长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用

杜荣幸，王 庆，榎本保之，陈泓宇

［1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045；3.中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510630］

长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用

杜荣幸1，王 庆1，榎本保之2，陈泓宇3

［1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045；3.中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510630］

本文对长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用进行了总结，全面介绍了长短叶片转轮水泵水轮机的特点、清远抽水蓄能电站长短叶片转轮水泵水轮机的模型开发及试验、长短叶片转轮的设计制造以及机组运行调试和投运后的实际运行情况。

水泵水轮机；长短叶片转轮；模型试验

0 引言

近年来，为提高抽水蓄能电站水泵水轮机的水力性能，株式会社东芝（以下简称东芝公司）开发了一种在转轮内沿圆周方向交替分布长叶片和短叶片的新型转轮，简称“长短叶片转轮”并在世界范围内倍受关注。2003年，由东芝公司研发生产的安云电站（更换转轮改造）长短叶片转轮成功投产发电，标志着世界上第一台长短叶片水泵水轮机诞生。此后，东芝公司又相继为日本神流川电站和中国广东清远抽水蓄能电站开发了长短叶片转轮水泵水轮机，神流川抽水蓄能电站于2005年12月起投入商业运行，清远抽水蓄能电站于2015年11月起投产发电。随着上述电站的成功投运，长短叶片转轮水泵水轮机优越的水力性能被逐步证实。

1 长短叶片转轮的特点

长短叶片转轮在转轮进水边的两个长叶片之间增加了一个短叶片，从而使转轮进口处的叶栅稠密度倍增，抑制转轮内部二次流发生，水力稳定性得到显著提高，无论是流体解析、模型试验及原型水轮机的实际运行均证明其明显优于常规叶片转轮；另外由于叶片数增加，单个叶片的水力载荷减轻，使转轮的空化性能得到提高，具有如下特点：

（1）高效区宽广、性能变化平缓、能适应较大的水头变幅。

（2）水泵及水轮机工况的效率、尤其是部分负荷效率提高。

（3）小流量、部分负荷工况的效率和稳定性得到明显提高。

（4）转轮进口脱流和叶道涡现象得到明显扼制。

（5）压力脉动降低。

（6）空化性能提高。

（7）转轮刚性好、强度和可靠性得到提高。

2 清远抽蓄水泵水轮机主要参数

清远抽水蓄能电站是由中国南方电网有限责任公司全资建设的大型抽水蓄能电站，位于广东省清远市，安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，单机容量（发电工况）320MW，总装机容量1280MW，由东芝水电设备（杭州）有限公司中标承制，在水泵水轮机的选型中采用东芝新型长短叶片转轮。清远抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数如下：

3 模型开发及试验

3.1 基于CFD的水力设计及优化

长短叶片转轮模型水轮机由东芝公司开发，基于东芝公司类似业绩及丰富的水力设计经验，流道中的每个部件，如蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管等均通过计算流体力学（CFD解析）进行优化。

首先对蜗壳尺寸进行优化，使从流道进口到流道末端的平均流速保持圆周恒定，固定导叶进口的流动角度尽可能的保持一致，蜗壳截面数量与固定导叶个数相等。为避免转轮叶片和活动导叶的耦合共振，考虑到转轮叶片总数为10情况下可能产生的转轮振动模态，活动导叶和固定导叶的数量均确定为16个。水轮机额定工况点及水泵最小扬程附近的解析结果请见图1。

图1 固定导叶和活动导叶解析结果Fig.1 The analysis results of stay vane and guide vane

清远长短叶片转轮设计为5只长叶片和5叶短叶片，为发挥最优性能，对长叶片和短叶片的翼型分别进行CFD优化设计，使水泵的扬程-流量特性曲线的倾斜程度可以满足最高扬程下的最大扬水量和最小扬程下的最大输入功率的要求。对相邻长叶片的出水边开口进行优化，以达到在水轮机工况时转轮水流出口径向方向的流速均匀分布，使水力损失和尾水管压力脉动减少。尾水锥管的优化设计可以消除偏流现象和水泵工况中转轮进口的紊流现象，尾水肘管则设计成在调相运行时可减少向下池泄漏压缩空气量的形状。

利用东芝公司的最新CFD解析技术可以将静止部件和旋转部件整体作为计算模型进行处理，由此可以研究静止部件与旋转部件的设计匹配问题，从而使得解析结果更加准确。

3.2 模型验收试验

模型验收试验于2011年5月30日至7月1日在作为第三方中立试验台的瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）水力机械实验室PF-3试验台进行，南方电网调峰调频发电公司、广东省水利电力勘测设计研究院、中国水利水电科学院北京中水科工程总公司、株式会社东芝、东芝水电设备（杭州）有限公司等有关各方的代表和专家参与了验收试验。

瑞士洛桑联邦理工学院水力试验室是国际上著名的中立水力试验室，试验台主要参数及试验条件如下：

模型水泵水轮机装配照片见图2。

图2 模型水泵水轮机装配Fig.2 The assemble of model pump turbine

依据合同要求以及IEC 60193（1999）规程，模型验收试验项目包含：测量仪器的率定、水轮机效率试验、水轮机输出功率试验、水轮机空化试验、水轮机压力脉动试验、水轮机飞逸转速试验、蜗壳压差、尾水管压差试验、水泵效率试验、水泵输入功率和流量试验、水泵二次回流试验、水泵空化试验、水泵压力脉动试验、水泵零流量试验、四象限特性试验、水推力试验、导叶水力矩试验、顶盖压力试验、水泵水轮机模型尺寸检查等。

（1）效率试验。

水轮机工况效率试验主要包括最高效率、加权平均效率、额定工况点效率及12个导叶开度条件下的完整效率试验。水泵工况包括加权平均效率、最高效率、最低扬程工况点效率及22个导叶开度的完整效率试验。模型到原型的效率修正采用IEC 60193（1999）规定的两步修正法。验收试验结果与初步试验结果基本一致，全部满足合同保证值。

（2）水轮机输出功率试验。

验收试验验证了在470m水头下，水轮机额定功率满足保证值326.5MW；在导叶机械最大开度下，水轮机的最大功率可达到336.3MW。

（3）水泵输入功率和流量试验。

水泵最低扬程（Hst=449.3m）在频率50.5Hz时，正常换算情况下的原型水泵最大输入功率为325.5MW，满足合同保证值331MW的要求。水泵最低扬程在频率50Hz时，无论是正常换算还是在不考虑效率修正值的情况下原型水泵的最大输入功率均不大于331MW。根据模型试验结果换算的水泵最高扬程在频率50Hz时的最小流量为53.5m3/s，满足合同保证值51.76m3/s的要求。

（4）压力脉动试验。

压力脉动值是衡量水泵水轮机水力稳定性的最关键指标，脉动越小意味着的水力稳定越优秀。水轮机工况压力脉动试验在电站空化系数条件下进行，包括尾水管脉动试验、无叶区脉动试验以及转轮与顶盖间的压力脉动试验。试验结果表明，在最大水头和额定水头的正常运行范围内，各区域的压力脉动值均小于保证值。额定水头条件下100%功率及50%功率时的涡带情况请见图3。

图3 水轮机工况额定水头、装置空化系数时的涡带情况Fig.3 The vortex under turbine rated head and plant σ condition

水泵工况压力脉动试验也在电站空化系数下条件下进行，分别测量了尾水管、无叶区、转轮与顶盖间的压力脉动，试验结果表明，在最高扬程和最低扬程的全部运行范围内，压力脉动值均小于合同保证值。此外还对零流量运行工况2个导叶开度下的压力脉动进行了测量，同样小于合同保证值。

（5）空化试验。

为验证水泵水轮机的空化性能，在水轮机工况对最大水头、额定水头和最小水头进行空化试验。试验结果表明在全部正常运行范围内，电站空化系数与初生空化系数的比值为1.47～2.65，有较大的裕度。

水泵水轮机的最不利空化条件通常发生在水泵工况，因此对水泵工况最高扬程（49Hz、49.8Hz、50Hz）、最小扬程（50Hz、50.5Hz、51Hz）以及最高扬程和最低扬程之间的2个扬程条进行了水泵空化试验。试验结果表明，在全部正常运行范围内电站空化系数与初生空化系数之比为1.36～2.25，同样具有较大的安全裕度，可以确保水泵工况下的无空化运行。

（6）水泵二次回流试验。

最高扬程（49.8Hz）与水泵二次回流区的起始点的扬程之间的安全裕量为6.2%，优于合同保证值的要求。

（7）完全特性试验。

水泵水轮机要经常进行各种工况转换，因此需对模型的完全（四象限）特性进行掌握。完全特性试验分别在7个导叶开度下进行。水轮机制动工况再增加4个导叶开度条件的试验。试验结果表明水轮机正常运行水头范围和频率变化范围内,最低水头起动时远离不稳定的S特性区，不会发生水轮机低水头无法正常起动的现象（见图4）。

4 长短叶片转轮的设计制造

作为水泵水轮机的心脏部件,转轮的设计制造质量对电站今后是否能够安全稳定运行至关重要。基于长期的研究和大量的经验业绩，东芝对于高水头水泵水轮机转轮质量控制和防止裂纹产生有着一套成熟的设计制造体系。

图4 四象限特性曲线中的S区域Fig.4 S region in four frequency characteristic curve

高水头水泵水轮机转轮的通常为进水边尺寸较大而出水边尺寸较小的扁平形状，长短叶片转轮的短叶片长度通常为长叶片的2/3左右，设于转轮进水边侧，在尺寸较小的转轮出水边只有长叶片，因此在转轮性能得到提高的情况下，又有足够的操作空间以确保焊接加工质量。另外由于总体叶片数增加，使得在高水头条件下工作的转轮刚强度和可靠性得到提高。

清远抽水蓄能电站长短叶片转轮为单级混流可逆式，由上冠、下环、泄水锥、5只长叶片和5只短叶片组焊而成，材料选用抗空蚀、抗磨蚀和具有良好焊接性能的低碳优质不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo，叶片采用VOD精炼铸造技术，转轮外径4.236m，重约35吨。转轮与主轴采用螺栓连接，键传递扭矩。泄水锥与上冠焊接为一体，转轮上冠上部设有与水轮机轴螺栓连接用的法兰，止漏环与上冠、下环一同整体铸造。转轮过流型线采用数控加工，保证与经过模型验收试验的模型转轮几何相似。

高水头水泵水轮机转轮产生裂纹的成因复杂，其中最重要的一个因素是由于转轮叶片与导叶之间的动静干涉引起的交变动应力诱发共振，转轮在旋转时，当叶片靠近导叶时周边应力增加，远离导叶时周边应力减小，如果这个动态压力的频率值与转轮的固有频率一致或接近，将引起动应力峰值突现，转轮产生共振。高水头电站往往转速比较高，高频次的交变应力频繁作用于转轮上，长期运行易导致转轮疲劳损坏、叶片裂纹产生。在20世纪80年代中期，东芝公司设计制造的当时世界上最高扬程水泵水轮机、500m等级的日本的奥吉野电站由于上述原因产生转轮裂纹。

转轮的固有频率受到周围水流及静止部件的双重影响，为研究这种复杂的效应，取得转轮在水中工作时固有频率的精确值，东芝领先于世界、历时多年开展了转轮动应力研究，建立了真实水头模型试验台并针对包括长短叶片转轮在内的各种水泵水轮机进行了大量的试验研究，世界范围内率先发现了转轮和导叶间的动静耦合振动模态，确立了防止高水头水泵水轮机转轮异常振动的措施，并形成了一套成熟的针对包括普通转轮和长短叶片转轮在内的优化设计体系，采用优化后的活动导叶、转轮叶片数量匹配关系及转轮设计形状可以将转轮动应力值控制在最小范围内。此后东芝公司设计生产的水泵水轮机迄今为止未发生过一次转轮裂纹事故，堪称国内外水电制造行业内的一大奇迹。

决定转轮质量另一个重要因素是焊接加工，清远电站长短叶片转轮轴向空间狭窄、叶片流道长的特点决定了其焊接难度较大。在转轮焊接之前制作了1∶1大小的1/4模型进行研究，确定采取下环+叶片装焊后再吊装上冠的焊接方式。焊接过程中使用3D测量仪对叶型进行实时跟踪测量并及时调整纠错，利用磁性加热片对转轮本体持续保温以避免冷裂纹的产生，焊后用退火炉按设定温控流程进行热处理以消除应力，并对转轮焊缝进行了X射线残余应力测试，清远转轮热处理后的残余值低于100MPa，远小于设计要求的150MPa。然后进行抛光打磨和数控加工，其间经历多道严格的UT、MT、PT探伤和检查工序，确保转轮无缺陷。最后采用高精度的精密静压轴承支撑方式进行静平衡配重，清远转轮静平衡等级按ISO 1940-1（2003）G 2.5级执行，远高于较之按常规执行的G6.3级提高了一个大挡次，清远1号机最终的盘车摆度在0.011～0.015mm/m，远小于规范允许值0.02mm/m。

5 投入运行

清远抽水蓄能电站1号机组于2015年11月30日圆满完成15天考核试运行，顺利投入商业运行，机组参数指标全部满足及优于合同和相关规程规范要求，主要部件的温升、振动、摆度等指标均处于优良范围。2号机于2015年12月29日并网成功，目前已顺利完成包括1、2号机双机甩负荷试验在内的全部有水调试及涉网试验，2016年2月23日投入为期15天的考核试运行，并于3月15日成功投入商业运行。

长短叶片转轮水泵水轮机优越的水力性能在清远抽蓄已投产的1、2号机中得到充分体现。作为评价机组水力稳定性的核心指标诸如振动摆度参数，1号机运行中设备振动0.17～0.47mm/s，远低于规范允许值1.6mm/s，而2号机的核心性能指标甚至略优于1号机。在2号机组发电工况带负荷热稳定性试验过程中，为验证机组稳定性，一位资深专家在发电机机罩上竖直放了一枚硬币试验3min，居然做到纹丝不动，这样优异的振动性能是极为罕见的。

长短叶片转轮的优越的同时体现为稳定运行范围得到拓宽。根据合同及相关规范要求，清蓄水轮机工况运行的功率下限为50%，1号机交付业主后，经试验确认机组在40%的部分负荷区域运行稳定且各项稳定性指标良好，2号机的运行过程中也进行了相应测试，确认了40%负荷区域同样可以稳定运行，明显优于常规叶片水泵水轮机。

水泵水轮机的S特性是困扰国内诸多抽水蓄能电站的一大难题，由于S形不稳定区域进入电站最低水头运行范围，造成水轮机工况低水头启动并网困难，许多电站不得不采用诸如不同步导叶等特殊控制方式。东芝水泵水轮机技术一贯特点是S区域不明显且远离正常运行范围，东芝设计制造的水泵水轮机迄今为止未发生过一起因S区域造成的低水头启动不稳定的不良运行案例，清远电站1、2号机低水头并网试验全部为一次性成功，做到成功率100%，根据试验结果，从导叶开启到无负荷开度的过程，从现场曲线波形来看，水压的变动和转速上升都是以平缓、安定的状态运行的，未出现所谓的S字特性干扰。

在1、2号机有水动态调试试验阶段，进行了大量的工况转换试验，均取得一次性成功。其中1号机组在15天考核试运行期间，经历机组发电工况启停25次，抽水工况启停14次，机组启停成功率100%，考核试运行一次通过。2号机组于2015年12月开始有水动态调试，于2016年1月23日全部完成了与1号机组同样的有水调试试验及涉网试验，历时33天，比1号机的调试时间大幅缩短。2016年2月16日开始了1、2号机开始了双机有水试验，包括同期启动试验，双机甩负荷/水泵抽水断电试验，于2月19日全部顺利完成，试验过程安全正常，各项检测数据全部满足要求。

6 结束语

清远抽水蓄能电站水泵水轮机在洛桑中立试验台顺利通过模型验收试验，以及1、2号机组顺利投入商业运行，各项试验及测试结果均证明机组各项性能性能指标满足要求、稳定性优越。上述均表明长短叶片转轮水泵水轮机在我国大型抽水蓄能电站中的首次应用是成功的，这将在我国的抽水蓄能事业发展史上产生里程碑式的意义，并预示着长短叶片转轮水泵水轮机的良好发展前景。

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杜荣幸（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：水轮机和水泵水轮机水力设计等。E-mail:du.rongxing@toshiba-thpc.com

王 庆（1983—），女，工程师，主要研究方向：水轮机和水泵水轮机水力设计等。E-mail:wang.qing@toshibathpc.com

榎本保之（1975—），男，主要研究方向：模型试验，流体解析，水轮机、水泵水轮机性能开发等。

陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail:542120791@qq.com

Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station

DU Rongxing1,WANG Qing1,ENOMOTO Yasuyuki2,CHEN Hongyu3
［1.Toshiba Hydro Power（Hangzhou）Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,China; 2.Toshiba Corporation,Yokohama 230-0045,Japan; CHINA Southern Power Grid Power Generation Company,Guangzhou 510630,China］

The paper summarized the application of splitter blades runner pump turbine in QinYuan pump storage station,described the characteristics of splitter blades runner pump turbine,the model development and model test of QingYuan splitter blades runner turbine,the design and manufacture of splitter blades runner,and the prototype unit commissioning and the actual operation situation.

pump turbine; splitter blades; model test

TV734.1

A 学科代码：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.005