楊聚偉，羅國虎，郭建強，李向菊

(1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 金寨 237300；2.武漢電力職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

金寨抽水蓄能電站[1]位于安徽省金寨縣張沖鄉(xiāng)境內，地處大別山脈西段北麓。該抽水蓄能電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中主要具有調峰、調頻、調相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等“六大功能”，并配備有兩回500 kV的電網(wǎng)線路。電站共設有4臺可逆式水泵水輪機機組，該機組采用立軸單級混流式結構[2]，單機容量300 MW，水輪機工況額定水頭330 m。由于金寨抽水蓄能電站處于300 m水頭級，通用電氣水電設備(中國)有限公司(以下簡稱“GE公司”)投標文件推薦333.3 r/min轉速和9葉片轉輪方案，但是該方案在國內類似電站均不同程度發(fā)生廠房共振現(xiàn)象[3-6]，這也成為金寨抽水蓄能電站水泵水輪機水力開發(fā)的技術重點和難點。金寨抽水蓄能電站十分重視該問題，在水力初步設計的基礎上進行了多個方案的開發(fā)試驗，歷時一年多時間，無葉區(qū)壓力脈動[7-9]指標不斷改進，但是始終不能完全達到合同保證值要求。

為改善壓力脈動指標和避免廠房共振問題，經(jīng)多次水力開發(fā)試驗優(yōu)化研討，提出了“確保壓力脈動穩(wěn)定指標，不過分追求綜合效率指標”的優(yōu)化開發(fā)設計思路，設計了7組不斷改進的轉輪與導葉配合方案，并開展相應的模型試驗，包含水泵工況外特性試驗、水輪機工況性能試驗、四象限和S區(qū)特性試驗、水泵及水輪機工況壓力脈動試驗等多項試驗內容。根據(jù)7組設計方案模型驗收結果，最終選擇綜合技術指標整體提升的第7套轉輪與導葉配合方案，該方案無葉區(qū)壓力脈動指標達到較好水平。

1 機組優(yōu)化開發(fā)方案簡介

由于固定過流部件對于壓力脈動的影響較小，故本文主要針對轉輪進口直徑(4 730 mm或4 626 mm)、葉片數(shù)量(9或13，與進口直徑相對應如圖1所示)及型線(兩組不同型線如圖2所示)和導葉型線(3組不同型線)進行組合研究分析，基于前一組方案模型試驗結果設計開發(fā)后一組方案直到滿足各試驗項目合同保證值要求，得到7組不同的方案如表1所示。

圖1 機組轉輪進口直徑及葉片數(shù)量方案(單位：mm)

圖2 機組轉輪型線方案

表1 轉輪與導葉聯(lián)合優(yōu)化方案

2 模型試驗項目內容

本次模型試驗在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院水力機械試驗室PF2試驗臺(見圖3)進行，試驗臺現(xiàn)場設備包含尺寸換算比為1∶10的模型測試機組青銅轉輪，有機玻璃尾水直錐管段，金屬焊接入水管、壓水室、導葉、調節(jié)機構以及尾水肘管，泵轉速、流量及壓力脈動傳感器等部件，如圖3所示。該試驗臺測試范圍為：最大流量1.4 m3/s，最大水頭120 m，主泵功率1 000 kW，測功機的最大轉速2 500 r/min。在模型驗收試驗前，對試驗測試用泵轉速、流量及壓力脈動等傳感器進行標定及誤差分析，該試驗臺的綜合誤差±0.25%的范圍內。進一步開展效率試驗，水泵工況的效率綜合測量誤差為0.247%，水輪機工況的效率綜合測量誤差為0.24%，滿足合同要求[1]。

圖3 機組模型試驗臺

2.1 水泵工況外特性試驗

水泵工況外特性試驗在1 200 r/min的恒定轉速工況下進行，模型試驗的雷諾數(shù)滿足流體機械相似換算要求。根據(jù)初步模型試驗結果顯示水泵工況最大效率點在導葉開度23°附近。模型驗收試驗時在高空化系數(shù)下對導葉開度22°、23°、24°的水泵能量特性曲線進行了重復性檢查，結果一致。以導葉開度為23°條件為機組最優(yōu)效率點開展模型驗收試驗，連續(xù)采集多組數(shù)據(jù)減小試驗誤差以驗證水泵工況模型最優(yōu)效率值；在318～374 m水泵揚程工況下，對電站裝置空化系數(shù)的加權點進行多次測量減少試驗誤差以驗證水泵工況加權平均效率；開展在最高和最低揚程工況下的平均保證流量試驗及最大入力試驗；在最高揚程下進行了4個不同導葉開度(14°、16.5°、17°、20°)的駝峰區(qū)性能試驗。

2.2 水泵工況空化性能試驗

以導葉中心線為高度參考計算空化系數(shù)，空化試驗采用排氣水，通過尾水錐管借助閃頻儀觀察和空化噪音判斷空化的產(chǎn)生與潰滅。水泵空化試驗對3個特征工況點進行了試驗，包含了整個運行區(qū)域和頻率范圍[1]。

2.3 水泵工況零流量試驗

為了驗證初步試驗的性能，模型驗收時在0.5～5°之間共7個導葉開度下進行了水泵工況零流量驗收試驗[1]。

2.4 水泵工況異常低揚程試驗

考慮到電站初期發(fā)生水泵工況異常低揚程啟動的可能性?；诔醪皆囼炓呀?jīng)在毛揚程280 m，導葉開度15°條件下完成異常低揚程啟動試驗[1，3]。

2.5 水輪機工況性能試驗

水輪機工況性能試驗主要通過模型機組效率換算原型效率，進而獲取水輪機性能數(shù)據(jù)開展驗收，試驗采用60 m恒定水頭變轉速工況。其中，最優(yōu)工況試驗在無空化條件下進行，而其他工況試驗均在電站空化系數(shù)條件下進行。

2.6 水輪機工況飛逸特性試驗

在高空化系數(shù)下導葉開度在24.3°(90%額定開度)、27°(100%額定開度)、29.7°(110%額定開度)和31.2°(機械設計最大開度)進行了飛逸轉速試驗[1]。

2.7 四象限和S區(qū)特性試驗

水輪機四象限在無空化條件下進行了3個導葉開度11°、12°和14°的試驗；反水泵象限在無空化條件下進行了1個導葉開度12°的試驗；制動和水泵象限在高空化條件下開展了1個導葉開度12°的試驗[1，3]。

3 試驗結果及壓力脈動

3.1 試驗結果對比分析

根據(jù)7組轉輪與導葉配合方案完成上述模型試驗的九項試驗項目內容，得到各方案試驗結果對比如下表2所示。表中○表示滿足合同保證值要求，×表示不滿足合同保證值要求，△表示部分滿足合同保證值要求。

從表2中可以得出方案七滿足所有項目試驗要求，該方案采用13葉片修型方案的轉輪和方案3的導葉型線，最終設計完成機組的主要參數(shù)為：轉輪葉片為13片，高壓側直徑為4 580 mm，低壓側直徑為2 523 mm；機組額定轉速為333.3 r/min，活動導葉和固定導葉數(shù)均為22個。

表2 試驗結果對比

3.2 方案七無葉區(qū)壓力脈動指標分析

由于國內類似300 m水頭電站均不同程度上發(fā)生廠房共振現(xiàn)象，進一步對方案七的無葉區(qū)壓力脈動指標進行分析。水泵工況的無葉區(qū)壓力脈動特性如圖4a所示。水輪機工況對5個恒定凈水頭下(304、314、330、340、366 m)空載到50%負荷以及所有加權點進行試驗，其中尾水管、頂蓋與轉輪之間、蝸殼進口位置壓力脈動滿足合同要求；但是活動導葉和轉輪之間的壓力脈動，即無葉區(qū)的壓力脈動稍微超出合同值要求，相關試驗結果如表3、圖4b～4d所示。

表3 水輪機工況無葉區(qū)壓力脈動相對偏差(峰間振幅ΔH/H)

圖4 方案七各工況的壓力脈動試驗結果

根據(jù)國網(wǎng)新源公司《大型抽水蓄能電站機組設計制造與廠房抗振設計技術導則》關于無葉區(qū)壓力脈動指標要求：對于200～300 m水頭段電站，額定水頭及以上水輪機空載工況壓力脈動相對偏差≤15%，額定水頭及以下水輪機空載工況偏差≤18%；對于300～400 m水頭段電站，額定水頭及以上水輪機空載工況偏差≤12%，額定水頭及以下水輪機空載工況偏差≤15%。金寨電站額定水頭330 m，接近導則劃分的水頭段指標臨界值，控制指標相對苛刻，開發(fā)難度較大。從表3及圖4中的試驗結果可知，方案七的壓力脈動初步試驗結果與驗收試驗結果相符合，經(jīng)轉輪與導葉聯(lián)合優(yōu)化后的方案七具有較好的壓力脈動特性。

同時對比國內同時期的張河灣(改造轉輪)、瓊中兩個300 m水頭級電站(低水頭空載無葉區(qū)壓力脈動換算到真機的絕對值約為60 m)，金寨抽水蓄能電站該指標略優(yōu)；對比同時期的水頭稍高的豐寧二期定速機組和永泰水泵水輪機模型試驗結果，在額定水頭及以下小于50%負荷(含空載)無葉區(qū)水泵壓力脈動稍差(豐寧二期和永泰電站約50 m，金寨項約56 m)。為確保安全，金寨公司另外組織了與水力開發(fā)試驗密切相關的廠房動力響應和過渡過程計算分析專家分析論證，結果顯示：①金寨電站首次采用13葉片轉輪，其2倍頻率已和廠房頻率偏離較多，同時廠房結構設計已采取采取多種抗振措施，經(jīng)對地下廠房結構動力響應分析，振動控制不存在制約性問題。②在多重事故工況疊加情況下，電站個別位置過渡過程復核計算不滿足要求，已采取相應工程措施在當前土建施工期解決。作為對電站水力激振源能量指標評估，金寨電站壓力脈動指標處于先進水平，在一定程度上推動了水泵水輪機壓力脈動指標技術進步，對于國內同類型機組的設計與優(yōu)化提供了經(jīng)驗與參考。

4 結 論

水泵水輪機機組是抽水蓄能電站的核心設備，其水力性能優(yōu)劣是電站經(jīng)濟安全穩(wěn)定運行的關鍵。本文介紹了金寨電站水泵水輪機模型實驗的水力開發(fā)過程及試驗內容，設計與開發(fā)了7個轉輪與導葉配合方案，基于模型實驗數(shù)據(jù)開展了機組轉輪與導葉聯(lián)合優(yōu)化，試驗結果表明：模型試驗結果真實可信，技術參數(shù)和性能指標基本滿足設計要求；通過相似準則結合試驗數(shù)據(jù)可以換算得到原型機組的性能曲線；轉輪與導葉聯(lián)合優(yōu)化可在保證綜合效率指標的基礎上有效改善壓力脈動。

金寨抽水蓄能電站水泵水輪機機組轉輪的成功研制，有效提升了抽水蓄能電站水力開發(fā)水平，尤其是首次采用13葉片轉輪開發(fā)設計，其模型驗收指標以及廠房動力響應分析、過渡過程復核計算結果表征300 m水頭級抽水蓄能電站廠房振動問題得到了初步解決。