大型抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)國產(chǎn)化的經(jīng)驗(yàn)

王磊

摘要：抽水蓄能電站與普通的電站相比運(yùn)作程序更加復(fù)雜、工作條件也更加嚴(yán)苛，其通常需要進(jìn)行兩種運(yùn)行工況的切換：一種是水輪機(jī)運(yùn)行工況，即發(fā)電。另一種是水泵運(yùn)行工況，即抽水蓄能。通常，重型旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行方向的不斷變換以及可逆轉(zhuǎn)的機(jī)組變化存在一定難度，在制造上也具有相當(dāng)苛刻的要求。近年來，我國加強(qiáng)了對(duì)水泵水輪機(jī)的研制和開發(fā)，然而在制造上仍舊存在一定的困難。本文就大型抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)國產(chǎn)化的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)和分析。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；電站；水泵水輪機(jī)；國產(chǎn)化

早期，我國無法進(jìn)行大型抽水蓄能發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)和制造。直到近幾年國內(nèi)公司與國外制造廠商進(jìn)行合作，才成功完成一些發(fā)電機(jī)組的制造和生產(chǎn)。如青松、白龍等電站，這些電站掌握了相應(yīng)的制造技術(shù)，并且將其更進(jìn)一步的發(fā)展。水泵水輪的國產(chǎn)化是蓄水發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的關(guān)鍵，其能夠大力推進(jìn)發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化生產(chǎn)。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)水泵水輪生產(chǎn)技術(shù)的研究是必不可少的。通過對(duì)國外技術(shù)的引進(jìn)和借鑒，進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展，逐步取得成功。本文對(duì)國內(nèi)的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)和分析。

1 開發(fā)過程中存在的問題

首先，在開發(fā)水利性能的過程中，開發(fā)人員不僅要考慮水輪機(jī)的運(yùn)行工況是否與水泵的運(yùn)行工況相匹配，還要考慮兩者都具備良好的性能，從而確保設(shè)備的合理運(yùn)作。這是開發(fā)過程中一個(gè)難以解決的問題。其次，電站對(duì)備用庫容發(fā)電的能力有一定的要求，所以水頭的變化幅度必須在一定程度上進(jìn)行加大。通常，國產(chǎn)機(jī)組的毛揚(yáng)程最大和最小之比約為1.2546，較之法國要高出很多，這就導(dǎo)致水泵水輪機(jī)的空化指標(biāo)、能量等水平和質(zhì)量方面都受到了影響，進(jìn)而增加開發(fā)難度。

2 技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新

我國在該項(xiàng)技術(shù)研究與開發(fā)的過程中，完成了參數(shù)的論證與選擇、部件的優(yōu)化、模型的裝置等多方面的技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新。A971水泵水輪機(jī)參與了研究與開發(fā)，并且取得了相應(yīng)的成果。優(yōu)化結(jié)果顯示：與A971相比，A999的綜合性能更佳優(yōu)良，因此決定將其作為模型進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的驗(yàn)收。整個(gè)優(yōu)化過程之中，我國采用了兩種優(yōu)化與創(chuàng)新的手段，分別是：兩種運(yùn)行工況之間相互匹配、改善運(yùn)行的穩(wěn)定性。在創(chuàng)新與優(yōu)化的過程中，我國研究人員對(duì)它的參數(shù)優(yōu)化方向進(jìn)行了創(chuàng)新性的選擇，不僅確保了水輪機(jī)和水泵兩者的運(yùn)行工況，還滿足了兩者在完成目標(biāo)運(yùn)行的前提下，利用水輪機(jī)運(yùn)行結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行校對(duì)；為了更進(jìn)一步研究水泵在運(yùn)行的過程中轉(zhuǎn)輪出水邊處所形成的葉片幾何形狀，對(duì)沒有葉片的區(qū)域，也就是葉片之間存在空隙的區(qū)域的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與探究，了解了幾何形狀對(duì)穩(wěn)定性的影響，并且改變了葉片出水邊和導(dǎo)葉近水邊的原有的平行狀態(tài)，使兩者之間的空間出現(xiàn)交錯(cuò)的現(xiàn)象。

3 各項(xiàng)性能指標(biāo)

3.1 水泵工況情況之下

在機(jī)械最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)之下，其模型值為91.29%，原型值為93.31%；在加權(quán)平均效率的情況下，其模型值為91_10%，原型值為93.14%；其臨界空化系數(shù)σ-0.2=0.225；壓力脈動(dòng)值的最大數(shù)值為23.5%。

3.2 水輪機(jī)工況情況之下

機(jī)械的最高工作效率的模型值為91.83%，原型值為94.16%；在加權(quán)平均效率的情況下，其模型值為88.94%，原型值為91_21%；其臨界空化系數(shù)σ-0.2 0.134；壓力脈動(dòng)值的最大數(shù)值為6.43%。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)收，我們可以得出結(jié)論：不論是在水泵的運(yùn)行工況之下，還是在水輪機(jī)的運(yùn)行工況之下，國內(nèi)開發(fā)的轉(zhuǎn)輪的能量指標(biāo)、壓力脈動(dòng)性能等數(shù)值指標(biāo)都十分良好，且其他特性也滿足開發(fā)需求。

4 壓力脈動(dòng)水平

4.1 水泵工況

通常，我們要將測點(diǎn)的位置固定在蝸殼進(jìn)口、椎管上游/下游、肘管內(nèi)側(cè)/外側(cè)等位置。通過測量我們可以得知：在導(dǎo)葉的后方和渦輪前方的壓力脈動(dòng)值，不論在國外還是國內(nèi)都是最大值。然而，國內(nèi)的數(shù)值為3.5%，與國外相比相對(duì)優(yōu)化。

4.2 正常運(yùn)行的水輪機(jī)工況

測點(diǎn)放置在頂蓋與轉(zhuǎn)輪兩者之間、椎管上游/下游、肘管內(nèi)側(cè)/外側(cè)等位置。通過測量可以得知：壓力脈動(dòng)幅值出現(xiàn)最大數(shù)值的位置在椎管的上游，國內(nèi)的數(shù)值為6.43%，國外的數(shù)值為5.7%，可見國內(nèi)外的差距并不大。

4.3 空載的水輪機(jī)工況

通過測量可以得知：如果水輪機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)行，那么導(dǎo)葉后部和轉(zhuǎn)輪前方的部分會(huì)出現(xiàn)數(shù)值最大化的壓力脈動(dòng)幅值。進(jìn)行國內(nèi)外測試結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的技術(shù)水平旗鼓相當(dāng)。

4.4 結(jié)果對(duì)比

通過結(jié)果的對(duì)比，我們可以得知：國內(nèi)生產(chǎn)的水泵水輪機(jī)與國外生產(chǎn)的水泵水輪機(jī)相比，如果在水泵的工況運(yùn)行區(qū)域，那么壓力脈動(dòng)幅值要小于國外設(shè)備；如果在水輪機(jī)的工況運(yùn)行區(qū)域之內(nèi)，那么國內(nèi)外的水平相似，沒有較大的差異。

5 結(jié)語

綜上所述，水泵水輪機(jī)的國產(chǎn)化已經(jīng)能夠有效填補(bǔ)國內(nèi)的技術(shù)空白，并且與全世界的技術(shù)水平同步，能夠在一定程度上取代進(jìn)口設(shè)備。通過自主開發(fā)研制，我國具備了相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在激烈競爭的市場之中占據(jù)了一定的地位。