東方電機水泵水輪機水力開發(fā)的技術(shù)進步

東方電機水泵水輪機水力開發(fā)的技術(shù)進步傅之躍;劉偉超;鄭津生;胡江藝【摘要】從水泵水輪機水力設(shè)計技術(shù)、水泵水輪機模型裝置設(shè)計技術(shù)和水泵水輪機模型試驗技術(shù)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(fā)上的技術(shù)進步.【期刊名稱】《水電站機電技術(shù)》【年(卷)，期】2011(034)002【總頁數(shù)】5頁(P5-9)【關(guān)鍵詞】東方電機;水泵水輪機;水力開發(fā);技術(shù)進步【作者】傅之躍;劉偉超;鄭津生;胡江藝【作者單位】東方電機有限公司，四川德陽,618000;東方電機有限公司,四川德陽618000;東方電機有限公司，四川德陽,618000;東方電機有限公司,四川德陽618000【正文語種】中文【中圖分類】TK734抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)組、事故備用和吸收多余電能等任務(wù)方面功效顯著，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)研究。近年來，隨著國內(nèi)電力建設(shè)的發(fā)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(nèi)企業(yè)技術(shù)引進的支持下，抽水蓄能機組的研究發(fā)及設(shè)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(fā)方面的技術(shù)進步。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(fā)工作，結(jié)合國家〃八五”重大攻關(guān)項目一一〃大型抽水蓄能機組關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”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(chǔ)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(fā)，積累了一定的經(jīng)驗。20世紀80年代末，通過三峽電站水輪機水力技術(shù)的引進，東方電機水輪機設(shè)計理念和設(shè)計手段都得到了很大的提升，先進的CFD技術(shù)廣泛應(yīng)用于東方電機水輪機的水力設(shè)計中，并取得了突出的成績。在此基礎(chǔ)上，東方電機開展了350m水頭段的水泵水輪機水力開發(fā)工作，將CFD技術(shù)應(yīng)用于水泵水輪機水力設(shè)計，試驗結(jié)果表明，其主要性能指標(biāo)達到了設(shè)計要求。2003年3月，國家發(fā)改委為促進我國抽水蓄能電站建設(shè)的發(fā)展，采用〃打捆招標(biāo)”的方式引進抽水蓄能電站機組設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)，以逐步實現(xiàn)我國抽水蓄能電站機組設(shè)備制造的國產(chǎn)化，東方電機和哈爾濱電機廠是技術(shù)轉(zhuǎn)讓的主承受方。2005年3月至7月，東方電機的水力設(shè)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(shè)計技術(shù)的轉(zhuǎn)讓培訓(xùn)工作，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了阿爾斯通公司的單級混流可逆式水泵水輪機水力設(shè)計方法，包括設(shè)計理念、基本水力參數(shù)選定、商業(yè)軟件應(yīng)用、自開發(fā)設(shè)計軟件應(yīng)用、CFD計算分析、優(yōu)化方法及經(jīng)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(shè)計平臺的構(gòu)建，安裝了阿爾斯通公司的全套設(shè)計軟件，并于次年3月份派水力設(shè)計專家到東方電機進行了第二階段的培訓(xùn)。水力試驗技術(shù)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(tǒng)地接受了為期兩個月的水泵水輪機模型試驗相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)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(fā)工作，其成果達到了設(shè)計預(yù)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(fā)的能力。通過技術(shù)引進，東方電機在水泵水輪機水力設(shè)計的設(shè)計理念和設(shè)計手段方面都取得了實質(zhì)性的進步。水泵水輪機的水力設(shè)計系統(tǒng)如下：（1）硬件配置該水力設(shè)計系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)為PC工作站，采用Windows2000操作系統(tǒng)。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(nèi)存高達4G。同時增配了一臺4CPU的IBMP510服務(wù)器，該系統(tǒng)的單機計算能力已經(jīng)十分突出，如加上服務(wù)器進行計算，其計算能力將更為強大。（2）軟件系統(tǒng)該軟件系統(tǒng)的主要商業(yè)軟件為目前業(yè)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(fā)軟件及計算前后處理宏程序，名稱和功用如表1所示。（3）水力設(shè)計方法水力設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計流程框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)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(dǎo)葉的翼型設(shè)計。TCDE軟件專用于雙列葉柵的設(shè)計，SCDE軟件專用于蝸殼設(shè)計，尤其是用TCDE設(shè)計時將固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉組合考慮，更便于配合修改和聯(lián)合計算。在幾何造型方面，由TCDE完成設(shè)計后，生成雙列葉柵的幾何數(shù)據(jù)文件，通過Excel打開、編輯數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(zhuǎn)輪外的其他通流部件都是通過Icemcfd劃分四面體網(wǎng)格進行計算。四面體網(wǎng)格劃分簡單快捷，適應(yīng)能力強，計算速度快。在CFD計算軟件方面，TASCFLOW主要用于轉(zhuǎn)輪計算。其他通流部件采用了四面體網(wǎng)格，它們的計算采用了能同時計算四面體和六面體網(wǎng)格部件的CFX5.7。完成功能如下：（1）蝸殼：將蝸殼和雙列葉柵聯(lián)合劃分網(wǎng)格和計算，并只計算水輪機工況，主要計算固定導(dǎo)葉前水流角和進入固定導(dǎo)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(dǎo)葉水力矩，活動導(dǎo)葉出口水流角。（3）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)定流及蝸帶和壓力脈動計算。（5）聯(lián)合計算：可將蝸殼和雙列葉柵，雙列葉柵和轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪和尾水管聯(lián)合計算，還可將蝸殼到尾水管整體聯(lián)合計算。圖2為模型水泵水輪機水泵工況整體聯(lián)合計算后處理結(jié)果的流線形態(tài)分析。為適應(yīng)水泵水輪機模型試驗時高水頭、小流量和試驗工況復(fù)雜的特性，在模型試驗裝置設(shè)計時采用了全新的設(shè)計理念和多個全新的結(jié)構(gòu)形式：（1）蝸殼采用由厚鋁板數(shù)控加工內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)，此舉改善了原采用102鑄鋁鑄件質(zhì)量差，數(shù)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(huán)、頂蓋配合精度；與采用不銹鋼材質(zhì)相比，提高了數(shù)控加工的效率，降低了數(shù)控加工成本和原材料成本。（2）座環(huán)的結(jié)構(gòu)采用固定導(dǎo)葉與座環(huán)下環(huán)用不銹鋼鍛件整體數(shù)控加工的結(jié)構(gòu)，提高了固定導(dǎo)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(huán)結(jié)構(gòu)，以減少導(dǎo)葉端面間隙，把底環(huán)加工精度對容積效率的影響降至最低。（4）轉(zhuǎn)輪葉片采用新的窄上冠分瓣結(jié)構(gòu)，提高了分瓣葉片的加工精度和轉(zhuǎn)輪組合裝配精度，同時提高了分瓣葉片數(shù)控加工的效率。（5）轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)采用銷子定位，使下止漏環(huán)可以以銷子為中心擺動，在轉(zhuǎn)輪偏擺略微超差時，可減小對轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)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(jié)構(gòu)，減小了肘管及擴散段內(nèi)的壓力脈動上傳效應(yīng)。（7）設(shè)計了單導(dǎo)葉高精度定位裝置，使得非同步導(dǎo)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(wěn)定性，為水力開發(fā)的成功打下了基礎(chǔ)，而這些設(shè)計也已推廣至溪洛渡、官地等百萬級水電站的水力開發(fā)之中。圖3為水泵水輪機模型裝置的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)示意圖。水泵水輪機的模型試驗有其固有的特點。與常規(guī)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(fù)雜，對試驗臺的結(jié)構(gòu)、測試儀表的性能、電氣控制系統(tǒng)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(zhuǎn)控制能力、水泵工況的流量調(diào)節(jié)能力、四象限試驗技術(shù)等。（1）試驗設(shè)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(tǒng)，以進行水泵方向和水輪機方向的運轉(zhuǎn)控制，研制了水輪機轉(zhuǎn)動部件摩擦力測試系統(tǒng)，提高出力與入力的測量準確性，實現(xiàn)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(shè)計完善了尾水正壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對試驗臺的局部管路結(jié)構(gòu)進行了適應(yīng)性改進，實現(xiàn)了流量雙向率定，開發(fā)了水泵水輪機模型試驗軟件與數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。這些新的試驗設(shè)備以及新的測試技術(shù)的投入使用，為水泵水輪機的模型試驗奠定了良好的基礎(chǔ)。四象限特性試驗四象限特性曲線表現(xiàn)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(dǎo)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(qū)域，細微的試驗可以清晰反應(yīng)出水泵水輪機的“S”特性，從而可以判斷出在運行范圍內(nèi)是否存在嚴重的“S”特性°"S”特性區(qū)域的顯著特點是工況極其不穩(wěn)定，一個單位轉(zhuǎn)速可以對應(yīng)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(tǒng)中的壓力波動可能導(dǎo)致運行工況在這三個工況點之間來回運動，使系統(tǒng)極其不穩(wěn)定，在真機上表現(xiàn)為水輪機啟動時轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，從而無法并網(wǎng)。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(wěn)定，導(dǎo)致無法準確細膩地試驗出“S”區(qū)的特性曲線。經(jīng)過反復(fù)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(fā)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(shù)手段。水泵駝峰特性試驗在水泵特性曲線的某一小流量區(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)的重要指標(biāo)。模型試驗表明，該區(qū)域也為不穩(wěn)定運行區(qū)域，必須尋求一種合適的流量調(diào)節(jié)方法，進行穩(wěn)定的流量調(diào)節(jié)，得出穩(wěn)定的水泵特性曲線。流量調(diào)節(jié)閥加上水泵對沖方式的應(yīng)用以及二者之間的協(xié)調(diào)運行很好地解決了這一問題。我們以水泵水輪機的技術(shù)引進為契機，不斷探索水泵水輪機的模型試驗技術(shù)，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(shù)，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(fā)的整體實力，為水力開發(fā)的成功提供了保障。東方電機的水力開發(fā)人員通過開展多個水頭段和項目的水泵水輪機水力開發(fā)工作，已經(jīng)具有了一定的水泵水輪機水力開發(fā)經(jīng)驗，并逐漸構(gòu)建和完善水泵水輪機水力設(shè)計數(shù)據(jù)庫。在認真分析〃打捆招標(biāo)”三個電站高水頭抽水蓄能機組水泵水輪機水力參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時為檢驗東方電機技術(shù)人員的技術(shù)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(fā)。按照技術(shù)引進所學(xué)設(shè)計流程，進行了從蝸殼、雙列葉柵到尾水管CFD優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合三個模型轉(zhuǎn)輪的水力優(yōu)化設(shè)計，分別進行了蝸殼與雙列葉柵、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪與尾水管的聯(lián)合設(shè)計，與復(fù)制的某引進電站水泵水輪機水力模型同臺對比試驗結(jié)果表明，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。部分性能試驗結(jié)果對比曲線見圖4~圖6。東方電機開展的200m~250m水頭段水泵水輪機水力開發(fā)也是檢驗東方電機技術(shù)人員的技術(shù)引進成效的項目之一。在此基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)首個國產(chǎn)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(fā)。響水澗抽水蓄能電站雖然與打捆招標(biāo)電站之一的白蓮河電站相近，但應(yīng)用水頭范圍和容量均有所不同，造成水力設(shè)計參數(shù)差別較大，特別是水泵工況。在第一輪水力設(shè)計中，進行了三個水泵水輪機水力模型的優(yōu)化設(shè)計，在分析總結(jié)模型試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上決定采用不同導(dǎo)葉高度的參數(shù)方案進行第二輪水力開發(fā)，最終完成D481A水力模型優(yōu)化設(shè)計。同臺對比試驗表明，其主要性能基本滿足電站參數(shù)要求。其部分試驗結(jié)果對比如圖7~圖9所示。450m~500m水頭段水泵水輪機水力開發(fā)是針對國內(nèi)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(shù)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(zhuǎn)輪的水力設(shè)計，其難度可想而知，這也是對東方電機水力設(shè)計工程師完全自主進行水泵水輪機水力開發(fā)能力的檢驗。通過不同蝸殼、雙流葉柵、尾水管、轉(zhuǎn)輪及各通流部件幾何參數(shù)不同匹配的水力優(yōu)化設(shè)計、模型試驗、總結(jié)提高，再優(yōu)化、再試驗、再總結(jié)提高，兩年多時間四輪水泵水輪機水力開發(fā)，終于開發(fā)出滿足仙游抽水蓄能