抽水蓄能機組空載穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

常玉紅，桂中華，盧偉甫，范龍楠

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；3.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

抽水蓄能機組空載穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

常玉紅1，桂中華2，盧偉甫2，范龍楠3

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；3.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

水泵水輪機的空載不穩(wěn)定使得機組并網困難，嚴重的還會導致機組部件的損壞、機組運行中斷，影響到電廠和電網的生產和運行安全，水泵水輪機空載穩(wěn)定性問題已成為當前需要解決的關鍵性問題之一。從數(shù)值模擬和模型試驗兩個方面綜述了改善水泵水輪機空載穩(wěn)定性方面的研究成果。指出應從內流場數(shù)值仿真和PIV內流測量兩個方面，研究水泵水輪機的“S”形特性和空載穩(wěn)定性，分析水泵水輪機“S”形特性、空載穩(wěn)定性與內流渦動力學的關系，為水泵水輪機水力設計提供方向性的指導，改善其空載穩(wěn)定性。

水泵水輪機；空載；“S”形特性

0 引言

抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中擔任調峰、調頻、調相、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(tǒng)的穩(wěn)定運行不可或缺。國內外水泵水輪機組在運行中碰到問題較多，在S特性區(qū)內運行不穩(wěn)定現(xiàn)象特別突出，如我國的天荒坪、寶泉等電站，國外法國蒙特齊克電站、印度比拉電站以及比利時時庫電站都曾出現(xiàn)過空載不穩(wěn)定問題［1］。水泵水輪機的空載不穩(wěn)定會出現(xiàn)在水輪機工況、水輪機制動工況甚至反水泵工況之間來回轉換使得機組并網困難或甩負荷后不能達到空載穩(wěn)定以至跳機，影響機組的啟動，嚴重的還會導致機組部件的損壞、機組運行中斷，影響到電廠和電網的生產和運行安全。目前許多抽水蓄能電站利用在真機上加裝異步導葉裝置來改變不穩(wěn)定的S特性，但這又導致機組的振動增大等新問題的出現(xiàn)。隨著蓄能電站建設的發(fā)展，人們迫切希望不再采用異步導葉來改善空載穩(wěn)定性。水泵水輪機空載穩(wěn)定性問題已成為當前需要解決的關鍵性問題之一［2］，近年來人們針對水泵水輪機空載穩(wěn)定性問題開展了大量的數(shù)值計算和模型測試方面的研究。

1 水泵水輪機空載穩(wěn)定性研究

1.1 水泵水輪機內流場值數(shù)值計算研究進展

從20世紀80年代開始，基于三維CFD的數(shù)值模擬手段就已經應用于水輪機及水泵內部的定常流場分析，其主要是服務于水輪機及水泵的水力設計，CFD計算結果主要用于評價水力設計的水力效率及空化性能［3］。隨著計算流體動力學（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬手段近幾年被廣泛用于水力機械的水力穩(wěn)定性和水力振動分析。特別是在水輪機領域，研究已取得較大進展。清華大學、西安理工大學、昆明理工大學和武漢大學等單位在水輪機尾水管渦帶、間隙流動及流固耦合方面，提供了可供水泵水輪機研究借鑒的方法和思路［4］-［5］。但是水泵水輪機的穩(wěn)定性與普通大型的混流式水輪機穩(wěn)定性有所區(qū)別，對于大型水輪機來說，更為關心的是水輪機在部分負荷工況下的壓力脈動特性及其產生的水力振動問題，而水泵水輪機更為關心的是在工況轉換過程中的水力穩(wěn)定性及水力振動問題，特別是水輪機工況空載不穩(wěn)定，影響了水泵水輪機的啟動成功率，嚴重的不穩(wěn)定還可能造成水泵水輪機部件的損壞。

在水泵水輪機領域，從20世紀80年代開始，就已經有學者將三維CFD的數(shù)值模擬手段應用于水泵水輪機內流場的分析。目前研究較多有不同湍流模型對于水泵水輪機內流場計算的適用性、不同工況下水泵水輪機內流場特性等問題，當前國內的研究主要集中在這方面。對于水泵水輪機內流場測試、機組運行穩(wěn)定性、水力振動等方面，與水泵水輪機技術較為先進的日本和歐洲等國家相比，研究相對較少。對于水泵水輪機內部流動模擬，一般來說可以分成如下兩大類。

第一類是水泵水輪機常規(guī)內流場的數(shù)值模擬。這種工作主要是研究水泵水輪機在不同工況的水力性能，重點在于湍流計算方法。如有部分學者嘗試使用不同的湍流模式對水泵水輪機不同工況進行計算后發(fā)現(xiàn)，在水泵水輪機流場計算中，基于k–ω湍流模型的雷諾時均方法（RANS），不僅具有較高的計算精度，還具有很高的計算效率，因此推薦將該方法用于水泵水輪機非定常流動分析［6］；也有部分學者指出RNGk–ε湍流模型對小流量工況水泵水輪機內部流態(tài)的模擬更準確［7］。另一方面，一部分學者認為，大渦模擬方法（LES）在分析水泵水輪機非定常內部流動時，因其直接求解瞬態(tài)N-S方程，較之RANS方法具有優(yōu)勢。但LES也存在兩個主要問題：一是在求解水泵水輪機這種葉片扭曲度較大的葉輪通道時，因Smagorinsky 亞格子尺度應力（SGS）模型不能充分反映葉片扭曲及旋轉帶來的剪切力各向異性的特性，因此需要發(fā)展高階動態(tài)SGS模型；二是LES在近壁區(qū)要求有非常細密的計算網絡，從而也相應地要求很小的時間積分步長，這樣計算量急劇增大［8］。而在求解非定常內流場時，近壁區(qū)的流動又常是關注的重點，為此，有必要對LES做某種形式上的改進，以使其適用于近壁區(qū)的低雷諾數(shù)流動。實際上，計算流體動力學在不斷發(fā)展，近幾年出現(xiàn)的URANS（Unsteady RANS，非穩(wěn)態(tài)雷諾時均法）為解決這一問題提供了較好的解決方案［9］。URANS改變了雷諾平均等同于時間平均的概念，近幾年在其他流體工程領域得到重視，并開始出現(xiàn)了將LES方法與URANS方法耦合求解核心區(qū)流動和近壁區(qū)流動的新模式，這為獲得高精度的非穩(wěn)定場解析提供了一種新的途徑。

第二類是研究水泵水輪機不同工況下內流場流動特性及穩(wěn)定性問題。2006年Sickm通過利用雷諾應力紊流模型對非穩(wěn)態(tài)水泵水輪機內流場進行了計算，研究下部分負荷條件下，水泵水輪機尾水管的非穩(wěn)定流態(tài)以及對轉輪軸振動特性的影響，并與試驗的數(shù)據進行了對比［10］；2007年日本學者研究了長短葉片形式在水泵水輪機的應用，指出長短葉片形式能夠改善部分負荷運行時的壓力脈動和水輪機進口處的空化特性［11］；2008年武漢大學錢忠東等人利用CFD對非同步導葉下對于水泵水輪機的壓力脈動進行了分析，主要針對非同步導葉對于尾水管、無葉區(qū)以及蝸殼及導水機構中壓力脈動影響進行研究［12］；2011年冉紅娟等人針對可逆式水輪機泵工況下駝峰現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬，研究了低壓邊的流態(tài)、進口漩渦等對于水泵水輪機的駝峰現(xiàn)象的影響［13］。同時還有很多研究機構及學者對“S”形的形成也進行了內流流動的分析，正如部分學者指出，水泵水輪機在制動區(qū)內的不穩(wěn)定流動特性，葉片和活動導葉的進口以及固定導葉和活動導葉之間的回流渦的產生，是水泵水輪機“S”形特性形成的主要原因［14］；同時也有研究人員指出產生于葉片進口的橫向漩渦，即在轉輪進口域附近形成完整的和彎曲的環(huán)狀流動是形成“S”形的原因［15］。同時還有大量的研究者從抽水系統(tǒng)方面，研究了“S”形特性對于機組過渡過程穩(wěn)定性的影響，如清華大學陳乃祥等人針對水泵水輪機轉輪全特性與蓄能電站過渡過程的相關性進行了分析，也指出在設計過程中適當調整導葉相對高度等參數(shù)，改變特性曲線形狀，減緩開度線變化斜率，可優(yōu)化過渡過程［16］；武漢大學楊建東等人也針對水泵水輪機“S”形特性對于抽水蓄能機組過渡過程穩(wěn)定性的影響進行了數(shù)值仿真、模型測試以及現(xiàn)場試驗等工作，如利用優(yōu)化策略等方法改進水泵水輪機過渡過程的穩(wěn)定性問題［17］。

數(shù)值仿真近年來已經成為研究水泵水輪機水力性能、水力穩(wěn)定性等問題的最主要的手段之一，目前的研究還是主要集中利用RANS方法對水泵水輪機內流場進行分析，RANS方法對于水輪機在額定工況、最優(yōu)工況附近其計算精度較高，對于小流量甚至是空載流量下，由于其內流流動非常復雜，基于RANS方法的數(shù)值仿真精度較差，難以反映該種工況下水泵水輪機的真實流動情況。

1.2 水泵水輪機模型試驗及內流場PIV測試研究進展

模型實驗是獲取水力機械穩(wěn)定性研究的主要途徑，在水泵水輪機領域得到較廣泛應用。早在2001年陳德新等人就通過對水泵水輪機轉輪流道中壓力分布的測量和流動可視化與圖像處理技術,獲得了“S”形特性區(qū)轉輪內的壓力分布曲線與轉輪葉片翼間流動圖像、速度矢量圖［18］；2005年，王玲花等人利用PIV流場測試技術，對低比速混流式模型水泵水輪機轉輪在水輪機工況下進行了可視化研究，結果表明水泵水輪機模型在設計工況下轉輪區(qū)的流態(tài)較好；在非設計工況下，不管正沖角還是負沖角，翼間流場都會有一定的脫流與旋渦存在；尤其在大流量工況下，在葉片正面形成大范圍的脫流漩渦，但由于漩渦位置幾乎不變，機組運行比較穩(wěn)定；在小流量工況下，葉片背面存在著周期性的脫流漩渦，漩渦葉片進口逐漸變化到葉片流道出口，易形成周期性較大的壓力脈動，導致機組運行不穩(wěn)定［19］。目前，國內的水泵水輪機模型試驗臺主要有水科院水力機械測試試驗臺，以及東方電機及哈爾濱電機的水力機械測試試驗臺，三個試驗臺主要用于水輪機及水泵水輪機的模型驗收試驗，針對水泵水輪機開展的研究還比較少。在國外，目前開展水泵水輪機水力穩(wěn)定性及水力激振研究的試驗臺主要集中在歐洲的水力機械試驗臺，如法國阿爾斯通水力機械試驗臺和瑞士的洛桑水力機械試驗中心。法國國立格勒諾布爾理工學院（Institute National Polytechnic de Grenoble）Gabriel Dan CIOCAN等人于2006年利用LDV（激光多普勒測速儀）和不穩(wěn)定全壓探針設備對水泵水輪機導葉至轉輪之間的流態(tài)及壓力脈動進行了測量，對水泵和水輪機兩個狀態(tài)下的部分負荷、最優(yōu)效率和超負荷工況下的轉動部分與固定部分的相互作用關系進行了研究［20］。洛桑水力機械試驗中心從2006年開始，該試驗臺陸續(xù)開展了水泵水輪機的“S”形特性、壓力脈動及水力激振特性研究［21］。如在2010年，Vlad等人利用高速攝影分析了水泵水輪機在空載工況活動導葉與轉輪之間的流體流態(tài)的觀察（見圖1），分析了不同工況條件無葉區(qū)旋渦的產生及渦形態(tài)變化等，這些研究成果都具有較高的參考價值［22］。

圖1 瑞士洛桑水力機械試驗中心水泵水輪機試驗臺及高速攝像測量結果Fig.1 Pump-turbine test beds and the high-speed visualization measurements in Laboratory for hydraulic machine in Lausanne of Switzerland

2 水泵水輪機空載穩(wěn)定性分析

水輪機空載工況處于水輪機工況和水輪機制動工況的分界處。水泵水輪機一旦進入制動區(qū)，水流對于轉輪起到阻擋的作用，流量迅速下降，轉速增加或者略有下降。如果流量進一步減小至負值，則進入反水泵工況，變?yōu)樗啓C旋轉方向抽水，轉速相應增加，導葉開度線不可避免的形成S形，這就是水泵水輪機的S形特性區(qū)，如圖2所示［23］。

水泵水輪機的S形特性導葉開度線是水泵水輪機的特征線，是不可避免的［24］?！癝”形特性對機組運行穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在三個方面：

（1）對水輪機空載運行產生影響。在導葉打開至空載開度時，在“S”形特性內，將可能出現(xiàn)一個n11對應二至三個流量，在一定的外界壓力波動的誘發(fā)下，機組轉速會隨著流量的快速變化而不斷波動，最大可能達到額定轉速的10%左右，造成機組并網困難或者不能并網。

（2）“S”形特性還會對水泵水輪機帶負荷工況產生影響。當機組并網后或調相轉發(fā)電及發(fā)電轉調相時的導葉開啟/關閉過程中,如果工況點經過“S”形特性區(qū)域或其附近,為了維持機組與電網同步、機組轉速不變,機組將從系統(tǒng)吸收較大的功率。如果吸收功率超過整定值,則將導致機組逆功率保護動作跳機事故［25］-［26］。

（3）在甩負荷時對水錘壓力、機組轉速上升率產生影響。由于轉輪“S”形特性影響,在甩負荷時，對壓力鋼管中的水流將造成類似導葉快速關閉的效果,導致進入機組的流量快速減小,從而形成壓力鋼管內第二個水錘壓力峰值。

但“S”形特性區(qū)是否一定會出現(xiàn)水輪機工況的空載不穩(wěn)定等問題，“S”形特性是否影響水輪機的空載穩(wěn)定性等問題的核心是導葉開度線與機組飛逸曲線相交于何處。只有飛逸曲線與導葉開度線交于“S”形特性區(qū)上彎部分（dQ11/dn11＞0）時，即交于導葉開度線正斜率區(qū)，同時該部分又位于水輪機真機的運行范圍時，此時在同一單位轉速下，將對應二至三個單位流量（如圖2所示），才可能出現(xiàn)空載不穩(wěn)定等問題［27］-［28］。而當水輪機工況飛逸線與導葉開度線相交于負斜率區(qū)時，機組就不會出現(xiàn)水輪機空載不穩(wěn)定等問題，如圖3所示。

圖2 不穩(wěn)定的水輪機工況n11-Q11特性Fig.2 n11-Q11 characteristics under unstable operation of turbine

圖3 穩(wěn)定的水輪機工況n11-Q11特性Fig.3 n11-Q11 characteristics under stable operation of turbine

由于水泵水輪機按照水泵工況進行水力設計，其真機運行范圍的單位轉速要高于水輪機工況的最優(yōu)單位轉速［29］。在水力階段時，目前還難以預測其水輪機工況的空載穩(wěn)定性，空載穩(wěn)定性通常在水泵水輪機模型驗收試驗時發(fā)現(xiàn)，受施工工期和交貨工期的影響，來不及重新進行水力設計，即使重新設計，也難以保證新設計方案不會出現(xiàn)空載穩(wěn)定性問題。目前工程上一般采用以下幾種方案解決：①調速系統(tǒng)增加水壓反饋回路；②采用進水閥進行截流調節(jié)；③采用非同步導葉（MGV，亦稱部分導葉預開）［30］。第三種方案應用最多，但非同步導葉投入期間，會引起較大的壓力脈動、噪聲和振動等問題，增加了機組的運行、維護成本，一定程度上也降低了機組的疲勞強度［31］。根據相關研究表明，導葉預開的角度越大，改善“S”形特性的效果越好，但轉輪內部流動的對稱性越差，轉輪所受到的徑向力和尾水管內壓力脈動就越大，機組振動更為明顯［32］。

雖然采用非同步導葉（MGV）在一定程度上能夠解決空載穩(wěn)定性問題，但該種方式不應形成一種工程“慣例”而成為水力研發(fā)技術進步的阻礙。因此還需要從水力設計的角度重新審視“S”形特性問題，提出系統(tǒng)而有效的解決辦法來解決空載穩(wěn)定性問題。根據目前已發(fā)表的文獻表明，日本東芝水電、三菱水電等開發(fā)的水泵水輪機水力模型就基本上解決了在水輪機工況的空載穩(wěn)定性問題，但由于核心技術保密，國內難以引進。因此還需要重新審視“S”形特性問題，分析“S”形特性形成的機理，分析影響機組飛逸線與導葉開度線相交在正斜率區(qū)還是負斜率區(qū)的因素。正是由于對“S”形特性形成的內流機理不清楚，導致水力設計沒有方向，有時設計得到的水泵水輪機在運行范圍內不存在空載穩(wěn)定性問題，而有時又存在嚴重水輪機工況空載穩(wěn)定性問題。

因此，需要對水泵水輪機“S”形特性以及空載穩(wěn)定性問題的內流機理及影響參數(shù)進行詳細的分析，才能為改善水輪機工況的空載穩(wěn)定性等問題提供參考。從內流場數(shù)值仿真和PIV內流測量兩個方面，研究水泵水輪機的“S”形特性和空載穩(wěn)定性，分析水泵水輪機“S”形特性、空載穩(wěn)定性與內流渦動力學的關系，為進一步改善其空載穩(wěn)定性提供理論支持。

3 結論

通過以上分析可以得出：

（1）水泵水輪機內部流動分析理論和數(shù)值計算方法有待完善?，F(xiàn)有的湍流模型在預測水泵水輪機最優(yōu)工況附近流動時，其準確性較高，但在小流量或者空載負荷時，其精度不能滿足工程實際需要，需要發(fā)展相應的精細湍流計算模式來加以解決。

（2）對于“S”形特性和空載穩(wěn)定性形成的機理還需要進一步研究。對于水泵水輪機全特性曲線中“S”形特性曲線形成的內流機理還缺少系統(tǒng)有效的研究，還需要進行更進一步的流動測量試驗、CFD內流場分析以及對比試驗及分析，以了解產生“S”形特性的流動機理。

（3）對于如何改善水輪機工況的空載穩(wěn)定性還缺少系統(tǒng)而有效的方法。當前水泵水輪機的空載穩(wěn)定性一般是在水泵水輪機模型驗收試驗時才發(fā)現(xiàn)，受施工周期和交貨進度等的影響，來不及重新進行水力設計，即使進行重新水力設計，也很難保證新設計的水力模型能夠解決“S”形特性的問題，往往采取其他工程手段來預防。但該種方式不應形成一種工程“慣例”而成為水力研發(fā)技術進步的阻礙。因此還需要從水力設計的角度重新審視“S”形特性問題，提出系統(tǒng)而有效的解決辦法來解決空載穩(wěn)定性問題。

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常玉紅（1972—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水電設備技術管理。E-mail:yuhong-chang@sgxy.sgcc.com.cn

桂中華（1976—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：水電設備故障診斷與狀態(tài)評價。E-mail:zhonghua-gui@sgxy.sgcc.com.cn

Status Analysis of the Study on the Stability of Pumped Storage Unit with No-load

CHANG Yuhong,GUI Zhonghua,LU Weifu,FAN Longnan
(1.State grid xinyuan company Ltd.,Beijing,100761,China; 2.Technology center of state grid xinyuan company Ltd,beijing,100161,China; 3.Jilin Dunhua pumped storage power,Jilin Dunhua,133700,China)

Instability of the pump-turbine with no-load will make the grid-connected units difficult,and even cause the damage of the units parts and the interruption of the operation of the units,which influence the security of the production and the operation of the power plant and the grid.The stability of the pump-turbine with no-load has become one of the key problems to be solved currently.The research accomplishments of the stability of the pump-turbine with no-load are overviewed by numerical simulation and model experiment in the paper.It is identified that the “S”performance and the stability of the no-load performance of the pump-turbine should be studied,and the relationship among the “S”performance,the stability of the no-load performance and the inflow vorticity dynamics of the pump-turbine should be analyzed by inflow numerical simulation and PIV inflow measurement.The achievements provide the theoretical guidance for the design of pump-turbine and are benefit for the improvement of the stability of the noload performance.

pump-turbine;no-load;“S”performance

TV737

A 學科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.011