蓄能電站產(chǎn)生自激振動時的幅頻特性。

以上研究都是針對“S”特性區(qū)紊態(tài)流動特性開展，而對“S”特性優(yōu)劣程度判定方法的研究很少見。本文根據(jù)抽水蓄能電站調節(jié)保證模擬計算經(jīng)驗，總結出判定“S”特性優(yōu)劣的方法，并舉例加以說明。同時，提出全特性曲線“Z”特性這一概念對機組穩(wěn)定性進行分析，結合某電站的真機測試結果說明“Z”特性對可逆式機組振動穩(wěn)定性的影響。

1 “S”特性判定方法

1.1 “S”特性判定方法的提出

“S”特性是研究可逆式機組的關鍵問題所在，“S”特性的好壞直接影響機組并網(wǎng)難易程度以及機組在過渡工況能否安全運行[4]。本文以全特性曲線的斜率以及斜率的變化范圍表征“S”特性區(qū)等開度線過渡的緩急程度，即等開度線同額定單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值大小及該差值的變化范圍（該范圍以10%等開度線與最小單位轉速的交點到額定開度線與額定單位轉速的交點作為界定）作為表征“S”特性的依據(jù)，如圖1所示。若等開度線同單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值較大，則“S”區(qū)等開度線過渡較平緩，“S”特性較好；若等開度線同單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值較小，則“S”區(qū)等開度線過渡急促，“S”特性較差。

圖1 “S”特性判定方法示意圖

1.2 實例分析

本文以不同水頭段（300m、400m）的兩個抽水蓄能電站（電站1、電站2）為例，每個電站采用兩套參數(shù)相近全特性曲線進行一維調節(jié)保證模擬計算，通過比較兩套曲線甩負荷過渡過程計算結果來驗證“S”特性判定方法的準確性。

表1為電站1兩套曲線“S”特性對比結果，圖2、圖3為曲線1、曲線2流量特性曲線。對于10%等開度線同最小單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值：曲線1＞曲線2；對于額定開度線同額定單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值：曲線1＞曲線2；對于斜率變化范圍：曲線1的斜率變化范圍相對較小。由以上數(shù)據(jù)可得：曲線2的“S”特性較明顯，曲線1的“S”區(qū)過渡較平緩。

表2為電站2兩套曲線“S”特性對比結果，圖4、圖5為曲線3、曲線4流量特性曲線。對于10%等開度線同最小單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值：曲線3＞曲線4；對于額定開度線同額定單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值：曲線3＞曲線4；對于斜率變化范圍：曲線3的斜率變化范圍相對較大。雖然曲線3大、小開度線的“S”特性差距較大，但均比曲線4好。由以上數(shù)據(jù)可得：曲線4的“S”特性較明顯，曲線3的“S”區(qū)過渡較平緩。

表1 電站1“S”特性區(qū)斜率對比

圖2 曲線1流量特性曲線

圖3 曲線2流量特性曲線

表2 電站2“S”特性區(qū)斜率對比

圖4 曲線3流量特性曲線

圖5 曲線4流量特性曲線

表3為電站1以及電站2最大水頭以及額定水頭雙機甩負荷大波動計算結果對比表。對比電站1兩套曲線的計算結果可知：對于蝸殼極值壓力，曲線1計算結果比曲線2計算結果小約20m；對于尾水管極值壓力，曲線1計算結果較曲線2計算結果高5m左右；對于最大轉速上升率，兩者計算結果相當。綜上所述，曲線1的計算極值結果均優(yōu)于曲線2的計算極值結果，說明：曲線1的“S”特性較好。對比電站2兩套曲線的計算結果可知：對于蝸殼極值壓力，曲線3計算結果比曲線4計算結果小約20m左右；對于尾水管極值壓力，曲線3計算結果與曲線4計算結果相當；對于最大轉速上升率，兩者計算結果相當。綜上所述，曲線3的計算極值結果均優(yōu)于曲線4的計算極值結果，說明：曲線3的“S”特性較好。

表3 大波動計算結果對比

綜上可知，兩電站的計算結果均滿足“S”特性判定方法的規(guī)律，兩電站水頭范圍的不同，也證明了本判定方法的適用性。

2 “S”區(qū)穩(wěn)定性的判定方法

2.1 “S”區(qū)穩(wěn)定性判定方法的提出

“S”特性不僅關系到可逆式機組過渡過程水錘壓力的大小，而且能夠影響到機組過渡過程中的振動穩(wěn)定性。本文提出可逆式機組全特性曲線中水輪機工況區(qū)“S”特性中的“Z”特性這一概念，如圖6所示?！癦”特性由等開度線在水輪機工況區(qū)的形狀提出，若等開度線在大流量區(qū)由負斜率立刻轉為正斜率，轉折較急促，形如“Z”，則具有“Z”特性。在水輪機工況區(qū)，等開度線單位流量隨著單位轉速的增加而緩慢減小，當單位轉速達到最大值時，轉速隨之也達到極值。由于巨大的離心力作用，使轉輪出現(xiàn)截流效應，一部分水體被倒吸，產(chǎn)生反水泵現(xiàn)象，引起水體周期性振蕩。一般在最大轉速附近，脈動幅值最大。隨后進入反“S”制動區(qū)，即正斜率區(qū)，部分水體從尾水流道甩出，部分水體被倒吸，脈動壓力依然存在。但由于水體減少，沖擊相對減弱，脈動幅值隨之逐漸減小。對比50%等開度線和75%等開度線，50%等開度線在水輪機工況區(qū)單位流量隨單位轉速的增大而緩慢減小，減小的幅度并不大；75%等開度線在水輪機工況區(qū)單位流量先隨單位轉速的增大而緩慢減小，單位轉速接近最大單位轉速時，單位流量減小的幅度增大，被甩出流道的水體增多，留在轉輪室的水體相對較少，甩負荷過程振動劇烈程度較紅色等開度線甩負荷過程減輕，即等開度線由負斜率轉為正斜率的速率越快，正斜率區(qū)的斜率越小，機組振動穩(wěn)定性越差。

圖6 “Z”特性示意圖

2.2 案例分析

本節(jié)采用某電站（電站3）真機測試數(shù)據(jù)為例，通過比較脈動壓力振幅來比較不同區(qū)域的振動穩(wěn)定性，如表4、表5及圖7、圖8所示。

表4 雙機甩50%額定負荷不同測點各時間點脈動幅值對比表

表5 雙機甩75%額定負荷不同測點各時間點脈動幅值對比表

圖7 雙機甩50%額定負荷機組運行軌跡線

圖8 雙機甩75%額定負荷機組運行軌跡線

監(jiān)測機組甩負荷開始后10s內脈動幅值的變化，根據(jù)雙機甩50%額定負荷真機試驗數(shù)據(jù)，圖7所示，可知機組從甩負荷后5s開始，機組運行軌跡線由負斜率迅速轉變到正斜率。由表5數(shù)據(jù)可得，機組甩負荷開始5s后，脈動幅值迅速增大，5s至6s分別出現(xiàn)了蝸殼測點和尾水管測點脈動振幅的最大值，蝸殼測點幅值變化越21m，尾水管測點幅值變化約5m，隨后脈動幅值有所減小至10s。根據(jù)雙機甩75%額定負荷真機試驗數(shù)據(jù)，圖8所示，可知機組從甩負荷后7s開始，機組運行軌跡線由負斜率迅速轉變到正斜率。由表6數(shù)據(jù)可得，機組甩負荷開始脈動振幅由小逐漸加大，7s時蝸殼測點和尾水管測點的脈動振幅達到最大值，蝸殼測點脈動幅值變化約11m，尾水管測點脈動幅值變化約6m，隨后各測點的振幅均逐步減小至10s。

以上數(shù)據(jù)說明，可逆式機組水輪機工況甩負荷過渡過程中，機組運行軌跡處于正斜率區(qū)，則會出現(xiàn)幅值較大的脈動壓力。運行軌跡由負斜率轉為正斜率轉折越急促，速率越快，則脈動壓力幅值變化程度越大。

3 結束語

本文根據(jù)計算經(jīng)驗，提出了“S”特性強烈程度的判定方法，并通過兩個算例進行有效驗證。同時，本文提出了“Z”特性的概念評判可逆式機組振動穩(wěn)定性，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了“Z”特性對機組振動穩(wěn)定性的影響。具體成果總結如下：

（1）本文提出了“S”特性的判定方法，即等開度線同額定單位轉速交點斜率與該條開度線同n11坐標軸交點斜率的差值大小及該差值的變化范圍（該范圍以10%等開度線與最小單位轉速的交點和額定開度線與額定單位轉速的交點作為界定）作為表征“S”特性的依據(jù)：差值越大，“S”特性越好。

（2）本文根據(jù)全特性曲線等開度線的變化趨勢提出了“Z”特性的概念。在可逆式機組全特性曲線水輪機工況“S”區(qū)，若等開度線的形狀更接近“Z”，則機組在甩負荷過程中振動穩(wěn)定性較差，壓力脈動較劇烈。

[1] 紀興英， 賴旭． 低比轉速水泵水輪機“S”區(qū)特性數(shù)值模擬 [J]． 水動力學研究與進展，2011，26（3）：319-325．

[2] 陳德新， 謝輝． 低比速水泵水輪機“S”特性的內部流動[J]．水利學報，2001，32（2）：76-79．

[3] 周建旭． 長輸水系統(tǒng)電站振動特性與穩(wěn)定性分析[M]． 北京：中國水利水電出版社，2011．

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

榮 紅（1982—），男，助理工程師，主要研究方向：水電廠水輪機調速器研發(fā)、設計和調試。E-mail：ronghong@sgepri．sgcc．com．cn

宋旭峰（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：水電廠運行、檢修管理及自動化技術。E-mail：18811187966@139．com

楊文道（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：水電廠水輪機調速器應用與調試。E-mail：13968591105@163．com

蒲楠楠（1991—），女，助理工程師，主要研究方向：水電廠水輪機調速器仿真。E-mail：281708906@qq．com

秦曉峰（1988—），男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：水電廠水輪機調速器調試和研究工作。E-mail：qinxiaofeng@sgepri．sgcc．com．cn

Research of Determining Method to“ S ”Characteristics for Pumped Storage Units

RONG Hong1， SONG Xufeng2， YANG Wendao2， PU Nannan3，QIN Xiaofeng1
（1.Nanjing NARI Group Corporation， Nanjing， 211106，China，2.State Grid XinYuan Company Ltd.， Beijing 100761，China，3.Hehai University，Nanjing，210098，China）

According to the calculation of hydraulic transients of the pumped-storage power station，we sum up how to cognize“S” characteristics， and prove that different“S”characteristics impact on the water hammer pressure through the actual cases. Meanwhile， we determine its stability of reversible pump-storage unit on the basis of“Z”characteristics， the effect of “Z”characteristics on the stability of reversible pump-storage unit was illustrated combining with the fluctuating pressure amplitude actual measurement of turbine of a hydropower station.

pumped storage power station ；“S” characteristics ；stability of vibration ；“Z”characteristics