長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽水蓄能電站中的應用

杜榮幸，王 慶，榎本保之，陳泓宇

［1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式會社東芝，日本橫濱市 230-0045；3.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510630］

長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽水蓄能電站中的應用

杜榮幸1，王 慶1，榎本保之2，陳泓宇3

［1.東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2.株式會社東芝，日本橫濱市 230-0045；3.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510630］

本文對長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽水蓄能電站中的應用進行了總結，全面介紹了長短葉片轉輪水泵水輪機的特點、清遠抽水蓄能電站長短葉片轉輪水泵水輪機的模型開發及試驗、長短葉片轉輪的設計制造以及機組運行調試和投運后的實際運行情況。

水泵水輪機；長短葉片轉輪；模型試驗

0 引言

近年來，為提高抽水蓄能電站水泵水輪機的水力性能，株式會社東芝（以下簡稱東芝公司）開發了一種在轉輪內沿圓周方向交替分布長葉片和短葉片的新型轉輪，簡稱“長短葉片轉輪”并在世界范圍內倍受關注。2003年，由東芝公司研發生產的安云電站（更換轉輪改造）長短葉片轉輪成功投產發電，標志著世界上第一臺長短葉片水泵水輪機誕生。此后，東芝公司又相繼為日本神流川電站和中國廣東清遠抽水蓄能電站開發了長短葉片轉輪水泵水輪機，神流川抽水蓄能電站于2005年12月起投入商業運行，清遠抽水蓄能電站于2015年11月起投產發電。隨著上述電站的成功投運，長短葉片轉輪水泵水輪機優越的水力性能被逐步證實。

1 長短葉片轉輪的特點

長短葉片轉輪在轉輪進水邊的兩個長葉片之間增加了一個短葉片，從而使轉輪進口處的葉柵稠密度倍增，抑制轉輪內部二次流發生，水力穩定性得到顯著提高，無論是流體解析、模型試驗及原型水輪機的實際運行均證明其明顯優于常規葉片轉輪；另外由于葉片數增加，單個葉片的水力載荷減輕，使轉輪的空化性能得到提高，具有如下特點：

（1）高效區寬廣、性能變化平緩、能適應較大的水頭變幅。

（2）水泵及水輪機工況的效率、尤其是部分負荷效率提高。

（3）小流量、部分負荷工況的效率和穩定性得到明顯提高。

（4）轉輪進口脫流和葉道渦現象得到明顯扼制。

（5）壓力脈動降低。

（6）空化性能提高。

（7）轉輪剛性好、強度和可靠性得到提高。

2 清遠抽蓄水泵水輪機主要參數

清遠抽水蓄能電站是由中國南方電網有限責任公司全資建設的大型抽水蓄能電站，位于廣東省清遠市，安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組，單機容量（發電工況）320MW，總裝機容量1280MW，由東芝水電設備（杭州）有限公司中標承制，在水泵水輪機的選型中采用東芝新型長短葉片轉輪。清遠抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數如下：

3 模型開發及試驗

3.1 基于CFD的水力設計及優化

長短葉片轉輪模型水輪機由東芝公司開發，基于東芝公司類似業績及豐富的水力設計經驗，流道中的每個部件，如蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪、尾水管等均通過計算流體力學（CFD解析）進行優化。

首先對蝸殼尺寸進行優化，使從流道進口到流道末端的平均流速保持圓周恒定，固定導葉進口的流動角度盡可能的保持一致，蝸殼截面數量與固定導葉個數相等。為避免轉輪葉片和活動導葉的耦合共振，考慮到轉輪葉片總數為10情況下可能產生的轉輪振動模態，活動導葉和固定導葉的數量均確定為16個。水輪機額定工況點及水泵最小揚程附近的解析結果請見圖1。

圖1 固定導葉和活動導葉解析結果Fig.1 The analysis results of stay vane and guide vane

清遠長短葉片轉輪設計為5只長葉片和5葉短葉片，為發揮最優性能，對長葉片和短葉片的翼型分別進行CFD優化設計，使水泵的揚程-流量特性曲線的傾斜程度可以滿足最高揚程下的最大揚水量和最小揚程下的最大輸入功率的要求。對相鄰長葉片的出水邊開口進行優化，以達到在水輪機工況時轉輪水流出口徑向方向的流速均勻分布，使水力損失和尾水管壓力脈動減少。尾水錐管的優化設計可以消除偏流現象和水泵工況中轉輪進口的紊流現象，尾水肘管則設計成在調相運行時可減少向下池泄漏壓縮空氣量的形狀。

利用東芝公司的最新CFD解析技術可以將靜止部件和旋轉部件整體作為計算模型進行處理，由此可以研究靜止部件與旋轉部件的設計匹配問題，從而使得解析結果更加準確。

3.2 模型驗收試驗

模型驗收試驗于2011年5月30日至7月1日在作為第三方中立試驗臺的瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）水力機械實驗室PF-3試驗臺進行，南方電網調峰調頻發電公司、廣東省水利電力勘測設計研究院、中國水利水電科學院北京中水科工程總公司、株式會社東芝、東芝水電設備（杭州）有限公司等有關各方的代表和專家參與了驗收試驗。

瑞士洛桑聯邦理工學院水力試驗室是國際上著名的中立水力試驗室，試驗臺主要參數及試驗條件如下：

模型水泵水輪機裝配照片見圖2。

圖2 模型水泵水輪機裝配Fig.2 The assemble of model pump turbine

依據合同要求以及IEC 60193（1999）規程，模型驗收試驗項目包含：測量儀器的率定、水輪機效率試驗、水輪機輸出功率試驗、水輪機空化試驗、水輪機壓力脈動試驗、水輪機飛逸轉速試驗、蝸殼壓差、尾水管壓差試驗、水泵效率試驗、水泵輸入功率和流量試驗、水泵二次回流試驗、水泵空化試驗、水泵壓力脈動試驗、水泵零流量試驗、四象限特性試驗、水推力試驗、導葉水力矩試驗、頂蓋壓力試驗、水泵水輪機模型尺寸檢查等。

（1）效率試驗。

水輪機工況效率試驗主要包括最高效率、加權平均效率、額定工況點效率及12個導葉開度條件下的完整效率試驗。水泵工況包括加權平均效率、最高效率、最低揚程工況點效率及22個導葉開度的完整效率試驗。模型到原型的效率修正采用IEC 60193（1999）規定的兩步修正法。驗收試驗結果與初步試驗結果基本一致，全部滿足合同保證值。

（2）水輪機輸出功率試驗。

驗收試驗驗證了在470m水頭下，水輪機額定功率滿足保證值326.5MW；在導葉機械最大開度下，水輪機的最大功率可達到336.3MW。

（3）水泵輸入功率和流量試驗。

水泵最低揚程（Hst=449.3m）在頻率50.5Hz時，正常換算情況下的原型水泵最大輸入功率為325.5MW，滿足合同保證值331MW的要求。水泵最低揚程在頻率50Hz時，無論是正常換算還是在不考慮效率修正值的情況下原型水泵的最大輸入功率均不大于331MW。根據模型試驗結果換算的水泵最高揚程在頻率50Hz時的最小流量為53.5m3/s，滿足合同保證值51.76m3/s的要求。

（4）壓力脈動試驗。

壓力脈動值是衡量水泵水輪機水力穩定性的最關鍵指標，脈動越小意味著的水力穩定越優秀。水輪機工況壓力脈動試驗在電站空化系數條件下進行，包括尾水管脈動試驗、無葉區脈動試驗以及轉輪與頂蓋間的壓力脈動試驗。試驗結果表明，在最大水頭和額定水頭的正常運行范圍內，各區域的壓力脈動值均小于保證值。額定水頭條件下100%功率及50%功率時的渦帶情況請見圖3。

圖3 水輪機工況額定水頭、裝置空化系數時的渦帶情況Fig.3 The vortex under turbine rated head and plant σ condition

水泵工況壓力脈動試驗也在電站空化系數下條件下進行，分別測量了尾水管、無葉區、轉輪與頂蓋間的壓力脈動，試驗結果表明，在最高揚程和最低揚程的全部運行范圍內，壓力脈動值均小于合同保證值。此外還對零流量運行工況2個導葉開度下的壓力脈動進行了測量，同樣小于合同保證值。

（5）空化試驗。

為驗證水泵水輪機的空化性能，在水輪機工況對最大水頭、額定水頭和最小水頭進行空化試驗。試驗結果表明在全部正常運行范圍內，電站空化系數與初生空化系數的比值為1.47～2.65，有較大的裕度。

水泵水輪機的最不利空化條件通常發生在水泵工況，因此對水泵工況最高揚程（49Hz、49.8Hz、50Hz）、最小揚程（50Hz、50.5Hz、51Hz）以及最高揚程和最低揚程之間的2個揚程條進行了水泵空化試驗。試驗結果表明，在全部正常運行范圍內電站空化系數與初生空化系數之比為1.36～2.25，同樣具有較大的安全裕度，可以確保水泵工況下的無空化運行。

（6）水泵二次回流試驗。

最高揚程（49.8Hz）與水泵二次回流區的起始點的揚程之間的安全裕量為6.2%，優于合同保證值的要求。

（7）完全特性試驗。

水泵水輪機要經常進行各種工況轉換，因此需對模型的完全（四象限）特性進行掌握。完全特性試驗分別在7個導葉開度下進行。水輪機制動工況再增加4個導葉開度條件的試驗。試驗結果表明水輪機正常運行水頭范圍和頻率變化范圍內,最低水頭起動時遠離不穩定的S特性區，不會發生水輪機低水頭無法正常起動的現象（見圖4）。

4 長短葉片轉輪的設計制造

作為水泵水輪機的心臟部件,轉輪的設計制造質量對電站今后是否能夠安全穩定運行至關重要。基于長期的研究和大量的經驗業績，東芝對于高水頭水泵水輪機轉輪質量控制和防止裂紋產生有著一套成熟的設計制造體系。

圖4 四象限特性曲線中的S區域Fig.4 S region in four frequency characteristic curve

高水頭水泵水輪機轉輪的通常為進水邊尺寸較大而出水邊尺寸較小的扁平形狀，長短葉片轉輪的短葉片長度通常為長葉片的2/3左右，設于轉輪進水邊側，在尺寸較小的轉輪出水邊只有長葉片，因此在轉輪性能得到提高的情況下，又有足夠的操作空間以確保焊接加工質量。另外由于總體葉片數增加，使得在高水頭條件下工作的轉輪剛強度和可靠性得到提高。

清遠抽水蓄能電站長短葉片轉輪為單級混流可逆式，由上冠、下環、泄水錐、5只長葉片和5只短葉片組焊而成，材料選用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的低碳優質不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo，葉片采用VOD精煉鑄造技術，轉輪外徑4.236m，重約35噸。轉輪與主軸采用螺栓連接，鍵傳遞扭矩。泄水錐與上冠焊接為一體，轉輪上冠上部設有與水輪機軸螺栓連接用的法蘭，止漏環與上冠、下環一同整體鑄造。轉輪過流型線采用數控加工，保證與經過模型驗收試驗的模型轉輪幾何相似。

高水頭水泵水輪機轉輪產生裂紋的成因復雜，其中最重要的一個因素是由于轉輪葉片與導葉之間的動靜干涉引起的交變動應力誘發共振，轉輪在旋轉時，當葉片靠近導葉時周邊應力增加，遠離導葉時周邊應力減小，如果這個動態壓力的頻率值與轉輪的固有頻率一致或接近，將引起動應力峰值突現，轉輪產生共振。高水頭電站往往轉速比較高，高頻次的交變應力頻繁作用于轉輪上，長期運行易導致轉輪疲勞損壞、葉片裂紋產生。在20世紀80年代中期，東芝公司設計制造的當時世界上最高揚程水泵水輪機、500m等級的日本的奧吉野電站由于上述原因產生轉輪裂紋。

轉輪的固有頻率受到周圍水流及靜止部件的雙重影響，為研究這種復雜的效應，取得轉輪在水中工作時固有頻率的精確值，東芝領先于世界、歷時多年開展了轉輪動應力研究，建立了真實水頭模型試驗臺并針對包括長短葉片轉輪在內的各種水泵水輪機進行了大量的試驗研究，世界范圍內率先發現了轉輪和導葉間的動靜耦合振動模態，確立了防止高水頭水泵水輪機轉輪異常振動的措施，并形成了一套成熟的針對包括普通轉輪和長短葉片轉輪在內的優化設計體系，采用優化后的活動導葉、轉輪葉片數量匹配關系及轉輪設計形狀可以將轉輪動應力值控制在最小范圍內。此后東芝公司設計生產的水泵水輪機迄今為止未發生過一次轉輪裂紋事故，堪稱國內外水電制造行業內的一大奇跡。

決定轉輪質量另一個重要因素是焊接加工，清遠電站長短葉片轉輪軸向空間狹窄、葉片流道長的特點決定了其焊接難度較大。在轉輪焊接之前制作了1∶1大小的1/4模型進行研究，確定采取下環+葉片裝焊后再吊裝上冠的焊接方式。焊接過程中使用3D測量儀對葉型進行實時跟蹤測量并及時調整糾錯，利用磁性加熱片對轉輪本體持續保溫以避免冷裂紋的產生，焊后用退火爐按設定溫控流程進行熱處理以消除應力，并對轉輪焊縫進行了X射線殘余應力測試，清遠轉輪熱處理后的殘余值低于100MPa，遠小于設計要求的150MPa。然后進行拋光打磨和數控加工，其間經歷多道嚴格的UT、MT、PT探傷和檢查工序，確保轉輪無缺陷。最后采用高精度的精密靜壓軸承支撐方式進行靜平衡配重，清遠轉輪靜平衡等級按ISO 1940-1（2003）G 2.5級執行，遠高于較之按常規執行的G6.3級提高了一個大擋次，清遠1號機最終的盤車擺度在0.011～0.015mm/m，遠小于規范允許值0.02mm/m。

5 投入運行

清遠抽水蓄能電站1號機組于2015年11月30日圓滿完成15天考核試運行，順利投入商業運行，機組參數指標全部滿足及優于合同和相關規程規范要求，主要部件的溫升、振動、擺度等指標均處于優良范圍。2號機于2015年12月29日并網成功，目前已順利完成包括1、2號機雙機甩負荷試驗在內的全部有水調試及涉網試驗，2016年2月23日投入為期15天的考核試運行，并于3月15日成功投入商業運行。

長短葉片轉輪水泵水輪機優越的水力性能在清遠抽蓄已投產的1、2號機中得到充分體現。作為評價機組水力穩定性的核心指標諸如振動擺度參數，1號機運行中設備振動0.17～0.47mm/s，遠低于規范允許值1.6mm/s，而2號機的核心性能指標甚至略優于1號機。在2號機組發電工況帶負荷熱穩定性試驗過程中，為驗證機組穩定性，一位資深專家在發電機機罩上豎直放了一枚硬幣試驗3min，居然做到紋絲不動，這樣優異的振動性能是極為罕見的。

長短葉片轉輪的優越的同時體現為穩定運行范圍得到拓寬。根據合同及相關規范要求，清蓄水輪機工況運行的功率下限為50%，1號機交付業主后，經試驗確認機組在40%的部分負荷區域運行穩定且各項穩定性指標良好，2號機的運行過程中也進行了相應測試，確認了40%負荷區域同樣可以穩定運行，明顯優于常規葉片水泵水輪機。

水泵水輪機的S特性是困擾國內諸多抽水蓄能電站的一大難題，由于S形不穩定區域進入電站最低水頭運行范圍，造成水輪機工況低水頭啟動并網困難，許多電站不得不采用諸如不同步導葉等特殊控制方式。東芝水泵水輪機技術一貫特點是S區域不明顯且遠離正常運行范圍，東芝設計制造的水泵水輪機迄今為止未發生過一起因S區域造成的低水頭啟動不穩定的不良運行案例，清遠電站1、2號機低水頭并網試驗全部為一次性成功，做到成功率100%，根據試驗結果，從導葉開啟到無負荷開度的過程，從現場曲線波形來看，水壓的變動和轉速上升都是以平緩、安定的狀態運行的，未出現所謂的S字特性干擾。

在1、2號機有水動態調試試驗階段，進行了大量的工況轉換試驗，均取得一次性成功。其中1號機組在15天考核試運行期間，經歷機組發電工況啟停25次，抽水工況啟停14次，機組啟停成功率100%，考核試運行一次通過。2號機組于2015年12月開始有水動態調試，于2016年1月23日全部完成了與1號機組同樣的有水調試試驗及涉網試驗，歷時33天，比1號機的調試時間大幅縮短。2016年2月16日開始了1、2號機開始了雙機有水試驗，包括同期啟動試驗，雙機甩負荷/水泵抽水斷電試驗，于2月19日全部順利完成，試驗過程安全正常，各項檢測數據全部滿足要求。

6 結束語

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機在洛桑中立試驗臺順利通過模型驗收試驗，以及1、2號機組順利投入商業運行，各項試驗及測試結果均證明機組各項性能性能指標滿足要求、穩定性優越。上述均表明長短葉片轉輪水泵水輪機在我國大型抽水蓄能電站中的首次應用是成功的，這將在我國的抽水蓄能事業發展史上產生里程碑式的意義，并預示著長短葉片轉輪水泵水輪機的良好發展前景。

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杜榮幸（1977—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪機和水泵水輪機水力設計等。E-mail:du.rongxing@toshiba-thpc.com

王 慶（1983—），女，工程師，主要研究方向：水輪機和水泵水輪機水力設計等。E-mail:wang.qing@toshibathpc.com

榎本保之（1975—），男，主要研究方向：模型試驗，流體解析，水輪機、水泵水輪機性能開發等。

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。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 學科代碼：570.30

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