劉德民，許唯林，趙永智

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000；2.四川大學(xué)，四川省成都市 610065）

0 引言

“十三五”和“十四五”期間，中國建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)大量的抽水蓄能電站，中國的抽水蓄能發(fā)展特點(diǎn)是高水頭、大容量和高轉(zhuǎn)速。目前建設(shè)中的抽水蓄能電站單級水頭已經(jīng)接近800m，容量已經(jīng)達(dá)到400MW，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到600r/min。不斷推進(jìn)中國的抽水蓄能電站向著更高的目標(biāo)邁進(jìn)。

隨著電網(wǎng)中核電、燃?xì)獍l(fā)電及聯(lián)合循環(huán)電站等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的大規(guī)模利用，其在電網(wǎng)上所占比例日漸增大，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難。圖1為某風(fēng)場的輸出功率波動圖，可見風(fēng)電負(fù)荷波動較大。核電在電網(wǎng)中的比重增加，夜間也滿負(fù)荷運(yùn)行，可以調(diào)整輸出功率的其他機(jī)組在夜間被停運(yùn)，就會產(chǎn)生夜間負(fù)荷調(diào)整困難及頻率波動的問題。恒速蓄能機(jī)組在此期間以水泵工況運(yùn)行，不能調(diào)節(jié)輸入功率，因此無法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求?？勺兯傩钅軝C(jī)組就是解決該問題的辦法之一，這里所指的可變速運(yùn)行與變極電機(jī)的雙轉(zhuǎn)速切換運(yùn)行完全不同，是指機(jī)組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無級變速運(yùn)行。

抽水蓄能的另一個發(fā)展方向就是變速抽水蓄能機(jī)組，為了使抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍更寬，響應(yīng)更快，運(yùn)行更靈活，機(jī)組的參數(shù)從單一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向了變轉(zhuǎn)速。

圖1 某風(fēng)場瞬時輸出功率、平均輸出功率和最大輸出功率的關(guān)系圖Figure 1 The Diagram of instantaneous output，average output and maximum output of a wind field

1 可變速機(jī)組研究現(xiàn)狀

1.1 國外抽水蓄能機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，日本、歐洲各國在變速抽水蓄能機(jī)組的應(yīng)用方面均進(jìn)行了深入的工作，其中日本是研發(fā)、制造和應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵磁蓄能機(jī)組最早且最多的國家。目前國際上有經(jīng)驗(yàn)的主機(jī)供貨商如日本東芝、日立、三菱、ANDRITZ、ALSTOM、VOITH等公司分別在日本、斯洛文尼亞、德國、瑞士、印度、法國、葡萄牙等國家有超過17個電站，合計(jì)37臺機(jī)組的供貨業(yè)績。

1.2 國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，中國大型抽水蓄能電站建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷了近40年的多方不懈努力的歷程，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)設(shè)備從國外引進(jìn)技術(shù)到實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)。建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和全方位管理也都積累了廣泛而寶貴的經(jīng)驗(yàn)，只是目前國內(nèi)已投運(yùn)和建設(shè)的大型抽水蓄能機(jī)組均為定轉(zhuǎn)速機(jī)組。

中國通過技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，也曾開展過變速機(jī)組的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國內(nèi)僅有4座電站的小容量變速機(jī)組投入運(yùn)行，基本都屬于變極調(diào)速方式，并非真正意義上的可變速電機(jī)。石家莊崗南電站1號機(jī)組、密云水電站裝有2臺變速抽水蓄能機(jī)組（斜流式），1973年投運(yùn)，發(fā)電容量12MW，抽水最大容量15MW。響洪甸電廠5號和6號機(jī)組為變速機(jī)組，1999年投運(yùn)，額定轉(zhuǎn)速150r/min時功率為42MW，額定轉(zhuǎn)速166.7r/min 時功率為55MW。潘家口電站裝有3臺單機(jī)容量90MW的變速抽水蓄能機(jī)組。水頭變幅高達(dá)2.4，水泵水輪機(jī)具有兩種固定轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)工況機(jī)組轉(zhuǎn)速為125r/min，水泵工況當(dāng)揚(yáng)程為85.7～65.1m時，轉(zhuǎn)速為142.8r/min；當(dāng)揚(yáng)程為66.4～36m時，轉(zhuǎn)速為125r/min。

1.3 變速抽水蓄能機(jī)組特點(diǎn)

與其他電源相比，抽水蓄能電站具有快速啟動和高輸出功率變化率的特點(diǎn)。除了具有在峰荷小時按計(jì)劃供電的特點(diǎn)外，抽水蓄能在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的優(yōu)勢有以下幾個方面：

1.3.1 可變速抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行方面的作用

（1）可在其他電站非計(jì)劃停機(jī)時供電。

（2）可控制大電力需求量變化，例如早晨時段。

（3）提供熱儲備（從秒到分的波動控制），或者運(yùn)行儲備（從1分鐘到幾分鐘的控制）。

（4）提供輸變電網(wǎng)發(fā)生故障時的電流調(diào)節(jié)或電壓控制。

（5）出現(xiàn)大面積干擾時能夠啟動恢復(fù)點(diǎn)。

（6）通過在輕負(fù)荷時段以有效輸出功率運(yùn)行基荷供電電源，全面降低燃料價格。

1.3.2 抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行中的作用

抽水蓄能電站在需—供控制和電力系統(tǒng)運(yùn)行中的作用論證在該領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟，各國論證方法也基本相同。

1.3.3 可變速抽水蓄能機(jī)組在需—供控制中的運(yùn)行情況

在日本除了抽水蓄能電站本身的作用外，可變速抽水蓄能機(jī)組作為調(diào)節(jié)儲能在夜間運(yùn)行。與其他電源形式相比，變速抽水蓄能機(jī)組具有的快速動態(tài)寬功率響應(yīng)能力成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，如表1所示。

表1 各類型發(fā)電機(jī)組輸出功率變化率Table 1 The rate of change of electric generator output

變速抽水蓄能機(jī)組由于寬功率的調(diào)節(jié)要求，調(diào)節(jié)范圍由某一開度的一條線拓寬為了一條運(yùn)行帶。對于變速機(jī)組而言，影響變速機(jī)組運(yùn)行范圍的主要因素為駝峰、空化、最大輸入功率和流量調(diào)節(jié)范圍（見圖2）。這其中空化最為重要，空化直接影響機(jī)組的壽命，所以變速機(jī)組對無空化運(yùn)行提出了更高的要求。

圖2 變速機(jī)組的輸入功率調(diào)節(jié)范圍Figure 2 The input force regulation range of variable speed pumped storage unit

既然空化對變速抽水蓄能機(jī)組如此重要，因此很有必要對變速機(jī)組，尤其是空化特性進(jìn)行研究。目前業(yè)界對空化的研究方法包括數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)。

1.4 空化數(shù)值計(jì)算研究

對空化特性開展的數(shù)值計(jì)算的方法很多：包括多種空化模型，同時引入可壓縮效應(yīng)對空化流進(jìn)行研究。目前混合流體模型中采用的空化模型主要分為以下三種：

（1）基于空泡動力學(xué)的空化模型[1-6]；

（2）基于氣液平衡界面理論的空化模型[7]；

（3）基于蒸發(fā)—凝結(jié)相變理論的空化模型[8]。在這三類空化模型中，基于空泡動力學(xué)的全空化模型（full cavitation model）使用最為廣泛，發(fā)展較為充分。

空化質(zhì)量輸運(yùn)方程的使用基于如下假定：

（1）把氣液混合流體，看作一個密度可變的多組分單一流體，氣相與液體相之間無滑移，擁有相同的壓力和速度，只需要一組動量方程即可描述[6]。

（2）在全流場內(nèi)求解混合介質(zhì)的雷諾時均N-S方程和連續(xù)方程。

利用質(zhì)量輸運(yùn)方程對空化流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通常將氣液兩種介質(zhì)假定為變密度的混合物來處理。

為了求解空化流場，氣相的連續(xù)方程被引入：

式中：Re——水蒸汽生成率；

Rc——水蒸汽凝結(jié)率；

Re-Rc——相變引起的質(zhì)量輸運(yùn)。

對于質(zhì)量輸運(yùn)源項(xiàng)Re和Rc的計(jì)算方法，Merkle（1998）[7]、Kunz （1999，2000）[7-8]、Singhal （2002）[9]、Senocak和Shyy（2004）[10]和 Zwart-Gerber-Belamri（2004）（簡稱 ZGB模型）[5，11]等許多學(xué)者開展了廣泛的研究并進(jìn)行了特定范圍內(nèi)的修正。

1.5 空化試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究，包括對各翼形的空化形態(tài)特征研究和水力機(jī)械中的空化研究。其中對翼型空化的研究內(nèi)容主要包含空泡初生、發(fā)展和潰滅的過程，以及與之相伴生的在空泡全生命周期中的壓力脈動和空泡脫落頻率的研究[13-15]。對水力機(jī)械的空化研究側(cè)重在水輪機(jī)、水泵和水中螺旋槳產(chǎn)生的各種空泡形態(tài)進(jìn)行研究[16]。

2 數(shù)學(xué)模型

兩相流法將液體和氣體看成一個混合物，通過一個混合密度來表征汽液體積分?jǐn)?shù)的變化，汽液兩相具有相同的速度和壓力，相間無滑移，在全場應(yīng)用控制方程來求解。為了描述汽液相變過程，各種版本的質(zhì)量傳輸方程被提出。

2.1 改進(jìn)質(zhì)量傳輸方程的應(yīng)用（改進(jìn)ZGB模型）

流體的連續(xù)方程為：

流體的動量方程為：

式中：μ——動力黏性系數(shù)；

λ——膨脹黏性系數(shù)。

為了求解空化流，汽相的連續(xù)方程被引入：

式中：Re——水蒸氣生成率；

Rc——水蒸氣凝結(jié)率；

Re-Rc——相變引起的質(zhì)量輸運(yùn)。

質(zhì)量傳輸方程的使用基于如下假定：

（1）氣液混合流體為均質(zhì)平衡流，把整個流場看作一個密度可變的多組分單一流體，只需要一組動量方程即可描述[6]。

（2）氣相與液相達(dá)到動力平衡與擴(kuò)散平衡，兩相之間無滑移，擁有相同的壓力、速度。

（3）在全流場內(nèi)求解混合介質(zhì)的雷諾時均N-S方程和連續(xù)方程。

其中： 為混合流體的密度，ρm=(1 -αv)ρl+ρvαv+ρgαg；ui為混合流體的速度矢量；p為壓力；αv為汽相的體積組分；對選定的翼型進(jìn)行多次試算，作者對ZGB模型進(jìn)行了改進(jìn)研究，最終確定Fvap=80，F(xiàn)con=0.01，計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)相比更為接近，見圖4。

對模型的驗(yàn)證，計(jì)算對象是NACA0015翼型，它的具體參數(shù)是：弦長C0=0.015m，翼展寬度為0.08m，攻角為8°，在翼型的吸力面四個不同的位置分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)p1，p2，p3和p4，見圖3。分別對應(yīng)空化系數(shù)從0.5到3，在不同的工況分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。邊界條件為進(jìn)口速度U∞=8m/s，出口壓力p∞。

圖3 翼型流場結(jié)構(gòu)圖及其測點(diǎn)Figure 3 The flow field structure diagram of hydrofoil and its measuring points

無量綱參數(shù)有：空化系數(shù)σ和壓力系數(shù)Cp分別定義如下：

應(yīng)用改進(jìn)模型對NACA0015翼型進(jìn)行了計(jì)算比較驗(yàn)證，對NACA0015翼型在空化系數(shù)σ=1.5工況下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)ZGB模型計(jì)算的壓力系數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果更為接近，見圖4。這是由于改進(jìn)ZGB模型提高了空化時的質(zhì)量傳輸率。

圖4 改進(jìn)ZGB模型和ZGB模型以及試驗(yàn)測試壓力系數(shù)比較Figure 4 Comparison of improved ZGB model and ZGB model and test pressure coefficient

2.2 考慮可壓縮效應(yīng)和空化特征的水泵水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

試驗(yàn)所用的模型水泵水輪機(jī)是按某抽水蓄能電站原型水泵水輪機(jī)等比例縮小的模型。可逆式水泵水輪機(jī)為單級混流式水泵水輪機(jī)，其比轉(zhuǎn)速ns為284.94（m·kW），如圖5所示。水泵水輪機(jī)模型幾何參數(shù)如表2所示?；炝魇剿盟啓C(jī)全流道包括五個部分：蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管。

表2 水泵水輪機(jī)模型基本幾何參數(shù)表Table 2 The basic parameter of pumped turbine

圖5 水泵水輪機(jī)全流道計(jì)算域Figure 5 The full passage of pump turbine

水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動區(qū)域的幾何形狀復(fù)雜且不規(guī)則，其中轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格采用ANSYS-TurboGrid軟件劃分，其余通流部件流道網(wǎng)格劃分采用ANSYS-ICEMCFD軟件劃分。全計(jì)算域均采用六面體網(wǎng)格劃分，并且對邊界層進(jìn)行局部加密和平滑過渡，以便更好地解析邊界層的流動特征，如圖6所示。全流道網(wǎng)格單元總數(shù)為764萬個，蝸殼為49萬個，固定導(dǎo)葉為239萬個，活動導(dǎo)葉135萬個，轉(zhuǎn)輪為158萬個和尾水管為182萬個。

圖6 部分流道網(wǎng)格劃分圖Figure 6 The mesh of full passage of pump turbine

水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪空化計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。利用計(jì)算模型對水泵水輪機(jī)進(jìn)行了空化計(jì)算，計(jì)算工況為某機(jī)組最高揚(yáng)程工況，空化初生發(fā)生在單個葉片進(jìn)口的吸力面，空化發(fā)展時多個葉片上出現(xiàn)空泡。

圖7 空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)計(jì)算結(jié)果Figure 7 The CFD result of of cavitation incipient and developing

對于高水頭（一般大于400m）水頭水泵水輪機(jī)，水體表現(xiàn)出一定的弱可壓縮性，最近的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該水體可壓縮性不可忽略，如何建立狀態(tài)方程和壓力波在水的可壓縮狀態(tài)下的傳播規(guī)律，實(shí)現(xiàn)考慮水體可壓縮效應(yīng)精確地模擬水泵水輪機(jī)中的壓力脈動。

如圖8所示，對于水泵水輪機(jī)而言，動靜干涉誘發(fā)的激振頻率大約在50～200Hz，對應(yīng)的波長大約5～30m。因此，水中的聲波波長基本上和真機(jī)的尺度相似。在這種情況下，可能會發(fā)生聲共振，聲效應(yīng)會放大壓力脈動，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的高振幅振動。這種聲效應(yīng)可以通過水的可壓縮性表征出來，因此壓力脈動的傳播規(guī)律在真機(jī)尺度和可壓縮效應(yīng)中表現(xiàn)出不同于模型機(jī)組和不可壓縮流體的特點(diǎn)。

空化計(jì)算和可壓縮效應(yīng)均是液體的密度發(fā)生變化。其區(qū)別是空化是作為混合介質(zhì)，通過水的汽化，改變混合物的密度?？蓧嚎s效應(yīng)是引入壓力波的傳播效應(yīng)，改變水的密度。

水的狀態(tài)方程被引入流動計(jì)算中：

式中：ρ——水的密度；

ρ0——水的參考密度，1000kg/m3；

p0——水的參考壓力，101325Pa；

a——聲速；

K——水的體積彈性模量，通常情況下為常數(shù)，K=2×109Pa。

考慮水的可壓縮性，將水的連續(xù)方程和動量方程中的密度應(yīng)用式（6）進(jìn)行修正，則方程變?yōu)椋?/p>

利用可壓縮模型對水泵水輪機(jī)的壓力脈動進(jìn)行計(jì)算，選取設(shè)計(jì)水頭作為計(jì)算條件。

根據(jù)水泵水輪機(jī)工作特性，將水輪機(jī)工況下蝸殼入口作為全流道計(jì)算域的進(jìn)口邊界，定義為壓力進(jìn)口。尾水管出口作為全流道計(jì)算域的出口邊界，定義為開放式壓力出口，出口相對靜壓為0。蝸殼進(jìn)口邊界條件的水頭與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選取。在交界面的處理上，采用GGI方式進(jìn)行連接。定常計(jì)算時，交界面類型為靜靜交界面采用none類型，動靜交接面采用Frozen Rotor類型。在非定常計(jì)算中，靜靜交界面依然采用None類型，而動靜交界面采用Transient Rotor-Stator類型。湍流模型采用剪切應(yīng)力SST模型，SST模型為k-ω模型和k-ε模型的混合優(yōu)化模型，對于不同的流場域通過混合函數(shù)分別進(jìn)行不同的處理，k-ω模型對于邊界層中的黏性底層和對數(shù)律的計(jì)算準(zhǔn)確度較高，而k-ε模型則能更好地適應(yīng)自由剪切層流動，SST模型可以精確的預(yù)測流動的開始和負(fù)壓力梯度下的流動分離，因而在此次數(shù)值模擬中采用SST模型進(jìn)行求解。

為了更深入分析無葉區(qū)內(nèi)部流場變化特性與其壓力脈動之間的關(guān)系，探究無葉區(qū)壓力脈動的作用機(jī)制、傳播模式以及相位分布，對水泵水輪機(jī)全流道進(jìn)行了壓力監(jiān)測點(diǎn)布置，監(jiān)測點(diǎn)的布測位置如圖9所示。在活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)沿周向布置了36個壓力監(jiān)測點(diǎn)，其圓周間距恒定為10°，其余的測點(diǎn)沿流道分別布置在蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管內(nèi)。

圖9 壓力監(jiān)測點(diǎn)布置圖Figure 9 The layout of pressure fluctuation monitoring points

為了更好地闡明水泵水輪機(jī)壓力脈動與其流動結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系，定義了相對壓力脈動幅值ΔH/H與壓力系數(shù)Cp兩個無量綱系數(shù)作為量化水泵水輪機(jī)壓力脈動強(qiáng)度的參量，其定義如式（10）與式（11）所示。

式中：ΔH——壓力脈動峰值，m；

Cp——無量綱壓力脈動系數(shù)，%；

Pi——i點(diǎn)處對應(yīng)的壓力，Pa；

——時間平均的壓力；

H——水頭，m；

Pimax，Pimin——i點(diǎn)處對應(yīng)的壓力最大值與最小值，Pa。

通過考慮可壓縮效應(yīng)對壓力脈動的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，可壓縮狀態(tài)與不可壓縮相比，如圖10所示。水泵水輪機(jī)全域從蝸殼到尾水管所有的監(jiān)測點(diǎn)，壓力脈動幅值均出現(xiàn)了不同程度的增長。特別是在蝸殼區(qū)域、固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪域壓力脈動幅值增加了2～5倍。在考慮可壓縮狀態(tài)下，壓力脈動幅值有了質(zhì)的飛越。這一幅值增加現(xiàn)象在機(jī)組研究過程中需要充分考慮這一現(xiàn)象。對壓力脈動時域圖進(jìn)行FFT變換，可以發(fā)現(xiàn)壓力脈動的主頻是9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率。其中，活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的無葉區(qū)是9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率幅值最強(qiáng)的區(qū)域。該區(qū)域的壓力脈動向上游的活動導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉和蝸殼區(qū)傳播，傳播過程中略有衰減。同時，該壓力脈動也向下游的轉(zhuǎn)輪和尾水管傳播，并且傳播過程衰減很快，在尾水管區(qū)域接近消失。

對于9倍葉片通過頻率和4倍葉片通過頻率，這兩個頻率和葉片數(shù)以及相差密切相關(guān)，通過可壓縮效應(yīng)在向上游傳播的過程中被放大，向下游傳播過程中衰減很快，這一傳播現(xiàn)象說明壓力波在傳播過程中發(fā)生了波的疊加。

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動計(jì)算比較（一）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動計(jì)算比較（二）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

圖10 可壓縮效應(yīng)和不可壓縮狀態(tài)下的壓力脈動計(jì)算比較（三）Figure 10 Comparison between compressible and incompressible effect pressure fluctuations based on CFD

3 空化試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型試驗(yàn)是對轉(zhuǎn)輪空化性能最好的驗(yàn)證方式。試驗(yàn)時轉(zhuǎn)速恒定，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。在水泵運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線上選取特征工況點(diǎn)進(jìn)行水泵臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)試驗(yàn)。臨界空化系數(shù)σc值采用效率降低0.5%時的空化系數(shù)。對試驗(yàn)用水進(jìn)行30min的抽氣運(yùn)行后開始空化試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中檢測水中空氣含量。在小于最優(yōu)流量的運(yùn)行區(qū)域，初生空化系數(shù)定義為隨吸出高度的減小，即尾水管內(nèi)真空度的增加，在轉(zhuǎn)輪3個葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)。在大于最優(yōu)流量的運(yùn)行區(qū)域，采用視覺觀察與噪聲法相結(jié)合確定初生空化系數(shù)。

選取圖2中的工況點(diǎn)B進(jìn)行空化觀測，空化觀測結(jié)果如圖11所示。三種狀態(tài)下，轉(zhuǎn)輪上的空泡逐漸增加，以致充斥流道，造成效率下降。

圖11 水泵工況在工況點(diǎn)B空化圖像Figure 11 Cavitation image of pump at working condition point B

4 變速水泵水輪機(jī)的運(yùn)行方式研究

變速水泵水輪機(jī)在解決空化問題后，機(jī)組的運(yùn)行范圍得到拓寬。

4.1 水輪機(jī)工況的變速調(diào)節(jié)

圖12為某變轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況模型綜合曲線，從轉(zhuǎn)速的改變可以明顯看到最低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域的改變。該水泵水輪機(jī)采用低轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行范圍擴(kuò)大到40%～100%額定負(fù)荷時，加權(quán)平均效率比恒轉(zhuǎn)速機(jī)組（運(yùn)行范圍50%～100%額定負(fù)荷）高1%左右，部分負(fù)荷區(qū)域高得更多。

水輪機(jī)工況的運(yùn)行策略如下：以最低轉(zhuǎn)速作為啟動轉(zhuǎn)速，可保證空載穩(wěn)定性，并可加快起機(jī)速度。而后一直在最低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，當(dāng)要求進(jìn)行輸出功率調(diào)整時，則首先以導(dǎo)葉調(diào)節(jié)為主進(jìn)行，如果還達(dá)不到調(diào)節(jié)容量要求，再進(jìn)行變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。而這一調(diào)節(jié)前必須設(shè)定好穩(wěn)定運(yùn)行范圍。當(dāng)然，若要求的調(diào)節(jié)容量不大，并且需要響應(yīng)速度很快，優(yōu)先采用變速調(diào)節(jié)也是可以的。

4.2 水泵工況的變速調(diào)節(jié)

變速水泵水輪機(jī)的主要目的已不是為了解決電站揚(yáng)程/水頭變幅過大的問題，而是利用水泵工況下輸入功率可調(diào)而能進(jìn)行自動頻率控制，也就是說不會采用在高揚(yáng)程用高轉(zhuǎn)速、在低揚(yáng)程用低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行策略，來減小泵工況的運(yùn)行范圍從而追求高效和穩(wěn)定性能。而是在每個揚(yáng)程下，通過轉(zhuǎn)速的改變實(shí)現(xiàn)輸入功率的改變，實(shí)現(xiàn)水泵調(diào)節(jié)容量越大越好。

圖12 水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)速變化引起的運(yùn)行范圍變化Figure 12 Variation of operating range caused by variation of rotating speed in working condition of hydraulic turbine

恒速水泵水輪機(jī)水泵工況是按協(xié)聯(lián)線運(yùn)行，不能通過開關(guān)導(dǎo)葉進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。而變速水泵水輪機(jī)也是按協(xié)聯(lián)線運(yùn)行的，也不能通過開關(guān)導(dǎo)葉進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，而只能通過變轉(zhuǎn)速改變輸入功率。這一改變從泵的流量揚(yáng)程曲線上看，實(shí)際上也是泵的運(yùn)行范圍發(fā)生了改變。如圖2所示，有定速時沿某一開度的一條運(yùn)行線變成了變速下的一條帶，而泵的運(yùn)行范圍在小流量高揚(yáng)程受限于葉片背面空化、壓力脈動、駝峰余量和最小流量要求；在大流量低揚(yáng)程受限于葉片工作面空化、壓力脈動和最大輸入功率要求。

對于變速水泵水輪機(jī)水力開發(fā)來說，努力的方向就是進(jìn)一步提高水泵工況的空化性能、減小壓力脈動、提高駝峰余量，盡可能加大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，從而加大水泵的可變速范圍。

5 結(jié)束語

截至2019年底，中國抽水蓄能電站在運(yùn)裝機(jī)容量已經(jīng)突破3000萬kW，在建抽水蓄能電站裝機(jī)容量約4321萬kW，在運(yùn)、在建裝機(jī)容量均穩(wěn)居世界第一位[17]。未來變速抽水蓄能機(jī)組在中國也會得到有利的發(fā)展，從目前的技術(shù)發(fā)展來看，還需要不斷的研發(fā)投入，不斷研發(fā)抽水蓄能新技術(shù)，服務(wù)于抽水蓄能的快速發(fā)展，確保中國抽蓄行穩(wěn)致遠(yuǎn)。