抽水蓄能机组“S”特性判定方法的研究

荣 红，宋旭峰，杨文道，蒲楠楠，秦晓峰

（1．南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2．国网新源控股有限公司，北京 100761；3．河海大学，江苏省南京市 210098）

抽水蓄能机组“S”特性判定方法的研究

荣 红1，宋旭峰2，杨文道2，蒲楠楠3，秦晓峰1

（1．南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2．国网新源控股有限公司，北京 100761；3．河海大学，江苏省南京市 210098）

本文根据抽水蓄能电站调节保证模拟计算经验，总结出“S”特性的判定方法，并通过实际案例加以证明不同“S”特性对水锤压力的影响。同时，提出判别可逆式机组稳定性的“Z”特性，结合某电站的真机实测脉动压力幅值结果来说明“Z”特性对可逆式机组振动稳定性的影响。

抽水蓄能电站；“S”特性；振动稳定性；“Z”特性

0 引言

近些年，根据电网的需求，抽水蓄能电站得到了快速发展。然而，抽蓄电站的核心部件——可逆式水泵水轮机的性能仍有待进一步提高。其中，可逆式机组的“S”特性及水力稳定性是对抽水蓄能技术研究的重中之重。就目前已建抽水蓄能电站运行及调试情况来看，很多电站存在机组并网困难，正常运行时机组稳定性较差，甩负荷过程机组伴随着较大的噪声和振动等现象，这些现象均与转轮“S”特性及振动稳定性有关。

针对可逆式机组“S”特性和振动稳定性的问题，不少学者做了大量研究。纪兴英[1]等人对水轮机工况不同导叶开度下的小流量区进行数值计算，获得了水泵水轮机“S”特性区单位转速与单位流量的关系曲线，提出了影响水泵水轮机“S”特性的转动域流动特征。陈德新[2]等人针对低比转速模型水泵水轮机转轮内流道的流态特征进行可视化测试，获得了“S”特性区转轮叶片翼形间的流动图像以及速度矢量变化，讨论了“S”特性区紊态流动的原因。周建旭[3]等人从水力阻抗的角度推导出可逆式机组可能产生自激振动的判别条件以及相应的不稳定区域，应用非线性振动理论，分析抽水蓄能电站产生自激振动时的幅频特性。

以上研究都是针对“S”特性区紊态流动特性开展，而对“S”特性优劣程度判定方法的研究很少见。本文根据抽水蓄能电站调节保证模拟计算经验，总结出判定“S”特性优劣的方法，并举例加以说明。同时，提出全特性曲线“Z”特性这一概念对机组稳定性进行分析，结合某电站的真机测试结果说明“Z”特性对可逆式机组振动稳定性的影响。

1 “S”特性判定方法

1.1 “S”特性判定方法的提出

“S”特性是研究可逆式机组的关键问题所在，“S”特性的好坏直接影响机组并网难易程度以及机组在过渡工况能否安全运行[4]。本文以全特性曲线的斜率以及斜率的变化范围表征“S”特性区等开度线过渡的缓急程度，即等开度线同额定单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值大小及该差值的变化范围（该范围以10%等开度线与最小单位转速的交点到额定开度线与额定单位转速的交点作为界定）作为表征“S”特性的依据，如图1所示。若等开度线同单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值较大，则“S”区等开度线过渡较平缓，“S”特性较好；若等开度线同单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值较小，则“S”区等开度线过渡急促，“S”特性较差。

图1 “S”特性判定方法示意图

1.2 实例分析

本文以不同水头段（300m、400m）的两个抽水蓄能电站（电站1、电站2）为例，每个电站采用两套参数相近全特性曲线进行一维调节保证模拟计算，通过比较两套曲线甩负荷过渡过程计算结果来验证“S”特性判定方法的准确性。

表1为电站1两套曲线“S”特性对比结果，图2、图3为曲线1、曲线2流量特性曲线。对于10%等开度线同最小单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值：曲线1＞曲线2；对于额定开度线同额定单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值：曲线1＞曲线2；对于斜率变化范围：曲线1的斜率变化范围相对较小。由以上数据可得：曲线2的“S”特性较明显，曲线1的“S”区过渡较平缓。

表2为电站2两套曲线“S”特性对比结果，图4、图5为曲线3、曲线4流量特性曲线。对于10%等开度线同最小单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值：曲线3＞曲线4；对于额定开度线同额定单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值：曲线3＞曲线4；对于斜率变化范围：曲线3的斜率变化范围相对较大。虽然曲线3大、小开度线的“S”特性差距较大，但均比曲线4好。由以上数据可得：曲线4的“S”特性较明显，曲线3的“S”区过渡较平缓。

表1 电站1“S”特性区斜率对比

图2 曲线1流量特性曲线

图3 曲线2流量特性曲线

表2 电站2“S”特性区斜率对比

图4 曲线3流量特性曲线

图5 曲线4流量特性曲线

表3为电站1以及电站2最大水头以及额定水头双机甩负荷大波动计算结果对比表。对比电站1两套曲线的计算结果可知：对于蜗壳极值压力，曲线1计算结果比曲线2计算结果小约20m；对于尾水管极值压力，曲线1计算结果较曲线2计算结果高5m左右；对于最大转速上升率，两者计算结果相当。综上所述，曲线1的计算极值结果均优于曲线2的计算极值结果，说明：曲线1的“S”特性较好。对比电站2两套曲线的计算结果可知：对于蜗壳极值压力，曲线3计算结果比曲线4计算结果小约20m左右；对于尾水管极值压力，曲线3计算结果与曲线4计算结果相当；对于最大转速上升率，两者计算结果相当。综上所述，曲线3的计算极值结果均优于曲线4的计算极值结果，说明：曲线3的“S”特性较好。

表3 大波动计算结果对比

综上可知，两电站的计算结果均满足“S”特性判定方法的规律，两电站水头范围的不同，也证明了本判定方法的适用性。

2 “S”区稳定性的判定方法

2.1 “S”区稳定性判定方法的提出

“S”特性不仅关系到可逆式机组过渡过程水锤压力的大小，而且能够影响到机组过渡过程中的振动稳定性。本文提出可逆式机组全特性曲线中水轮机工况区“S”特性中的“Z”特性这一概念，如图6所示。“Z”特性由等开度线在水轮机工况区的形状提出，若等开度线在大流量区由负斜率立刻转为正斜率，转折较急促，形如“Z”，则具有“Z”特性。在水轮机工况区，等开度线单位流量随着单位转速的增加而缓慢减小，当单位转速达到最大值时，转速随之也达到极值。由于巨大的离心力作用，使转轮出现截流效应，一部分水体被倒吸，产生反水泵现象，引起水体周期性振荡。一般在最大转速附近，脉动幅值最大。随后进入反“S”制动区，即正斜率区，部分水体从尾水流道甩出，部分水体被倒吸，脉动压力依然存在。但由于水体减少，冲击相对减弱，脉动幅值随之逐渐减小。对比50%等开度线和75%等开度线，50%等开度线在水轮机工况区单位流量随单位转速的增大而缓慢减小，减小的幅度并不大；75%等开度线在水轮机工况区单位流量先随单位转速的增大而缓慢减小，单位转速接近最大单位转速时，单位流量减小的幅度增大，被甩出流道的水体增多，留在转轮室的水体相对较少，甩负荷过程振动剧烈程度较红色等开度线甩负荷过程减轻，即等开度线由负斜率转为正斜率的速率越快，正斜率区的斜率越小，机组振动稳定性越差。

图6 “Z”特性示意图

2.2 案例分析

本节采用某电站（电站3）真机测试数据为例，通过比较脉动压力振幅来比较不同区域的振动稳定性，如表4、表5及图7、图8所示。

表4 双机甩50%额定负荷不同测点各时间点脉动幅值对比表

表5 双机甩75%额定负荷不同测点各时间点脉动幅值对比表

图7 双机甩50%额定负荷机组运行轨迹线

图8 双机甩75%额定负荷机组运行轨迹线

监测机组甩负荷开始后10s内脉动幅值的变化，根据双机甩50%额定负荷真机试验数据，图7所示，可知机组从甩负荷后5s开始，机组运行轨迹线由负斜率迅速转变到正斜率。由表5数据可得，机组甩负荷开始5s后，脉动幅值迅速增大，5s至6s分别出现了蜗壳测点和尾水管测点脉动振幅的最大值，蜗壳测点幅值变化越21m，尾水管测点幅值变化约5m，随后脉动幅值有所减小至10s。根据双机甩75%额定负荷真机试验数据，图8所示，可知机组从甩负荷后7s开始，机组运行轨迹线由负斜率迅速转变到正斜率。由表6数据可得，机组甩负荷开始脉动振幅由小逐渐加大，7s时蜗壳测点和尾水管测点的脉动振幅达到最大值，蜗壳测点脉动幅值变化约11m，尾水管测点脉动幅值变化约6m，随后各测点的振幅均逐步减小至10s。

以上数据说明，可逆式机组水轮机工况甩负荷过渡过程中，机组运行轨迹处于正斜率区，则会出现幅值较大的脉动压力。运行轨迹由负斜率转为正斜率转折越急促，速率越快，则脉动压力幅值变化程度越大。

3 结束语

本文根据计算经验，提出了“S”特性强烈程度的判定方法，并通过两个算例进行有效验证。同时，本文提出了“Z”特性的概念评判可逆式机组振动稳定性，并通过实测数据验证了“Z”特性对机组振动稳定性的影响。具体成果总结如下：

（1）本文提出了“S”特性的判定方法，即等开度线同额定单位转速交点斜率与该条开度线同n11坐标轴交点斜率的差值大小及该差值的变化范围（该范围以10%等开度线与最小单位转速的交点和额定开度线与额定单位转速的交点作为界定）作为表征“S”特性的依据：差值越大，“S”特性越好。

（2）本文根据全特性曲线等开度线的变化趋势提出了“Z”特性的概念。在可逆式机组全特性曲线水轮机工况“S”区，若等开度线的形状更接近“Z”，则机组在甩负荷过程中振动稳定性较差，压力脉动较剧烈。

[1] 纪兴英， 赖旭． 低比转速水泵水轮机“S”区特性数值模拟 [J]． 水动力学研究与进展，2011，26（3）：319-325．

[2] 陈德新， 谢辉． 低比速水泵水轮机“S”特性的内部流动[J]．水利学报，2001，32（2）：76-79．

[3] 周建旭． 长输水系统电站振动特性与稳定性分析[M]． 北京：中国水利水电出版社，2011．

[4] 梅祖彦． 抽水蓄能发电技术[M]． 北京：机械工业出版社，2000．

荣 红（1982—），男，助理工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速器研发、设计和调试。E-mail：ronghong@sgepri．sgcc．com．cn

宋旭峰（1975—），男，高级工程师，主要研究方向：水电厂运行、检修管理及自动化技术。E-mail：18811187966@139．com

杨文道（1973—），男，高级工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速器应用与调试。E-mail：13968591105@163．com

蒲楠楠（1991—），女，助理工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速器仿真。E-mail：281708906@qq．com

秦晓峰（1988—），男，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速器调试和研究工作。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