東方電機水泵水輪機水力開發的技術進步

傅之躍，劉偉超，鄭津生，胡江藝

（東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

東方電機水泵水輪機水力開發的技術進步

傅之躍，劉偉超，鄭津生，胡江藝

（東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

從水泵水輪機水力設計技術、水泵水輪機模型裝置設計技術和水泵水輪機模型試驗技術等幾個方面介紹了東方電機在抽水蓄能電站水泵水輪機水力研究開發上的技術進步。

東方電機；水泵水輪機；水力開發；技術進步

0 引言

抽水蓄能機組在電力系統中擔任調峰、調頻、調組、事故備用和吸收多余電能等任務方面功效顯著，對電力系統的穩定運行是不可或缺的。

東方電機一直以來都在致力于抽水蓄能電站水泵水輪機的開發研究。近年來，隨著國內電力建設的發展，通過參與一些抽水蓄能電站機組的分包制造，特別是在國家對國內企業技術引進的支持下，抽水蓄能機組的研究發及設計制造能力得到很大提升。本文主要介紹東方電機在水泵水輪機水力開發方面的技術進步。

1 水泵水輪機水力開發的技術進步

1.1 水泵水輪機水力開發的早期自主研發

東方電機從20世紀80年代初就開始進行水泵水輪機的自主水力開發工作，結合國家“八五”重大攻關項目——“大型抽水蓄能機組關鍵技術攻關”項目，在認真分析參與分包的3個大型抽水蓄能電站和自行研制響洪甸抽水蓄能機組水力資料的基礎上，自主進行了500m水頭段和150m水頭段混流式水泵水輪機水力開發，積累了一定的經驗。

20 世紀80年代末，通過三峽電站水輪機水力技術的引進，東方電機水輪機設計理念和設計手段都得到了很大的提升，先進的CFD技術廣泛應用于東方電機水輪機的水力設計中，并取得了突出的成績。在此基礎上，東方電機開展了350m水頭段的水泵水輪機水力開發工作，將CFD技術應用于水泵水輪機水力設計，試驗結果表明，其主要性能指標達到了設計要求。

1.2 水泵水輪機水力開發的技術引進

2003年3月，國家發改委為促進我國抽水蓄能電站建設的發展，采用“打捆招標”的方式引進抽水蓄能電站機組設備設計和制造技術，以逐步實現我國抽水蓄能電站機組設備制造的國產化，東方電機和哈爾濱電機廠是技術轉讓的主承受方。

2005年3月至7月，東方電機的水力設計人員赴法國阿爾斯通公司進行了為期4個月的水泵水輪機水力設計技術的轉讓培訓工作，系統地學習了阿爾斯通公司的單級混流可逆式水泵水輪機水力設計方法，包括設計理念、基本水力參數選定、商業軟件應用、自開發設計軟件應用、CFD計算分析、優化方法及經驗等。同年11月，阿爾斯通公司派員在我公司的計算工作站上進行了水泵水輪機計算機設計平臺的構建，安裝了阿爾斯通公司的全套設計軟件，并于次年3月份派水力設計專家到東方電機進行了第二階段的培訓。水力試驗技術人員和模型試驗裝置加工工藝人員也在阿爾斯通公司系統地接受了為期兩個月的水泵水輪機模型試驗相關技術學習培訓。在此基礎上，東方電機開展了550m～600m水頭段、200m～250m水頭段和450m～500m水頭段水泵水輪機水力開發工作，其成果達到了設計預期。至此，東方電機已基本具備自主進行水泵水輪機水力開發的能力。

2 東電水泵水輪機水力開發的技術進步

2.1 水泵水輪機水力設計的技術進步

通過技術引進，東方電機在水泵水輪機水力設計的設計理念和設計手段方面都取得了實質性的進步。

水泵水輪機的水力設計系統如下：

（1）硬件配置

該水力設計系統的硬件系統為PC工作站，采用Windows2000操作系統。目前我公司配置了6臺高性能的HP工作站，其采用Pentium4的3.0GHz雙CPU，內存高達4G。同時增配了一臺4CPU的IBM P510服務器，該系統的單機計算能力已經十分突出，如加上服務器進行計算，其計算能力將更為強大。

（2）軟件系統

該軟件系統的主要商業軟件為目前業界使用最為廣泛的、最為先進的軟件，同時擁有更為豐富的自開發軟件及計算前后處理宏程序，名稱和功用如表1所示。

表1 水泵水輪機水力設計軟件

（3）水力設計方法

水力設計系統的設計流程框圖如圖1所示。

圖1 水泵水輪機水力設計流程框圖

轉輪葉片設計通過MEDE、BLD1、BLD2共同完成，同時也可通過這三個軟件完成固定導葉的翼型設計。TCDE軟件專用于雙列葉柵的設計，SCDE軟件專用于蝸殼設計，尤其是用TCDE設計時將固定導葉和活動導葉組合考慮，更便于配合修改和聯合計算。

在幾何造型方面，由TCDE完成設計后，生成雙列葉柵的幾何數據文件，通過Excel打開、編輯數據格式，然后由Autocad2000的宏讀入，完成二維型線生成，再生成IGS文件輸出，利用三維制圖軟件讀入進行造型。雙列葉柵使用的是網格劃分軟件Icemcfd的三維造型功能，而蝸殼和尾水管的三維造型采用Pro_E2001。

網格劃分軟件為Turbogrid和Icemcfd兩種。Icemcfd為Ansys-Icemcfd4.cfx版，可以直接讀入二維、三維幾何體生成的IGS文件，同時也有很強的三維造型功能。除轉輪外的其他通流部件都是通過Icemcfd劃分四面體網格進行計算。四面體網格劃分簡單快捷，適應能力強，計算速度快。

在CFD計算軟件方面，TASCFLOW主要用于轉輪計算。其他通流部件采用了四面體網格，它們的計算采用了能同時計算四面體和六面體網格部件的CFX5.7。完成功能如下：

（1）蝸殼：將蝸殼和雙列葉柵聯合劃分網格和計算，并只計算水輪機工況，主要計算固定導葉前水流角和進入固定導葉的流量沿圓周方向是否均勻。

（2）雙列葉柵：計算水輪機工況和水泵工況，可計算流速和壓力分布及損失，活動導葉水力矩，活動導葉出口水流角。

（3）轉輪：水泵工況計算流速和壓力分布及水力損失，各計算點的NPSH值，揚程流量曲線；水輪機工況計算流速和壓力分布及水力損失，出口速度分布；轉輪的靜、動載荷。

（4）尾水管：主要計算水輪機工況，計算流速和壓力分布及損失，流線分布，非穩定流及蝸帶和壓力脈動計算。

（5）聯合計算：可將蝸殼和雙列葉柵，雙列葉柵和轉輪，轉輪和尾水管聯合計算，還可將蝸殼到尾水管整體聯合計算。

圖2為模型水泵水輪機水泵工況整體聯合計算后處理結果的流線形態分析。

圖2 水泵水輪機聯合泵工況聯合計算流線分析

2.2 水泵水輪機模型裝置設計的技術進步

為適應水泵水輪機模型試驗時高水頭、小流量和試驗工況復雜的特性，在模型試驗裝置設計時采用了全新的設計理念和多個全新的結構形式：

（1）蝸殼采用由厚鋁板數控加工內腔的結構，此舉改善了原采用102鑄鋁鑄件質量差，數控加工表面粗糙度低的問題，提高了模型試驗裝置整體剛性，同時也提高了蝸殼與座環、頂蓋配合精度；與采用不銹鋼材質相比，提高了數控加工的效率，降低了數控加工成本和原材料成本。

（2）座環的結構采用固定導葉與座環下環用不銹鋼鍛件整體數控加工的結構，提高了固定導葉的位置精度。

（3）針對可逆式水泵水輪機流量小的特點，為提高容積效率，采用了浮動底環結構，以減少導葉端面間隙，把底環加工精度對容積效率的影響降至最低。

（4）轉輪葉片采用新的窄上冠分瓣結構，提高了分瓣葉片的加工精度和轉輪組合裝配精度，同時提高了分瓣葉片數控加工的效率。

（5）轉輪下止漏環采用銷子定位，使下止漏環可以以銷子為中心擺動，在轉輪偏擺略微超差時，可減小對轉輪下止漏環的磨損。

（6）錐管下法蘭與肘管上法蘭采用立面密封，容許上下移動的柔性結構，減小了肘管及擴散段內的壓力脈動上傳效應。

（7）設計了單導葉高精度定位裝置，使得非同步導葉的模型試驗順利進行。

以上舉措大大提高了模型試驗裝置的加工精度和運行穩定性，為水力開發的成功打下了基礎，而這些設計也已推廣至溪洛渡、官地等百萬級水電站的水力開發之中。

圖3為水泵水輪機模型裝置的創新結構示意圖。

圖3 水泵水輪機模型裝置示意圖

2.3 水泵水輪機模型試驗的技術進步

水泵水輪機的模型試驗有其固有的特點。與常規的混流式、軸流式水輪機相比，其模型試驗工況多且試驗過程復雜，對試驗臺的結構、測試儀表的性能、電氣控制系統等有一些特殊的要求，譬如雙向流量測量能力、雙向流量率定能力、測功電機雙向旋轉控制能力、水泵工況的流量調節能力、四象限試驗技術等。

（1）試驗設備的改進與完善

針對水泵水輪機模型試驗的改進還包括完善了測功電機雙向控制系統，以進行水泵方向和水輪機方向的運轉控制，研制了水輪機轉動部件摩擦力測試系統，提高出力與入力的測量準確性，實現了流量雙向流動方向的測量，方便了零流量工況附近的流量測量與運行工況確認，設計完善了尾水正壓調節系統，對試驗臺的局部管路結構進行了適應性改進，實現了流量雙向率定，開發了水泵水輪機模型試驗軟件與數據后處理系統。這些新的試驗設備以及新的測試技術的投入使用，為水泵水輪機的模型試驗奠定了良好的基礎。

（2）四象限特性試驗

四象限特性曲線表現出水泵水輪機完整的運行工況，對過渡過程的控制與運行有著重要的指導作用，其中在水輪機制動工況附近的模型試驗顯得更為重要，在該區域，細微的試驗可以清晰反應出水泵水輪機的“S”特性，從而可以判斷出在運行范圍內是否存在嚴重的“S”特性。“S”特性區域的顯著特點是工況極其不穩定，一個單位轉速可以對應三個不同的單位流量，而且其中一個位于反水泵工況，流量為負值，系統中的壓力波動可能導致運行工況在這三個工況點之間來回運動，使系統極其不穩定，在真機上表現為水輪機啟動時轉速不穩定，從而無法并網。在模型試驗中如果沒有特殊的手段，運行工況也會極其不穩定，導致無法準確細膩地試驗出“S”區的特性曲線。經過反復探索，摸索出了一套行之有效的進行四象限特性試驗的方法，可以得出“S”特性的細膩曲線，從而為水力開發提供準確的試驗信息，為改善水泵水輪機的“S”特性提供了強有力的技術手段。

（3）水泵駝峰特性試驗

在水泵特性曲線的某一小流量區域，隨著流量的減少，揚程不但沒有增加，反而降低，而后隨著流量的進一步減少，揚程又開始上升，在特性曲線上表現出類似駝峰的曲線，通常稱之為水泵駝峰特性。這一特性在真機上表現為，如果駝峰裕量不足，水泵在高揚程條件下的啟動與運行將受到影響，因此改善駝峰裕量也是水泵水輪機水力開發的重要指標。模型試驗表明，該區域也為不穩定運行區域，必須尋求一種合適的流量調節方法，進行穩定的流量調節，得出穩定的水泵特性曲線。流量調節閥加上水泵對沖方式的應用以及二者之間的協調運行很好地解決了這一問題。

我們以水泵水輪機的技術引進為契機，不斷探索水泵水輪機的模型試驗技術，通過不同水頭段多個項目的模型試驗檢驗，逐步完善了水泵水輪機模型試驗技術，增強了試驗臺進行水泵水輪機模型試驗的能力，提高了水泵水輪機水力開發的整體實力，為水力開發的成功提供了保障。

3 水泵水輪機水力自主開發的最新成果

東方電機的水力開發人員通過開展多個水頭段和項目的水泵水輪機水力開發工作，已經具有了一定的水泵水輪機水力開發經驗，并逐漸構建和完善水泵水輪機水力設計數據庫。

3.1 550m～600m水頭段水泵水輪機自主水力開發

在認真分析“打捆招標”三個電站高水頭抽水蓄能機組水泵水輪機水力參數的基礎上，同時為檢驗東方電機技術人員的技術引進成效，東方電機開展了550m～600m的水頭段水泵水輪機水力開發。按照技術引進所學設計流程，進行了從蝸殼、雙列葉柵到尾水管CFD優化設計，結合三個模型轉輪的水力優化設計，分別進行了蝸殼與雙列葉柵、導葉與轉輪、轉輪與尾水管的聯合設計，與復制的某引進電站水泵水輪機水力模型同臺對比試驗結果表明，達到了預期的設計效果。部分性能試驗結果對比曲線見圖4～圖6。

圖4 水泵工況能量比較圖

圖5 水輪機工況高單位轉速能量比較圖

圖6 水輪機工況低單位轉速能量比較圖

3.2 200m～250m水頭段水泵水輪機自主水力開發

東方電機開展的200m～250m水頭段水泵水輪機水力開發也是檢驗東方電機技術人員的技術引進成效的項目之一。在此基礎上，針對國內首個國產化項目——安徽響水澗抽水蓄能電站進行了水泵水輪機水力開發。響水澗抽水蓄能電站雖然與打捆招標電站之一的白蓮河電站相近，但應用水頭范圍和容量均有所不同，造成水力設計參數差別較大，特別是水泵工況。在第一輪水力設計中，進行了三個水泵水輪機水力模型的優化設計，在分析總結模型試驗結果的基礎上決定采用不同導葉高度的參數方案進行第二輪水力開發，最終完成D481A水力模型優化設計。同臺對比試驗表明，其主要性能基本滿足電站參數要求。其部分試驗結果對比如圖7～圖9所示。

圖7 水泵工況能量比較圖

圖8 水輪機工況高單位轉速能量比較圖

圖9 水輪機工況低單位轉速能量比較圖

3.3 450m～500m水頭段水泵水輪機自主水力開發

450 m～500m水頭段水泵水輪機水力開發是針對國內仙游和荒溝等一批450m～500m水頭段抽水蓄能電站而進行的。該水頭段水泵水輪機在我公司的技術儲備尚屬空白，這就要求東方電機進行全新的通流部件和轉輪的水力設計，其難度可想而知，這也是對東方電機水力設計工程師完全自主進行水泵水輪機水力開發能力的檢驗。通過不同蝸殼、雙流葉柵、尾水管、轉輪及各通流部件幾何參數不同匹配的水力優化設計、模型試驗、總結提高，再優化、再試驗、再總結提高，兩年多時間四輪水泵水輪機水力開發，終于開發出滿足仙游抽水蓄能電站參數要求的水泵水輪機水力模型，并送往國際唯一的中立試驗臺——瑞士洛桑工學院水力試驗臺進行了模型試驗驗證，其模型試驗結果與東方電機試驗結果基本相當。試驗結果見圖10、圖11。

圖10 水輪機工況模型試驗曲線

4 展望

圖11 水泵工況模型試驗曲線

在國家發改委和國內業主單位的大力支持下，通過打捆招標技術引進，東方電機經過多年的努力，自身的消化吸收，全面實踐應用，完成了多個水頭段的水泵水輪機的水力開發，在抽水蓄能電站水泵水輪機水力開發方面取得了一定的進步。我們相信，有國家發改委和國內業主單位的鼎力相助，東方電機科研人員的努力，抽水蓄能機組國產化的任務一定能完成，東方電機也必將為我國的水電事業作出更大的貢獻。

TK734

A

1672-5387（2011）02-0005-05

2010-10-01

傅之躍（1958-），男,教授級高級工程師,東方電機有限公司技術管理部部長，從事水輪機設計、研究和技術管理工作。