金寨抽水蓄能电站机组转轮与导叶联合优化研究及压力脉动分析

杨聚伟，罗国虎，郭建强，李向菊

(1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 金寨 237300；2.武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

金寨抽水蓄能电站[1]位于安徽省金寨县张冲乡境内，地处大别山脉西段北麓。该抽水蓄能电站在电网系统中主要具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等“六大功能”，并配备有两回500 kV的电网线路。电站共设有4台可逆式水泵水轮机机组，该机组采用立轴单级混流式结构[2]，单机容量300 MW，水轮机工况额定水头330 m。由于金寨抽水蓄能电站处于300 m水头级，通用电气水电设备(中国)有限公司(以下简称“GE公司”)投标文件推荐333.3 r/min转速和9叶片转轮方案，但是该方案在国内类似电站均不同程度发生厂房共振现象[3-6]，这也成为金寨抽水蓄能电站水泵水轮机水力开发的技术重点和难点。金寨抽水蓄能电站十分重视该问题，在水力初步设计的基础上进行了多个方案的开发试验，历时一年多时间，无叶区压力脉动[7-9]指标不断改进，但是始终不能完全达到合同保证值要求。

为改善压力脉动指标和避免厂房共振问题，经多次水力开发试验优化研讨，提出了“确保压力脉动稳定指标，不过分追求综合效率指标”的优化开发设计思路，设计了7组不断改进的转轮与导叶配合方案，并开展相应的模型试验，包含水泵工况外特性试验、水轮机工况性能试验、四象限和S区特性试验、水泵及水轮机工况压力脉动试验等多项试验内容。根据7组设计方案模型验收结果，最终选择综合技术指标整体提升的第7套转轮与导叶配合方案，该方案无叶区压力脉动指标达到较好水平。

1 机组优化开发方案简介

由于固定过流部件对于压力脉动的影响较小，故本文主要针对转轮进口直径(4 730 mm或4 626 mm)、叶片数量(9或13，与进口直径相对应如图1所示)及型线(两组不同型线如图2所示)和导叶型线(3组不同型线)进行组合研究分析，基于前一组方案模型试验结果设计开发后一组方案直到满足各试验项目合同保证值要求，得到7组不同的方案如表1所示。

图1 机组转轮进口直径及叶片数量方案(单位：mm)

图2 机组转轮型线方案

表1 转轮与导叶联合优化方案

2 模型试验项目内容

本次模型试验在瑞士洛桑联邦理工学院水力机械试验室PF2试验台(见图3)进行，试验台现场设备包含尺寸换算比为1∶10的模型测试机组青铜转轮，有机玻璃尾水直锥管段，金属焊接入水管、压水室、导叶、调节机构以及尾水肘管，泵转速、流量及压力脉动传感器等部件，如图3所示。该试验台测试范围为：最大流量1.4 m3/s，最大水头120 m，主泵功率1 000 kW，测功机的最大转速2 500 r/min。在模型验收试验前，对试验测试用泵转速、流量及压力脉动等传感器进行标定及误差分析，该试验台的综合误差±0.25%的范围内。进一步开展效率试验，水泵工况的效率综合测量误差为0.247%，水轮机工况的效率综合测量误差为0.24%，满足合同要求[1]。

图3 机组模型试验台

2.1 水泵工况外特性试验

水泵工况外特性试验在1 200 r/min的恒定转速工况下进行，模型试验的雷诺数满足流体机械相似换算要求。根据初步模型试验结果显示水泵工况最大效率点在导叶开度23°附近。模型验收试验时在高空化系数下对导叶开度22°、23°、24°的水泵能量特性曲线进行了重复性检查，结果一致。以导叶开度为23°条件为机组最优效率点开展模型验收试验，连续采集多组数据减小试验误差以验证水泵工况模型最优效率值；在318～374 m水泵扬程工况下，对电站装置空化系数的加权点进行多次测量减少试验误差以验证水泵工况加权平均效率；开展在最高和最低扬程工况下的平均保证流量试验及最大入力试验；在最高扬程下进行了4个不同导叶开度(14°、16.5°、17°、20°)的驼峰区性能试验。

2.2 水泵工况空化性能试验

以导叶中心线为高度参考计算空化系数，空化试验采用排气水，通过尾水锥管借助闪频仪观察和空化噪音判断空化的产生与溃灭。水泵空化试验对3个特征工况点进行了试验，包含了整个运行区域和频率范围[1]。

2.3 水泵工况零流量试验

为了验证初步试验的性能，模型验收时在0.5～5°之间共7个导叶开度下进行了水泵工况零流量验收试验[1]。

2.4 水泵工况异常低扬程试验

考虑到电站初期发生水泵工况异常低扬程启动的可能性。基于初步试验已经在毛扬程280 m，导叶开度15°条件下完成异常低扬程启动试验[1，3]。

2.5 水轮机工况性能试验

水轮机工况性能试验主要通过模型机组效率换算原型效率，进而获取水轮机性能数据开展验收，试验采用60 m恒定水头变转速工况。其中，最优工况试验在无空化条件下进行，而其他工况试验均在电站空化系数条件下进行。

2.6 水轮机工况飞逸特性试验

在高空化系数下导叶开度在24.3°(90%额定开度)、27°(100%额定开度)、29.7°(110%额定开度)和31.2°(机械设计最大开度)进行了飞逸转速试验[1]。

2.7 四象限和S区特性试验

水轮机四象限在无空化条件下进行了3个导叶开度11°、12°和14°的试验；反水泵象限在无空化条件下进行了1个导叶开度12°的试验；制动和水泵象限在高空化条件下开展了1个导叶开度12°的试验[1，3]。

3 试验结果及压力脉动

3.1 试验结果对比分析

根据7组转轮与导叶配合方案完成上述模型试验的九项试验项目内容，得到各方案试验结果对比如下表2所示。表中○表示满足合同保证值要求，×表示不满足合同保证值要求，△表示部分满足合同保证值要求。

从表2中可以得出方案七满足所有项目试验要求，该方案采用13叶片修型方案的转轮和方案3的导叶型线，最终设计完成机组的主要参数为：转轮叶片为13片，高压侧直径为4 580 mm，低压侧直径为2 523 mm；机组额定转速为333.3 r/min，活动导叶和固定导叶数均为22个。

表2 试验结果对比

3.2 方案七无叶区压力脉动指标分析

由于国内类似300 m水头电站均不同程度上发生厂房共振现象，进一步对方案七的无叶区压力脉动指标进行分析。水泵工况的无叶区压力脉动特性如图4a所示。水轮机工况对5个恒定净水头下(304、314、330、340、366 m)空载到50%负荷以及所有加权点进行试验，其中尾水管、顶盖与转轮之间、蜗壳进口位置压力脉动满足合同要求；但是活动导叶和转轮之间的压力脉动，即无叶区的压力脉动稍微超出合同值要求，相关试验结果如表3、图4b～4d所示。

表3 水轮机工况无叶区压力脉动相对偏差(峰间振幅ΔH/H)

图4 方案七各工况的压力脉动试验结果

根据国网新源公司《大型抽水蓄能电站机组设计制造与厂房抗振设计技术导则》关于无叶区压力脉动指标要求：对于200～300 m水头段电站，额定水头及以上水轮机空载工况压力脉动相对偏差≤15%，额定水头及以下水轮机空载工况偏差≤18%；对于300～400 m水头段电站，额定水头及以上水轮机空载工况偏差≤12%，额定水头及以下水轮机空载工况偏差≤15%。金寨电站额定水头330 m，接近导则划分的水头段指标临界值，控制指标相对苛刻，开发难度较大。从表3及图4中的试验结果可知，方案七的压力脉动初步试验结果与验收试验结果相符合，经转轮与导叶联合优化后的方案七具有较好的压力脉动特性。

同时对比国内同时期的张河湾(改造转轮)、琼中两个300 m水头级电站(低水头空载无叶区压力脉动换算到真机的绝对值约为60 m)，金寨抽水蓄能电站该指标略优；对比同时期的水头稍高的丰宁二期定速机组和永泰水泵水轮机模型试验结果，在额定水头及以下小于50%负荷(含空载)无叶区水泵压力脉动稍差(丰宁二期和永泰电站约50 m，金寨项约56 m)。为确保安全，金寨公司另外组织了与水力开发试验密切相关的厂房动力响应和过渡过程计算分析专家分析论证，结果显示：①金寨电站首次采用13叶片转轮，其2倍频率已和厂房频率偏离较多，同时厂房结构设计已采取采取多种抗振措施，经对地下厂房结构动力响应分析，振动控制不存在制约性问题。②在多重事故工况叠加情况下，电站个别位置过渡过程复核计算不满足要求，已采取相应工程措施在当前土建施工期解决。作为对电站水力激振源能量指标评估，金寨电站压力脉动指标处于先进水平，在一定程度上推动了水泵水轮机压力脉动指标技术进步，对于国内同类型机组的设计与优化提供了经验与参考。

4 结 论

水泵水轮机机组是抽水蓄能电站的核心设备，其水力性能优劣是电站经济安全稳定运行的关键。本文介绍了金寨电站水泵水轮机模型实验的水力开发过程及试验内容，设计与开发了7个转轮与导叶配合方案，基于模型实验数据开展了机组转轮与导叶联合优化，试验结果表明：模型试验结果真实可信，技术参数和性能指标基本满足设计要求；通过相似准则结合试验数据可以换算得到原型机组的性能曲线；转轮与导叶联合优化可在保证综合效率指标的基础上有效改善压力脉动。

金寨抽水蓄能电站水泵水轮机机组转轮的成功研制，有效提升了抽水蓄能电站水力开发水平，尤其是首次采用13叶片转轮开发设计，其模型验收指标以及厂房动力响应分析、过渡过程复核计算结果表征300 m水头级抽水蓄能电站厂房振动问题得到了初步解决。