可逆式水泵水轮机研究综述

fjc1912

可逆式水泵水轮机研究综述

摘要

可逆式水泵水轮机的研究一直是抽水蓄能电站研究的主要课题。由于抽水蓄能机组开停灵活，升降负荷迅速，不可避免的要频繁变换工况，其过渡过程计算对安全可靠运行关系重大。所以研究过渡过程中出现的“S”特性曲线意义重大。此外，现有的全特性曲线处理方法还存在一些缺限，有待进一步改进和完善。

本文分析了水泵水轮机研究的意义，以及国内外研究现状；总结了研究中的主要问题和方法。

关键词:水泵水轮机  “S”特性  研究现状

一、研究的意义

抽水蓄能电站自1882年在瑞士苏黎世问世以来己有百余年的历史，其最初的设想是将火电站非峰荷时的低价电能转化为峰荷时的高价电能，这一概念目前己发展为利用抽水蓄能电站调峰填谷、调频调相和事故备用等功能，保障电网的安全稳定经济运行。良好的调频调相作用是抽水蓄能机组最突出的特点，它可以利用电网低谷时的富裕电力把水抽到上游水库，以水为介质将电能储存，高峰负荷时发电送回电网，起调峰、填谷、调频的作用，从而大大改善电力系统的运行条件和提高电力系统运行的经济性[1]。此外，抽水蓄能机组可以在短时间内启动并网，具有“黑启动”的功能，能起到事故备用的作用[2]。

随着我国经济建设迅速发展，对电力需求量日益增大，品质也需日益提高。为更好满足用电侧电力需求，高效、节能的配合电网系统以及各类蓄能技术也在蓬勃发展。在目前的各类蓄能技术中，抽水蓄能技术以良好经济可靠性被广泛推广应用，大型抽水蓄能电站相继开工建设[3]。中国抽水蓄能电站的建设起步较晚，2010年新增抽水蓄能电站超过19座，蓄能机组总装机达1800万kW，到2015年和2020年将分别达到2800万kW和4000万kW。虽然增长速度非常快，但仅占我国电力总装机的3%一4%[3,4]。研究表明，为达到必需的电网调节能力，电力系统中应至少装有总容量5%的抽水蓄能电站，若要达到较好的调节能力，则需要有总容量10%的蓄能装机[1]。可见我国抽水蓄能电站有很大的发展空间。

抽水蓄能电站的主要动力部件是水泵水轮机组，机组长期稳定、高效的运行对电站起着重要作用。机组里的转轮向一个方向旋转时抽水，称为水泵工况，向另一方向旋转时发电，称为水轮机工况。传统上水泵和水轮机是两种互相独立的机械，有着不同的设计方法和结构特点。如果说在解决水轮机相类似问题时可以利用很多经验和资料大大缩短研制过流流道过程的话，那么对于水泵水轮机来说，由于国内缺少这方面的资料，目前还缺少设计的能力。设计者在转轮及过流通道设计时产生困难。因此可逆式转轮的水力设计理论的建立具有明确的学术和工程价值，进行可逆式水泵水轮机的理论研究，对于在流动力学设计中遇到的关键技术进行攻关是非常必要和急需的。

所以，对于转轮设计理论、压力脉动及水电站过渡过程中转轮内部流动的计算研究具有明确的工程和学术价值。但是目前国内还没有自主设计转轮的能力，国内已运行和在建抽水蓄能电站的机组设备几乎都是由国外整套引进的。们认为完全有必要对转轮设计进行系统的研究，并且揭示过渡过程中转轮的内部流动机理及对外特性的影响，为水力工程设计及相关的科学研究提供良好的基础。

二、国内外研究现状综述

从最早的原始装置算起，抽水蓄能机组已有近百年的历史，目前，抽水蓄能技术发展最快的国家是美国和日本。随着可逆式水力机械理论和设计方法的不断完善，高水头化、大容量化、高速化的可逆机，已经成为主要的发展趋势，可以明显提高经济效益。因此目前设计并制造这种类型的机组己成为国外各大公司和科研机构的主要研究方向[5]。对可逆式机组的主要研究内容包括：结构参数、能量特性、空化特性、压力脉动特性和力特性等方面，近年来，对于水泵水轮机运行稳定性逐渐活跃起来，这主要是由于运行稳定性的研究本身具有相当的难度，因为不稳定运行工况常常伴随在过渡过程当中。

1.国外研究现状

木本裕等针对设定的真机规格参数的流道形状进行了叶片数的优化设计，得出9个叶片比7个叶片的转轮性能好的结果；井田富夫等详细论证了流道尺寸对水泵水轮机性能的影响；指出座环出口不同流道宽度减少会增加水力损失，减少流量、出力、水力效率；导叶流道宽度允许误差在1%以内对性能没有影响，但是超过1%会降低性能；转轮进口高度和转轮出口角也对性能有影响；介绍了流道各表面粗糙度对性能的影响，指出合理的粗糙度允许值；瑞士Andreas Sebestyen 等介绍了更换可逆式水泵水轮机转轮的CFD方法、技术目标及解决方案，通过改变转轮上冠型线改变转轮性能，已达到对电站改型的目的；Junichi指出了水泵水轮机容积效率、机械效率及泄流性能的测定方法；B Nennemann通过非定常CFD模拟与单自由度导叶振动模型相结合，对江苏宜兴电站水泵水轮机活动导叶处振动进行分析，并在电站改善中取得了显著效果；Christian Widmer经过数值分析与实验结果的对比研究指出，水泵水轮机内部固定的漩涡流与旋转失速主要是由活动导叶流道中对流加速作用引起，且无论漩涡是否转动，都将导致机组的不稳定性；Grein H，Baumann K M L在对卢森堡维也丹10号机模型试验中，首次尝试使用少数导叶预开启的方式证明此方式可以减轻水泵水轮机在水轮机工况的空载不稳定性。从而引发了业内对非同步导叶（MGV）的研究；Klemm D对低水头进入空载状况的机组做了计算机模拟计算，得出导叶在缓慢开启消除了空载稳定性，但是如此缓慢的开启速度是难以采用的。故不稳定性是经常发生的；同时计算模拟得到低水头调相转发电运行过程中低水头时的不稳定现象要比高水头时严重的结论。并在对比利时COO II抽水蓄能电站的改善工作中使用了MGV取得了增加空载稳定性的效果。

2.国内研究现状

现如今随着水泵水轮机水头的不断提高、运行工况复杂多变，针对其运行工况的稳定性研究逐渐为大家所重视。纪兴英等针对水泵水轮机在水轮机低水头启动困难问题。采用SST k-w模型对不同导叶开度下的小流量水轮机工况进行数值计算，在数值计算基础上获得了水泵水轮机"S"区特性单位转速与单位流量的关系曲线，并将"S"特性曲线计算结果与试验结果做了对比分析，提出了影响水泵水轮机"S"特性的转动域流动特征；冉红娟等对具有高部分负荷驼峰的水泵水轮机泵工况进行了定常数值模拟和分析，并与实验结果进行了对比。其在网格生成时考虑流道边壁y-plus分布、并采用SST k-w湍流模型较准确地模拟出可逆式水轮机泵工况下扬程－流量曲线的驼峰特性。得出转轮进出口处的两段区域的流态和驼峰的形成有密切联系的结论；徐海华对不同步导叶对水泵水轮机三维流动特性影响数值分析，通过对其自主设计的混流式水泵水轮机进行了全流道三维流动数值分析，探讨了两对活动导叶不同步对机组外特性、内部流动特性与压力脉动特性的影响规律。得到结论是：通过定常计算，对外特性结果与整体流道内的流场相比较，预开启两对活动导叶明显改变了机组运行的外特性参数和流道内的流动状态；通过对三种不同步导叶开度工况的非定常数值计算，对机组整体流道内的压力脉动特性和频谱进行了详细分析。郭磊对水泵水轮机飞逸点进行了数值分析。肖若富，孙卉，刘伟超等对预开导叶下水泵水轮机S特性及其压力脉动进行了分析，结论是：CFD计算的方法所得特性曲线与实验曲线基本吻合，说明CFD计算方法能够比较准确的模拟水泵水轮机流动状况。预开导叶的方法能够有效的解决水泵水轮机S特性的问题。但是在飞逸工况附近运行时，由于转轮的受力不均以及较强的压力脉动的影响会导致机组运行不稳定，所以预开导叶的方法在实际运用中仍然有待改善。王泉龙根据实践经验，简要分析了水泵水轮机与常规水轮机相比水利涉及到机械设计等方面的技术特点。盛树仁 胡清娟以回龙项目为例，介绍了哈电水泵水轮机模型实验研究及CFD流动分析现状。2009年，蔡铁力做了可逆式水泵水轮机全特性曲线处理及可视化研究，通过开发以Visual Basic和AutoCAD为平台相应的可视化系统系统，对其进行性能曲线拟合、处理，显示图形，并能够对图形多角度的观察，能够直接从图中读取相关数据，而且将所开发系统进一步扩展，可适用于其它（如水泵、水轮机等）特性曲线处理，建立曲线库，使系统通用性增强。

三、水泵水轮机研究存在的问题

1) 抽水蓄能电站机组需频繁的转换工况，其中水轮机工况启动、甩负荷、调相转发电、水泵断电导叶未能关闭等过渡过程工况都可能进入到"S"特性区，带来一系列不稳定问题。所以"S"区是一个极不稳定区。由于"S"特性区的存在而导致的水泵水轮机运行中的不稳定问题成为当前低比转速水泵水轮机设计中最重要的问题之一，直接影响水泵水轮机发电工况启动时空载稳定性，最终导致机组在启动并网时发生困难。

2) 水泵水轮机的叶轮水轮设计大多基于水泵设计方法建立的，基于水轮机设计的理论和数据还比较少。

3) 试验证明非同步导叶（Misalignment Guide Vanes简称MGV）对改善低水头空载稳定性、解决无法并网的问题效果显著。但是预开导叶方法破坏了转轮室的水力平衡，在MGV投入期间机组的振动与噪声明显增加。

4) 对于转轮设计理论、压力脉动及水电站过渡过程中转轮内部流动的计算研究具有明确的工程和学术价值。但是目前国内还没有自主设计转轮的能力，国内已运行和在建抽水蓄能电站的机组设备几乎都是由国外整套引进的。

四、水泵水轮机研究主要方法

近年来，随着CFD技术的快速发展，三维湍流模型能准确地描述流体机械内部的流动状况，可以对可逆机的流场漩涡、水力损失等进行较准确的预测，为水力设计以及结构设计的优化提供有力的依据。

主要研究内容及方法如下：

1) 根据给定的设计参数（水头、流量、效率等参数）来确定转轮的主要水

力参数和结构尺寸（比转速、导叶的相对高度、叶片数等），采用一元、二元、准三元理论等方法结合泵与水轮机的设计方法进行转轮的水力设计和结构设计；

2) 利用PRO/E 和ICEM 进行几何建模和网格的划分；

3) 利用Fluent软件进行可逆机内部流场模拟计算，详细分析可逆机各部分流道的内部流动状态以及水力性能与稳定性，以寻找到合适的外部结构型式及尺寸。根据研究结果对可逆机的转轮进行改进设计，以提高可逆机的效率。

4) 分析流动机理，探求可逆机内流场流动规律，探索可逆机由泵工况变到

水轮机工况的过程中叶片的压力分布以及蜗壳的流场漩涡，水力损失等，从而为可逆机的水力性能、结构优化提供一定的理论参考。

四、总结

近年来，国内对水泵水轮机的结构参数、能量特性、空化特性、压力脉动特性和力特性以及稳定性问题做了越来越多的研究。完善了可逆机的水力设计和结构设计理论，尤其是利用不断强大的CFD技术，能够比较准确的预测和模拟流场，为我们的研究提供了便利。

参考文献

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[2]水利水电技术进展. 中国已建、在建及近期拟建的大型抽水蓄能电站[J].中国三峡建设,2004，(4): 25

[3]梅祖彦.抽水蓄能发电技术[M].机械工业出版社,2000

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[5]林明华.世界抽水蓄能电站建设特点与发展趋向[J].水力发电学报，1996.3

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[7]刘伟超.可逆机转轮的CFD设计[J]华中科技大学，2003

[8]齐学义.关于提灌——发电可逆机转轮水力设计的初步探讨[J].兰州理工大学学报第二期，1981

[10]冉红娟，须洪元，罗先武，刘树红.可逆机的数值模拟与性能分析[J].大电机技术，2009

[11]王焕茂，吴新润，可逆机转轮叶片速度和压力计算[J].国外大电机第3期，2009

[12]方彦凯，蒋英.可逆式可逆机内部流场计算与稳定性分析[J].淮海工学院学报，2010

[13]易承勇，可逆式机组低水头运行特性分析及应对措施[J].水电站机电技术，2010

[14]曹鵾，姚志民.水轮机原理及水力设计[M].清华大学出版社，1991

流体机械及工程 122080704012 蒋雷