单级单吸混流式水泵水轮机几个设计问题的探讨

宫让勤，戴 然



单级单吸混流式水泵水轮机几个设计问题的探讨

宫让勤1,2，戴 然1,2

（1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨150040；）

本文根据作者近十几年参加抽水蓄能机组的前期方案论证、投标文件的编制、机组的设计、制造、现场调试的经验，提出了对额定水头选取、驼峰区余量、导叶漏水量、导叶端面间隙、取消调相压水系统消水环排水管、主轴检修密封、输入调速器的水头或扬程信号等问题的看法。

水泵水轮机；性能参数；结构优化；

0 引言

国内大中型抽水蓄能机组水泵水轮机和电动发电机技术的发展经历了第一阶段的十三陵抽水蓄能电站机组的分包生产模式，第二阶段的从国外引进水泵水轮机水力设计推力轴承等关键技术自行设计制造抽水蓄能机组模式，第三阶段以市场换技术的抽水蓄能机组打捆招标的模式，第四阶段的以国内主机制造厂作为主包商制造，国外制造厂作为技术责任方的模式。通过前四个阶段的实施，特别是第三阶段比较全面的技术引进，为第五阶段的国内主机制造厂自主设计、自主制造的模式实现奠定了良好的基础。通过近十几年参加抽水蓄能机组的前期方案论证、投标文件的编制、机组的设计、制造、现场调试，提出以下几个问题与同行一起探讨，以提高水泵水轮机设计技术。

1 需探讨的问题

1.1 额定水头的选取

水轮机工况额定水头直接关系到水泵水轮机容量、机组尺寸和电站运行的稳定性。通常，额定水头越高，水轮机工况的运行范围就会越靠近最优效率区，越有利于水泵水轮机组参数的优化和运行稳定性的提高。有资料表明，国外抽水蓄能电站最大水头一般小于等于1.1倍额定水头。较低的额定水头，达到额定出力时要求转轮直径就要大些；同时随着额定水头的降低，水轮机运行区将向高单位转速偏移，即偏离水轮机工况最优点更远，水轮机压力脉动值可能要更大些；同时，最小运行水头偏离最优点越远，距离“S”不稳定运行区就越近，水轮机工况空载起动稳定性保证的难度也将增大。水轮机额定水头的选定受电站的运行条件和电网系统对水泵水轮机组运行参数要求等因素的限制很大。就水力设计而言，合理的水轮机额定水头将有利于开发“S”优良，稳定性好的水泵水轮机。建议水轮机工况额定水头尽可能地选取为大于0.000184×max+0.8835倍最大水头，额定点单位流量与最优点单位流量的比值不应大于1.4。如额定水头靠近最小水头，在额定负荷运行时机组的振动和噪声较大，不利于电站的安全稳定运行。

1.2 驼峰区余量

在水泵水轮机水泵工况-特性曲中，在一定的较小流量区域，扬程随着流量的减小而急剧下降，然后又逐渐上升，此区域即为水泵水轮机的驼峰区。驼峰区是泵及水泵水轮机的固有特性之一。

水泵水轮机的招标书中通常有这样的要求：“在最大扬程，正常运行最小频率范围内，H/Q对应的点与驼峰区的开始点之间的裕度（简称驼峰区安全裕度）不小于最大扬程的2%~3%”。这样要求的目的是水泵工况起动时，导叶逐渐开启过程中，水泵的抽水量从零增加到最小协联开度对应的流量过程中，在最大毛扬程经过驼峰区时，扬程仍有一定的余量。然而机组在水泵工况起动导叶开度逐渐增大，在驼峰区的开始点时，导叶的开度小于最小协联开度，驼峰区安全裕度远大于2%，从这个意义上来讲，这样的驼峰区安全裕度要求没有直接意义。

日本公司对于水泵水轮机在最大扬程运行时扬程安全裕度的取法与我国不同，取运行范围内的最小协联开度下水泵二次回流从大流量到小流量的开始点对应的水泵水轮机最高扬程与水泵水轮机运行在正常的电网频率范围内电站最高扬程之间的差值与电站最高扬程之比，该比值一般要求大于4%。

机组在起动过程中，尾水管进口和蜗壳出口有较大的压力脉动，某百米水头的水泵水轮机在水泵工况运行时，蜗壳进口与尾水管出口的压差的压力脉动双幅值为6%，大量的模型试验和电站实测表明，随着水头的增加，压力脉动降低。对从百米水头到600m水头的水泵水轮机取其幅值的一半3%，再考虑1%的安全余量，比值取4%是比较合理的。对于单机单管引水系统的机组，该值可适当减小，对于一管四机引水系统的机组，该值可适当增大；对于低水头机组，该值可适当增大，对于高水头机组，该值可适当减小。建议在新电站的模型验收试验时，按该比值判断机组在水泵工况高水头运行时扬程的安全余量，兼顾考虑驼峰区安全裕度，在满足该值时，驼峰区安全裕度可适当降低。

1.3 导叶漏水量

混流式水泵水轮机基本技术条件规定，在额定水头下，当导水机构设有端面密封时，导叶漏水量不应大于水泵水轮机额定流量的3‰；当导水机构不设端面密封时，导叶漏水量保证值由供需双方商定。现在的招标文件中一般均要求导叶漏水量不应大于水泵水轮机额定流量的3‰。由于采用了新的调相压水系统，为减小水泵造压时的水环厚度，水环的水需通过导叶端面间隙甩入到蜗壳中，再通过平压管流入尾水。另一方面由于抽水蓄能电站一般情况下水头较高，如导水机构端面密封结构不合理，端面密封很容易被水冲走，现在设计的抽水蓄能机组一般导水机构不设置端面密封，导叶漏水量不应按设置有端面密封的3‰要求。建议在导水机构不设端面密封时，导叶漏水量保证值按5‰要求或不作考核。抽水蓄能机组与常规的混流式机组不同，关机即关闭球阀，适当放大导叶漏水量对电站的经济和安全运行没有影响。

1.4 导叶端面间隙和导叶下轴径的排水

大中型抽水蓄能机组导叶端面总间隙一般为0.2~0.6mm，大尺寸低水头机组取大值，小尺寸高水头机组取小值。近几年运行和正在调试的机组出现了导叶上端面抗磨板划伤的情况，主要原因是安装时导叶上下端面间隙匹配不合理；制造完成后导叶上下端面间隙偏小；导叶止推压板设计刚度不足；导叶下轴径的减压排水排到尾水管，在机组过渡工况时，尾水管的压力在很短的时间内变化约40~50m，图1为某电站在水轮机工况甩100%负荷时，在5s之内，尾水管的压力从1.0bar快速上升到6.6bar，由于导叶下轴径的排水排到尾水管，单个导叶将承受41kN的向上水推力，该力远大于单个导叶的重量，如导叶止推压板设计的刚度不足，导叶上端面将与导叶上抗磨板相撞，导叶上抗磨板出现划伤。

图1 机组甩负荷时尾水进口压力变化曲线

如导叶下轴径的减压排水排到渗漏集水井，可避免在过渡工况导叶下轴径端面产生较大的上抬力，不会引起导叶上端面与导叶上抗磨板相撞。但在导叶下轴径的密封失效时，导叶下轴径端面的压力较高，排到漏集水井的水量成倍地增加，排水泵起动频繁，增加了水淹厂房的危险。建议在设计时选取合理的导叶端面总间隙，在安装时取导叶上端面的间隙为2倍的下端面间隙，采用可靠的止推压板结构形式，避免过渡工况导叶上端面与导叶上抗磨板相撞事件的发生。

1.5 取消调相压水系统消水环排水管

我公司早期设计生产的白山机组设有从进水阀前到阀后导叶前的经减压阀减压的补水管，回龙机组设有从尾水管到阀后导叶前的经水泵加压的补水管，其作用是向蜗壳内补入压力水，在充气压水或调相运行时转轮在空气中旋转，为防止蜗壳内水压低于转轮腔内的气压，避免由此引起的气体进入蜗壳内引起泵起动时产生有害的振动。由于补水的作用使蜗壳的水压高于导叶后的水压0.02~0.07MPa，导叶漏水量增加，水环较厚，水泵起动时阻力矩增大，所需的变频器容量需相应增大。日立公司对Okutataragi电站水泵水轮机在空气中旋转时的损耗进行了实测，在蜗壳水压与导叶后水压相等时，水泵水轮机在空气中旋转时的损耗约为3.5MW，在蜗壳水压比导叶后水压高0.07MPa时，该损耗约为8.8MW，可见水环的厚度对水泵起动时阻力矩影响最大。

在抽水蓄能技术引进后，采用了改进的调相压水系统，该系统采用了从尾水管补水的方式，取消了消水环排水管，从而简化了操作控制流程。由于使蜗壳的水压与导叶后的水压相等，导叶漏水量小，水环的水主要由止漏环的润滑水提供，水环相对较薄，水泵起动时阻力矩小，所需的变频器容量小。调相压水系统的改进，有助于降低水泵水轮机在空气中旋转时的损耗，降低变频器容量。现结段的设计虽然采用了从尾水管补水的方式，但预埋了消水环排水管，从200m水头段到550m水头段水泵水轮机的运行结果表明，预埋的消水环排水管如果不从尾水管中封堵，在机组起动时常常会产生较大的噪音。由于该项技术比较成熟，在今后新机组的设计中可以取消预埋的消水环排水管。

1.6 取消主轴检修密封

抽水蓄能机组由于尾水位较高，主轴检修密封的空气围带一般需承受1.0MPa~1.4MPa的气压，空气围带一般为橡胶制品，常出现接头漏气或空气围带不能正常投退，使机组不能正常开机。主轴检修密封的作用有两个，其一为在机组停机时，投入检修密封，使工作密封退出，延长工作密封的寿命；其二为在检修工作密封时，投入检修密封，可以不用排出蜗壳和尾水管的水，缩短检修时间。中高水头的抽水蓄能机组由于尾水位较高，在检修工作密封时，如不排空蜗壳和尾水管的水，存在水淹厂房和检修人员发生伤害的危险，不宜采用。抽水蓄能机组由于蜗壳和尾水管体积较小，检修时排空蜗壳和尾水管中的水约需2~4h，所用时间不长，为安全起见，一般检修工作密封均排空蜗壳和尾水管中的水，对于抽水蓄能电站主轴检修密封的第二个作用基本不用。在机组停机时，对于初期运行的电站和水中有泥沙的电站，可保持主轴工作密封一直投入，主轴工作密封的润滑冷却水可采用引自上游压力钢管的备用水源供水。对于清水电站可关闭主轴工作密封供水，主轴密封的漏水通过自流排水排到渗漏集水井。建议对于水头大于300m的抽水蓄能电站，取消主轴检修密封。近年来南网的抽水蓄能电站均不设主轴检修密封。

1.7 输入调速器的水头或扬程信号

抽水蓄能机组，由于“S”区的影响和起动过程中压力脉动较大，如采用蜗壳进口和尾水管出口的压差经转换输入给调速器，造成机组水轮机工况空载并网困难。在水泵工况运行时，由于协联的作用，导叶开度在不断地变化，从而引起输入功率不断变化。建议用上下游水位经转换后输入给调速作为水头或扬程信号，由于上下游水位为通信信号，发生故障的概率较大，采用两路上下游水位为信号互为备用。在该信号故障时，用经滤波后一定时段的蜗壳进口压力和尾水管出口压力的压差均值作为备用水头信号。

1.8 推力轴承瓦温与电动发电机效率

近年来投入的抽水蓄能机组，由于采用了引进的技术，为提高发电电动机的效率，推力轴承较小，抽水蓄能机组工况转换频繁，在过渡工况水推力可达到正常运行工况的2~3倍，推力轴承设计是按正常工况进行设计，按过渡工况进行校核。按引进的技术设计的250~300MW的机组一般情况下正常工况下水推力不大于3000kN，过渡工况不大于6000kN。日本公司的设计在同等水泵水轮机，正常工况下水推力为4000~5000kN，过渡工况为8000~10000kN左右。推力轴承负荷略有增大，电站运行的推力轴承瓦温一般小于75°。建议在今后推力轴承的设计中，略为加大推力轴承的尺寸，适当牺牲发电电动机的效率，降低推力轴承瓦温，减少推力轴承烧瓦事故的发生。

2 结论

水泵水轮机技术近年来得到快速发展，特别是自主研发技术的不断成熟，丰富了我们对许多技术问题的认识，在设计实践过程中，不断总结和梳理这些认识，逐步形成合理的设计输入。

[1] 水泵水轮机最高扬程驼峰区安全裕度选取的建议[J], 大电机技术, 2006,(4).

[2] 陆佑楣, 潘家铮. 抽水蓄能电站[M].中国水力电力出版社, 1992.

[3] 宫让勤. 单级单吸混流式水泵水轮机启动用变频器容量的选择[M], 中国水力电力出版社, 2011.

Design Issue of Single-stage and Single-suction Francis Pump-turbine

GONG Rangqin1,2, DAI Ran1,2

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

According to experience from preliminary proposal study, bidding documents, pump-turbine design, manufacturing, debug at site, the author gives opinion about pump-turbine design, such as select of rated head, margin of hump zone, wicket gate leakage, wicket gate end clearance, drain pipe for condensing operation, main shaft sealing, water head input for governor.

pump-turbine; performance parameter; structure optimization

TK730

A

1000-3983(2014)01-0045-03

2013-04-20

宫让勤（1963-），1984年毕业于西安理工大学，现从事于水轮机设计工作，高级工程师。

审稿人：赵越