東方電機(jī)水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的技術(shù)進(jìn)步

東方電機(jī)水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的技術(shù)進(jìn)步傅之躍;劉偉超;鄭津生;胡江藝【摘要】從水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)技術(shù)、水泵水輪機(jī)模型裝置設(shè)計(jì)技術(shù)和水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)等幾個(gè)方面介紹了東方電機(jī)在抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)水力研究開發(fā)上的技術(shù)進(jìn)步.【期刊名稱】《水電站機(jī)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(jī);水泵水輪機(jī);水力開發(fā);技術(shù)進(jìn)步【作者】傅之躍;劉偉超;鄭津生;胡江藝【作者單位】東方電機(jī)有限公司，四川德陽,618000;東方電機(jī)有限公司,四川德陽618000;東方電機(jī)有限公司，四川德陽,618000;東方電機(jī)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(jī)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(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是不可或缺的。東方電機(jī)一直以來都在致力于抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的開發(fā)研究。近年來，隨著國(guó)內(nèi)電力建設(shè)的發(fā)展，通過參與一些抽水蓄能電站機(jī)組的分包制造，特別是在國(guó)家對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)引進(jìn)的支持下，抽水蓄能機(jī)組的研究發(fā)及設(shè)計(jì)制造能力得到很大提升。本文主要介紹東方電機(jī)在水泵水輪機(jī)水力開發(fā)方面的技術(shù)進(jìn)步。東方電機(jī)從20世紀(jì)80年代初就開始進(jìn)行水泵水輪機(jī)的自主水力開發(fā)工作，結(jié)合國(guó)家〃八五”重大攻關(guān)項(xiàng)目一一〃大型抽水蓄能機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”項(xiàng)目，在認(rèn)真分析參與分包的3個(gè)大型抽水蓄能電站和自行研制響洪甸抽水蓄能機(jī)組水力資料的基礎(chǔ)上，自主進(jìn)行了500m水頭段和150m水頭段混流式水泵水輪機(jī)水力開發(fā)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代末，通過三峽電站水輪機(jī)水力技術(shù)的引進(jìn)，東方電機(jī)水輪機(jī)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段都得到了很大的提升，先進(jìn)的CFD技術(shù)廣泛應(yīng)用于東方電機(jī)水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)中，并取得了突出的成績(jī)。在此基礎(chǔ)上，東方電機(jī)開展了350m水頭段的水泵水輪機(jī)水力開發(fā)工作，將CFD技術(shù)應(yīng)用于水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，其主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2003年3月，國(guó)家發(fā)改委為促進(jìn)我國(guó)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(jìn)抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，以逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)備制造的國(guó)產(chǎn)化，東方電機(jī)和哈爾濱電機(jī)廠是技術(shù)轉(zhuǎn)讓的主承受方。2005年3月至7月，東方電機(jī)的水力設(shè)計(jì)人員赴法國(guó)阿爾斯通公司進(jìn)行了為期4個(gè)月的水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)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(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)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(jì)軟件應(yīng)用、CFD計(jì)算分析、優(yōu)化方法及經(jīng)驗(yàn)等。同年11月，阿爾斯通公司派員在我公司的計(jì)算工作站上進(jìn)行了水泵水輪機(jī)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建，安裝了阿爾斯通公司的全套設(shè)計(jì)軟件，并于次年3月份派水力設(shè)計(jì)專家到東方電機(jī)進(jìn)行了第二階段的培訓(xùn)。水力試驗(yàn)技術(shù)人員和模型試驗(yàn)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(gè)月的水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上，東方電機(jī)開展了550m~600m水頭段、200m~250m水頭段和450m~500m水頭段水泵水輪機(jī)水力開發(fā)工作，其成果達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。至此，東方電機(jī)已基本具備自主進(jìn)行水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的能力。通過技術(shù)引進(jìn)，東方電機(jī)在水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段方面都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)系統(tǒng)如下：（1）硬件配置該水力設(shè)計(jì)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(tái)高性能的HP工作站，其采用Pentium4的3.0GHz雙CPU，內(nèi)存高達(dá)4G。同時(shí)增配了一臺(tái)4CPU的IBMP510服務(wù)器，該系統(tǒng)的單機(jī)計(jì)算能力已經(jīng)十分突出，如加上服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算能力將更為強(qiáng)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(jìn)的軟件，同時(shí)擁有更為豐富的自開發(fā)軟件及計(jì)算前后處理宏程序，名稱和功用如表1所示。（3）水力設(shè)計(jì)方法水力設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)通過MEDE、BLD1、BLD2共同完成，同時(shí)也可通過這三個(gè)軟件完成固定導(dǎo)葉的翼型設(shè)計(jì)。TCDE軟件專用于雙列葉柵的設(shè)計(jì)，SCDE軟件專用于蝸殼設(shè)計(jì)，尤其是用TCDE設(shè)計(jì)時(shí)將固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉組合考慮，更便于配合修改和聯(lián)合計(jì)算。在幾何造型方面，由TCDE完成設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)也有很強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算。四面體網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)單快捷，適應(yīng)能力強(qiáng)，計(jì)算速度快。在CFD計(jì)算軟件方面，TASCFLOW主要用于轉(zhuǎn)輪計(jì)算。其他通流部件采用了四面體網(wǎng)格，它們的計(jì)算采用了能同時(shí)計(jì)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(jì)算，并只計(jì)算水輪機(jī)工況，主要計(jì)算固定導(dǎo)葉前水流角和進(jìn)入固定導(dǎo)葉的流量沿圓周方向是否均勻。（2）雙列葉柵：計(jì)算水輪機(jī)工況和水泵工況，可計(jì)算流速和壓力分布及損失，活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩，活動(dòng)導(dǎo)葉出口水流角。（3）轉(zhuǎn)輪：水泵工況計(jì)算流速和壓力分布及水力損失，各計(jì)算點(diǎn)的NPSH值，揚(yáng)程流量曲線；水輪機(jī)工況計(jì)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(dòng)載荷。（4）尾水管：主要計(jì)算水輪機(jī)工況，計(jì)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(dòng)計(jì)算。（5）聯(lián)合計(jì)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(jì)算，還可將蝸殼到尾水管整體聯(lián)合計(jì)算。圖2為模型水泵水輪機(jī)水泵工況整體聯(lián)合計(jì)算后處理結(jié)果的流線形態(tài)分析。為適應(yīng)水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)時(shí)高水頭、小流量和試驗(yàn)工況復(fù)雜的特性，在模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用了全新的設(shè)計(jì)理念和多個(gè)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(yàn)裝置整體剛性，同時(shí)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(duì)可逆式水泵水輪機(jī)流量小的特點(diǎn)，為提高容積效率，采用了浮動(dòng)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(duì)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(shí)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(dòng)，在轉(zhuǎn)輪偏擺略微超差時(shí)，可減小對(duì)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(dòng)的柔性結(jié)構(gòu)，減小了肘管及擴(kuò)散段內(nèi)的壓力脈動(dòng)上傳效應(yīng)。（7）設(shè)計(jì)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(yàn)順利進(jìn)行。以上舉措大大提高了模型試驗(yàn)裝置的加工精度和運(yùn)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(jì)也已推廣至溪洛渡、官地等百萬級(jí)水電站的水力開發(fā)之中。圖3為水泵水輪機(jī)模型裝置的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)示意圖。水泵水輪機(jī)的模型試驗(yàn)有其固有的特點(diǎn)。與常規(guī)的混流式、軸流式水輪機(jī)相比，其模型試驗(yàn)工況多且試驗(yàn)過程復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)、測(cè)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(cè)量能力、雙向流量率定能力、測(cè)功電機(jī)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(yàn)技術(shù)等。（1）試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)與完善針對(duì)水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)的改進(jìn)還包括完善了測(cè)功電機(jī)雙向控制系統(tǒng)，以進(jìn)行水泵方向和水輪機(jī)方向的運(yùn)轉(zhuǎn)控制，研制了水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件摩擦力測(cè)試系統(tǒng)，提高出力與入力的測(cè)量準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了流量雙向流動(dòng)方向的測(cè)量，方便了零流量工況附近的流量測(cè)量與運(yùn)行工況確認(rèn)，設(shè)計(jì)完善了尾水正壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的局部管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了流量雙向率定，開發(fā)了水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)軟件與數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。這些新的試驗(yàn)設(shè)備以及新的測(cè)試技術(shù)的投入使用，為水泵水輪機(jī)的模型試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。四象限特性試驗(yàn)四象限特性曲線表現(xiàn)出水泵水輪機(jī)完整的運(yùn)行工況，對(duì)過渡過程的控制與運(yùn)行有著重要的指導(dǎo)作用，其中在水輪機(jī)制動(dòng)工況附近的模型試驗(yàn)顯得更為重要，在該區(qū)域，細(xì)微的試驗(yàn)可以清晰反應(yīng)出水泵水輪機(jī)的“S”特性，從而可以判斷出在運(yùn)行范圍內(nèi)是否存在嚴(yán)重的“S”特性°"S”特性區(qū)域的顯著特點(diǎn)是工況極其不穩(wěn)定，一個(gè)單位轉(zhuǎn)速可以對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的單位流量，而且其中一個(gè)位于反水泵工況，流量為負(fù)值，系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)可能導(dǎo)致運(yùn)行工況在這三個(gè)工況點(diǎn)之間來回運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)極其不穩(wěn)定，在真機(jī)上表現(xiàn)為水輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，從而無法并網(wǎng)。在模型試驗(yàn)中如果沒有特殊的手段，運(yùn)行工況也會(huì)極其不穩(wěn)定，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確細(xì)膩地試驗(yàn)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(jìn)行四象限特性試驗(yàn)的方法，可以得出“S”特性的細(xì)膩曲線，從而為水力開發(fā)提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)信息，為改善水泵水輪機(jī)的“S”特性提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。水泵駝峰特性試驗(yàn)在水泵特性曲線的某一小流量區(qū)域，隨著流量的減少，揚(yáng)程不但沒有增加，反而降低，而后隨著流量的進(jìn)一步減少，揚(yáng)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(jī)上表現(xiàn)為，如果駝峰裕量不足，水泵在高揚(yáng)程條件下的啟動(dòng)與運(yùn)行將受到影響，因此改善駝峰裕量也是水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的重要指標(biāo)。模型試驗(yàn)表明，該區(qū)域也為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，必須尋求一種合適的流量調(diào)節(jié)方法，進(jìn)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(duì)沖方式的應(yīng)用以及二者之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行很好地解決了這一問題。我們以水泵水輪機(jī)的技術(shù)引進(jìn)為契機(jī)，不斷探索水泵水輪機(jī)的模型試驗(yàn)技術(shù)，通過不同水頭段多個(gè)項(xiàng)目的模型試驗(yàn)檢驗(yàn)，逐步完善了水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)，增強(qiáng)了試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)的能力，提高了水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的整體實(shí)力，為水力開發(fā)的成功提供了保障。東方電機(jī)的水力開發(fā)人員通過開展多個(gè)水頭段和項(xiàng)目的水泵水輪機(jī)水力開發(fā)工作，已經(jīng)具有了一定的水泵水輪機(jī)水力開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并逐漸構(gòu)建和完善水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。在認(rèn)真分析〃打捆招標(biāo)”三個(gè)電站高水頭抽水蓄能機(jī)組水泵水輪機(jī)水力參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)為檢驗(yàn)東方電機(jī)技術(shù)人員的技術(shù)引進(jìn)成效，東方電機(jī)開展了550m~600m的水頭段水泵水輪機(jī)水力開發(fā)。按照技術(shù)引進(jìn)所學(xué)設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行了從蝸殼、雙列葉柵到尾水管CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合三個(gè)模型轉(zhuǎn)輪的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別進(jìn)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(jì)，與復(fù)制的某引進(jìn)電站水泵水輪機(jī)水力模型同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。部分性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線見圖4~圖6。東方電機(jī)開展的200m~250m水頭段水泵水輪機(jī)水力開發(fā)也是檢驗(yàn)東方電機(jī)技術(shù)人員的技術(shù)引進(jìn)成效的項(xiàng)目之一。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)首個(gè)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目——安徽響水澗抽水蓄能電站進(jìn)行了水泵水輪機(jī)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(jì)參數(shù)差別較大，特別是水泵工況。在第一輪水力設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了三個(gè)水泵水輪機(jī)水力模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在分析總結(jié)模型試驗(yàn)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(jìn)行第二輪水力開發(fā)，最終完成D481A水力模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)表明，其主要性能基本滿足電站參數(shù)要求。其部分試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7~圖9所示。450m~500m水頭段水泵水輪機(jī)水力開發(fā)是針對(duì)國(guó)內(nèi)仙游和荒溝等一批450m~500m水頭段抽水蓄能電站而進(jìn)行的。該水頭段水泵水輪機(jī)在我公司的技術(shù)儲(chǔ)備尚屬空白，這就要求東方電機(jī)進(jìn)行全新的通流部件和轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)，其難度可想而知，這也是對(duì)東方電機(jī)水力設(shè)計(jì)工程師完全自主進(jìn)行水泵水輪機(jī)水力開發(fā)能力的檢驗(yàn)。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(jì)、模型試驗(yàn)、總結(jié)提高，再優(yōu)化、再試驗(yàn)、再總結(jié)提高，兩年多時(shí)間四輪水泵水輪機(jī)水力開發(fā)，終于開發(fā)出滿足仙游抽水蓄能