長短葉片轉(zhuǎn)輪在清遠抽水蓄能電站的應(yīng)用

陳泓宇

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853）

長短葉片轉(zhuǎn)輪在清遠抽水蓄能電站的應(yīng)用

陳泓宇

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853）

介紹了長短葉片轉(zhuǎn)輪的發(fā)展應(yīng)用情況和長短葉片轉(zhuǎn)輪設(shè)計理念與功能，結(jié)合清蓄1號機組調(diào)試分析、總結(jié)長短葉片轉(zhuǎn)輪的特點及其應(yīng)用情況，為后續(xù)機組順利調(diào)試及多機甩負荷提供了數(shù)據(jù)參考，同時長短葉片首次在國內(nèi)大型抽水蓄能電站成功應(yīng)用，將對我國蓄能電站事業(yè)產(chǎn)生積極影響。

清遠電站；長短葉片；特點；應(yīng)用

1 前言

廣東清遠抽水蓄能電站（以下簡稱“清蓄”）是一座日調(diào)節(jié)型純抽水蓄能電站，機組主要參數(shù)見表1。電站主機設(shè)備由東芝水電（杭州）有限公司供貨，東芝水電推薦采用奧清津第2水泵水輪機轉(zhuǎn)輪和神流川電站類似的最新技術(shù)的長短葉片轉(zhuǎn)輪，我們經(jīng)過比較、論證決定采用水力性能、振動特性都很優(yōu)秀的圓周方向設(shè)置5張長葉片加5張短葉片的長短葉片轉(zhuǎn)輪。本文結(jié)合清蓄1號機組調(diào)試，分析、總結(jié)長短葉片轉(zhuǎn)輪的特點及其應(yīng)用情況。

表1 清遠抽水蓄能電站機組參數(shù)表

2 長短葉片轉(zhuǎn)輪的發(fā)展應(yīng)用

（1）云南省羅平縣魯布革水電站的水輪機采用挪威K.B公司設(shè)計制造的長短葉片轉(zhuǎn)輪，這在國內(nèi)是第一次。電站設(shè)計水頭312 m，額定出力153 MW，額定流量53.5 m3/s，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑3.442 m。自1988年第一臺機組投運以來，最高效率達94.6%，證明了長短葉片轉(zhuǎn)輪具有高效率、耐磨蝕的優(yōu)良性能。

（2）萬家寨引黃工程的離心水泵采用長短葉片組合的葉輪，在水流含沙量多年平均達0.94 kg/m3的運行條件下，滿足了水泵高揚程、大流量、高效率、抗汽蝕、耐磨蝕的要求。

（3）繼魯布革電站之后國內(nèi)常規(guī)水電站采用長短葉片轉(zhuǎn)輪的還有石板水電站、大盈江電站（東芝水電設(shè)計制造的Φ4 000 mm、15+15長短葉片轉(zhuǎn)輪）和福建周寧水電站（帶傾角的X形長短葉片轉(zhuǎn)輪），這些電站發(fā)電運行以來都表現(xiàn)出了較好的運行穩(wěn)定性和抗磨蝕性能。

（4）日本安云抽水蓄能電站是世界上首次在高比轉(zhuǎn)速水泵水輪機中應(yīng)用長短葉轉(zhuǎn)輪，水輪機效率在整個運行范圍內(nèi)得到明顯改善，優(yōu)于同類常規(guī)機組約1%～2%，尤其是100%負荷時效率會提高5%；泵工況效率提高值雖然不是很穩(wěn)定，但至少也在5%之上。而且，長短葉片轉(zhuǎn)輪具有很好的抗氣蝕性能，機組在30%出力時仍能穩(wěn)定運行。

（5）神流川電站則是在凈水頭653 m、額定出力482 MW的低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機采用5+5長短葉片轉(zhuǎn)輪，同時較之常規(guī)七葉片轉(zhuǎn)輪，長短葉片轉(zhuǎn)輪進口高度擴大了1.6%，而葉片入口直徑減少了3%。明顯改善流道的水力性能，具有更優(yōu)效率和更低的水壓脈動，水輪機工況最低凈水頭、30%輸出功率仍可穩(wěn)定運行，在整個運行范圍內(nèi)泵工況效率和運行也都有相當大的改善。

第一臺機2005年12月投入商業(yè)運行至今，已完成總裝機2，820 MW（470 MW×6），成為世界最大的抽水蓄能電站，獲得在福岡舉行第七屆AICFM的水泵水輪機模型發(fā)展獎項。

3 長短葉片轉(zhuǎn)輪設(shè)計理念與功能

（1）對于在含沙水流中運行的水力機械 （水輪機、水泵水輪機），在不影響水力效率的前提下，增強葉輪的抗汽蝕、耐磨損性能，達到經(jīng)濟、耐用、安全的運行指標。

1）采用長短葉片組合提高葉片出口部位的導(dǎo)流性能，可以改善流態(tài)，避免（或減少）脫流現(xiàn)象，防止渦流的產(chǎn)生，改善汽蝕磨損的性能，尤其在部分負荷和超負荷運行情況下的抗泥沙磨損性能。

2）增加的短葉片使得泵工況出口部位的節(jié)距減小一半，加大葉柵稠密度，提高葉片對水流的導(dǎo)流（約束）能力，避免了出口液流偏離葉片的現(xiàn)象。同時，葉片出口部位單位面積上的負載大為減小。

3）良好的抗空蝕能力。混流式水輪機高速水流會產(chǎn)生低壓區(qū)，容易導(dǎo)致空蝕和二次回流，造成下環(huán)進口后面區(qū)域處尤易產(chǎn)生空蝕磨損、低效率和水力不穩(wěn)定等一系列問題，而長短葉片、上冠處相對較小的出口直徑及轉(zhuǎn)輪下環(huán)側(cè)葉片較短等使葉片正、背面壓力差較小，從而有效避免下環(huán)至轉(zhuǎn)輪體之間不均衡流態(tài)和低壓區(qū)或轉(zhuǎn)輪空蝕等問題。長短葉片轉(zhuǎn)輪在設(shè)計工況范圍內(nèi)空蝕狀況良好，在大片區(qū)域內(nèi)空蝕安全裕度大，僅在空載、最大水頭最小流量、最小水頭最大流量等極端不利運行工況下有一定程度的空腔空蝕和翼型空蝕。

（2）效率高

1）對于高水頭的混流式水輪機，在進口處相對的流速一般在10 m/s左右，而出口處的相對流速一般則在40 m/s左右，因為水力的摩擦損失大體上和水流速度的2次方成正比，故在轉(zhuǎn)輪中水力的摩擦損失絕大多數(shù)出現(xiàn)在葉片的出水邊附近，而長短葉片轉(zhuǎn)輪的這個區(qū)域只有長葉的葉片面積是減小了的。所以，水力損失并沒有增加，水輪機效率的負面影響也沒有增大。

2）根據(jù)流線-流面優(yōu)化導(dǎo)流性能的要求布置短葉片的位置（并非一定在兩個長葉片的中間位置），使得轉(zhuǎn)輪出口流速正背面分布均勻，繞流葉片后匯合的水流更平穩(wěn)、順暢，轉(zhuǎn)輪整體流態(tài)改善，尤其是出口處圓周速度的降低使轉(zhuǎn)輪壓力脈動性能改善。

3）長短葉片轉(zhuǎn)輪通過帶傾角的出口形狀和上冠處相對較小出口直徑（由于在泵工況下，葉片出口滑移減小了，與水頭-流量特性相適應(yīng)的葉片直徑或者說葉片出口角可以設(shè)計得小一點），減小了尾水管壓力脈動和葉片間渦流，增大了穩(wěn)定運行范圍和高效率區(qū)。

4 清蓄1號機長短葉片轉(zhuǎn)輪的驗證

4.1 長短葉片轉(zhuǎn)輪試驗

（1）模型試驗

1）固定雷諾數(shù)ReM下水泵加權(quán)平均效率ηhMP= 91.63%＞91.59%（合同保證值，下同），水輪機效率ηhMT=91.74%＞91.7%。

2）正常運行范圍轉(zhuǎn)輪與活動導(dǎo)葉間的壓力脈動模型試驗結(jié)果（最大值）3.5%＜保證值5%；正常運行范圍轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間壓力腔的壓力脈動模型試驗結(jié)果（最大值）4.8%＜保證值5%；正常運行范圍尾水管壓力脈動模型試驗結(jié)果（最大值）1.2%＜保證值2%。

3）水輪機工況電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.47～2.65，有較大的裕度；水泵工況電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比為1.36～2.25，同樣有較大的裕度，也就是說原型機運行范圍內(nèi)不發(fā)生空化。

4）二次流初生限制線至49.0 Hz下最大總揚程的余量4.2%＞合同要求4%。

5）正常運行，無葉區(qū)脈動即導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間水壓脈動值（ΔH/H%，ΔH為雙振幅）4.1%＜保證值5%，尾水管壓力脈動1.4%＜保證值2%。

（2）真機試驗

1）空載試驗：上庫水位約591.43 m，比上庫正常蓄水位612.50m低21.07m，僅比上庫死水位587.00m高4.43m；下庫水位129.24m，水頭約462.19 m。即在水頭約462.19 m左右空載持續(xù)運行，轉(zhuǎn)速基本無波動，擺度幅值僅約0.1 Hz，并均能順利通過自動并網(wǎng)試驗。如圖1所示，機組自動開機超調(diào)量0.17 Hz，啟動時間19.8 s，驗證了全特性曲線所標示的“無S特性，任何水頭均可正常并網(wǎng)”的預(yù)期。

圖1 空載啟動

如表2所示的機組空轉(zhuǎn)工況上、下機架振動及上、下導(dǎo)軸擺均較小，只是受空轉(zhuǎn)工況流場不太穩(wěn)定的影響，頂蓋振動和水導(dǎo)擺度略大（但仍在可以運行范疇）。其余振動值全部落入A區(qū)（優(yōu)良運行區(qū)），優(yōu)于國內(nèi)抽水蓄能機組的平均先進水平。

表2 空轉(zhuǎn)振擺

（3）120%電氣過速試驗

在水頭為463 m時，機組在手動模式下進行了120%電氣過速試驗（接力器行程為65%），最高轉(zhuǎn)速升至123%，如圖2所示。從現(xiàn)場曲線和解析波形分析，壓力和轉(zhuǎn)速上升幅值正常，也沒有所謂的“S”特性出現(xiàn)。

圖2 120%過速試驗

（4）負荷試驗

機組先后進行了甩80 MW、160 MW、240 MW和305 MW、317 MW發(fā)電負荷試驗，甩后數(shù)據(jù)見表3及圖3。從幾次甩負荷結(jié)果來看，轉(zhuǎn)速上升值均比廠家調(diào)保計算低約4%，蝸殼最大水壓上升幅值也低約10%，而尾水管最小壓力則高12%左右，均能較好的滿足控制值要求，也為后續(xù)順利進行雙機或多機甩負荷試驗提供了判據(jù)。所有這些是長短葉片轉(zhuǎn)輪有利于機組穩(wěn)定性能的強勢證明。

表3 甩負荷數(shù)據(jù)

圖3 甩負荷波形圖

（5）負載試驗

水輪機工況25%、37.5%和50%負載運行測錄的機組振擺如表4所示，可以看出，25%負載時僅水導(dǎo)和頂蓋的通頻稍大，其他振擺都還正常；37.5%和50%負載時機組則完全納入可以長期安全穩(wěn)定運行的允許范圍。

表4 負載運行振擺

4.2 試驗結(jié)論

1號機水泵工況在高低揚程均進行了較長時間運行，表5為水泵工況熱穩(wěn)定性試驗期間的測錄，整個大軸擺度的絕對值均比較?。ň跇藴士刹皇芟拗七\行的A區(qū)），水導(dǎo)擺度甚至比上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度幅值還要??；上、下機架振動和頂蓋振動均處在標準A區(qū)。

這無疑是長短葉片轉(zhuǎn)輪對機組水泵工況全揚程高效穩(wěn)定運行的有力佐證。

表5 水泵工況熱穩(wěn)定性振擺

5 結(jié)語

清蓄首臺機組的順利調(diào)試，為后續(xù)機組順利調(diào)試及多機甩負荷提供了數(shù)據(jù)參考，同時長短葉片首次在國內(nèi)大型抽水蓄能電站成功應(yīng)用，將對我國蓄能電站事業(yè)產(chǎn)生積極影響，主要取得以下幾點應(yīng)用成果：

（1）很好地解決了水輪機工況部分負荷下運行范圍由于進口處空蝕而受限的難題。

一般高水頭水泵水輪機由于其高流速和高強度空化，即使是輕微的初生空化都會導(dǎo)致嚴重的損壞，往往把避免進口空化的形成作為水輪機運行范圍的限制條件。清蓄長短葉片轉(zhuǎn)輪由于葉片總面積隨葉片數(shù)量同步增加，其單位面積所承受的荷載相應(yīng)減小，最終效果是葉片正壓面和負壓面壓力差降低，從而有效的改善轉(zhuǎn)輪抗空蝕的性能。葉片直徑和葉片角度的減小使水輪機工況下相對流速的葉片入流角變化減少，從而使轉(zhuǎn)輪進口的空化特性得到提高，也減小整個出力范圍的軸振動。其運行試驗表明其能在30%～40%負荷范圍內(nèi)穩(wěn)定、可靠長時間運行，足以證明在相當寬的運行范圍內(nèi)具有進口處空化較少、效率更高、壓力脈動更小的特點，較好的解決了低比轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組一般都存在部分負荷運行區(qū)域運行不穩(wěn)定的問題。

（2）清蓄機組雖然還沒有進行相關(guān)的性能試驗，但從模型試驗的資料，以及機組在空載、過速和甩負荷試驗的測錄數(shù)據(jù)可以認為，清蓄長短葉片轉(zhuǎn)輪的采用有效解決了低比轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組低效率的難題。

1）長短葉片轉(zhuǎn)輪直徑的減?。òㄞD(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)）使得整機尺寸減小、圓盤損失減少，同時泵工況轉(zhuǎn)輪出口部位葉柵稠密度增大，流道具備良好、通暢的導(dǎo)流性能。

2）長短葉片轉(zhuǎn)輪能夠優(yōu)化葉輪入口的旋轉(zhuǎn)速度，尤其是在偏離設(shè)計工況（如部分負荷運行區(qū)域）時，減小葉輪沖角，減緩由葉輪內(nèi)二次流、水流的分離和分層效應(yīng)相互影響、激發(fā)形成的尾流與射流區(qū)間的速度梯度，在一定流量范圍區(qū)域降低回流出現(xiàn)的臨界速度，從而延緩回流的產(chǎn)生。尤其是對旋轉(zhuǎn)線速度、葉片曲率大的低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機，能有效避免由于回流和脫流擠壓主流（射流）空間導(dǎo)致能量損失急劇上升以及隨生壓力脈動所產(chǎn)生機械振動和噪聲。如前所述，水輪機運行高效率區(qū)加寬、延伸到了30%～40%負荷區(qū)段，從整體上較大提高水輪機效率是不言而喻的。

（3）一般高水頭可逆式機組在水泵工況時流量隨揚程的變化會比較大，清蓄機組水泵工況高、低揚程穩(wěn)定熱運行的試驗數(shù)據(jù)表明：

1）由于長短葉片轉(zhuǎn)輪（與同等的七葉片轉(zhuǎn)輪相比較）增加了總?cè)~片數(shù)，使得每個葉片的負荷有所降低，減小了負荷運行時的壓力脈動，也減少了尾水管的壓力脈動，機組可運行范圍都會有所加寬，尤其水泵工況更加顯著。

2）由于葉片角度的減小使泵水頭隨流量的變化變小，從而使一定水頭范圍內(nèi)的入流角的變化減少，這就導(dǎo)致空化特性的提高。

因此，水泵流量隨揚程的變化較小，使得運行于高揚程時得到更大的泵流量，減少水泵運行所需的總時間。這就意味著，清蓄采用長短葉片轉(zhuǎn)輪有效解決了運行中的揚程變化范圍受限的難題。

［1］梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］楊中興，覃大清，楊 玚.我國抽水蓄能機組技術(shù)國產(chǎn)化歷程與思考［J］.調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)，2013.

［3］NalamnmT，高轉(zhuǎn)速高水頭可逆式水泵水輪機研究［C］//18th IAHR Symposium，1996.

TK730.2

B

1672-5387（2016）10-0005-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.002

2016-06-14

陳泓宇（1975-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行檢修和基建工作。