抽水蓄能电站水泵水轮机设计浅析概要

抽水蓄能电站水泵水轮机设计浅析
王泉龙
（哈尔滨电机厂有限责任公司哈尔滨 150040）
[摘要] 本文根据哈尔滨电机厂有限责任公司近年来抽水蓄能技术引进和技术创新以及在多个项目工程实践经验，简要分析了水泵水轮机与常规水轮机相比从水力设计到机械设计等方面的技术特点。

[关键词] 水泵水轮机水力设计机械设计
1 前言
目前国外投入运行的单级混流式水泵水轮机的最大扬程已经达到778m （日本葛野川），最大单机容量已经达到470MW （日本神流川）。

可变速的抽水蓄能机组单机最大容量已经达到412MW （日本葛野川）。

我国发电设备制造行业对抽水蓄能技术的开发起步较晚，已陆续建成的300MW 级大型抽水蓄能机组全部为进口设备。

为弥补这方面的空白，哈电自1977年起就与清华大学等单位合作进行了部分水头段水泵水轮机的水力研究，取得了一些较好的试验成果。

2000年哈电获得了2台60MW 回龙抽水蓄能机组的供货合同，2002年又获得了2台150MW 白山抽水蓄能机组的供货合同。

2002年哈电作为GE 公司的分包方承接了2台300MW 韩国青松水泵水轮机、进水阀门及其辅助设备(BOP机械部分的制造任务，两台机组中除转轮和主轴密封外，其余部分均由哈电供货，设计方面GE 公司只提供概念设计，哈电完成施工设计。

2003年国家发改委又以惠州、宝泉和白莲河抽水蓄能机组为依托工程，以哈电和东方电机股份有限公司作为技术受让方引进了法国阿尔斯通公司在抽水蓄能机组设计制造方面的关键技术。

通过技术引进、消化吸收和技术再创新，以及近期几个项目的工程实践，国内设备制造公司已经具备了300MW 等级的抽水蓄能机组设计、制造、系统集成和现场调试的能力。

2 水力设计技术
水力设计的目的是通过计算机数值分析对水泵水轮机的通流部件进行优化并预估其水力性能。

水泵水轮机设计与常规的水轮机区别较大，除常规的能量、空化和稳定性外，S 特性和驼峰区是研究的重点，但均采用CFD 方法和相同的流动计算商业软件包。

水泵水轮机通流部件数值分析主要是计算蜗壳、双列叶栅、转轮、尾水管内部的水流流动情况，通过计算出的压力场、速度场、流场等结果对通流部件的水力性能做出评判。

数值分析采取各通流部件单独计算。

在技术转让过程中，阿尔斯通公司对水力设计所涉及的商业软件进行了全面培训，转让了全部的自开发软件。

哈电在引进技术消化吸收基础上，自行开发设计了500m 水头段转轮，通过模型试验其性能与引进的转轮性能相当。

自行开发了响水涧蓄能电站水泵水轮机水力模型，并经瑞士洛桑国际中立水力试验台的模型试验验证其性能达到当今世界先进水平。

同时还完成了溧阳、仙居项目的水力设计和模型试验工作，其各项性能指标均达到较高水平。

2.1 转轮的数值计算
转轮要兼顾水轮机和水泵工况两种功能，其主要设计步骤为：根据两种运行工况的要求，选定一个可以由一个转轮最大程度满足两种工况要求的设计参数；通常以泵工况为基础进行水力设计，再以水轮机工况的要求来校核，通过CFD 分析结果在一定范围内调整修改。

采用专用设计软件进行转轮轴面流线设计、翼型骨线设计和翼型实体设计后生成叶片翼型，应用CFX-Turbogrid 对叶片做单周期结构化网格划分（见图1），生成的计算网格文件采用CFX-TASCflow 进行数值计算（图
2~图4）。

图1 CFX-Turbogrid网格划分图2 压力面压力分布
图3 下环速度分布图4 流线分布
应用CFX-TASCflow 自带宏命令可直接对计算网格结果进行后处理计算，求解效率、扬程、力矩、功率等性能参数。

2.2 双列叶栅的水力设计
水泵水轮机双列叶栅考虑到两种工况运行其翼型与常规水轮机有所不同，经初始翼型设计后，应用ANSYS 软件按转轮高压侧高度拉伸、造型生成单周期双列叶
栅实体，做非结构化周期网格划分，并对导叶固壁面边界层进行三棱柱网格加密，生成双列叶栅三维非结构化网格，导入CFX5做双列叶栅联合数值分析。

以下(图5、图
6是部分水泵水轮机双列叶栅网格划分及数值分析结果。

图5 双列叶栅计算网格图6 双列叶栅压力分布
对于水泵水轮机双列叶栅的优化设计主要侧重水轮机工况的数值分析,主要目的是提高水轮机水力性能，而优化转轮的主要目的是提高水泵水力性能。

2.3 蜗壳的数值分析
水轮机工况下，蜗壳使水流能均匀地进入到转轮，并使水流进入导水机构前具有一定的环量；在水泵工况下，蜗壳用来收集从转轮流出的水流，同时把水流动能转换为压力能，减少水流的环量，使出水管道中的水流损失减少。

虽然螺旋形蜗壳在作用上能满足水泵水轮机的蜗壳的要求，但是因为两种工况下的工作参数不同，泵工况下蜗壳还要承担水流动能转化为压力能的任务，所要求的蜗壳断面较水轮机工况下所要求的小，所以水泵水轮机的蜗壳设计有一定的难度。

在双列叶栅的优化设计基础上进行水泵水轮机蜗壳与双列叶栅的联合数值分析。

按面积变化规律确定水泵水轮机蜗壳各断面尺寸，所设计的蜗壳经AutoCAD2002（MDT ）三维实体造型，导入ANSYS ICEM CFD 5作网格划分，生成三维非结构化网格，应用CFX5.7进行流动数值分析（图7、图8）。

图7 蜗壳壁面压力分布图8 蜗壳内部流线分布
2.4 尾水管的数值分析
尾水管的性能好坏直接影响水泵水轮机能量特性、空化特性和运行稳定性。

但水泵水轮机尾水管对水轮机工况和水泵工况的影响特点是不同的。

主要表现为以下两个方面：
（1）尾水管直锥段起最主要作用。

较长的直锥段具有较明显的扩散作用。

对水轮机工况而言，肘管及扩散段的形状及断面变化规律的影响相对较小；对水泵工况来说，较长的直锥段更能保证进口水流的均匀性；
（2）尾水管的总高度对水泵工况没有明显的影响，但对水轮机工况的能量恢复有较大影响。

水泵水轮机尾水管与常规水轮机尾水管相比较，有以下三个主要特点：
（1）具有相对较长的直锥段；
（2）水泵水轮机通常采用连续扩散型肘管；常规水轮机尾水管中，为防止水流在弯段从壁面脱流，广泛使用一种具有“扩散—收缩—扩散”断面规律的肘管，两者面积变化规律参见；
（3）大部分水泵水轮机尾水管两端均为圆断面，肘管部分可根据“连续扩散”的面积变化律，采用圆断面或椭圆断面。

水泵水轮机尾水管多为圆（或椭圆）断面。

尾水管的数值计算与蜗壳相近，需要实体造型、划分网格、再做数值分析。

对尾水管的数值分析的进口给定为速度进口条件，将转轮出口速度组成分布加载在尾水管进口，如此计算的尾水管流态较质量进口条件准确（图9、图10）。

图9 CFX5尾水管压力分布图10 CFX5尾水管流线分布
3 模型试验
水泵水轮机模型试验和常规水轮机模型试验类似，因为同属大型动力设备的模拟试验，对测试精度要求很高。

除在单位水能和单位流量限定的范围内确定机器的水力性能外，还要重点研究常规运行范围外的覆盖所有运行状态的所有性能。

最广义的运行范围还包括由两个流量方向和两个转速方向的水泵和水泵—水轮机工况（四象限运行），即全特性试验。

其中，对水泵水轮机的S 特性和驼峰区水力设计研究主要通过模型试验积累经验。

哈电的水泵水轮机水力研究始于二十世纪七十年代，但真正用于工程的模型试验是在回龙和白山抽水蓄能项目。

在打捆项目的技术引进过程中，以宝泉电站为研究目标进行水泵水轮机模型水力性能复试试验，即完全按照引进的模型装置转轮的图纸和通道单线图制造模型装置在哈电的试验台上进行全部的性能试验，哈电的试验结果与国外的试验吻合。

哈电完全自主研发了响水涧水泵水轮机，2008年10月中旬完成了预试验和国内模型预验收试验；国外最终验收试验也已于2009年6月末在瑞士洛桑国际中立试验台圆满完成。

最终验收试验项目包括：能量、空化、压力脉动、飞逸、四象限特性等全部验收项目的复核试验。

最终模型验收试验结果，水轮机工况模型最优效率92.20%，换算至原型值94.60%；水泵工况模型最优效率91.61%，对应原型最高效率93.71%，同时具有优秀的空化和压力脉动性能。

，经过哈电的模型验收试验和国外中立台的复核试验水泵水轮机水力性能参数水平满足合同要求，其综合性能指标达到世界先进水平。

4 工况转换及过渡过程计算
水泵水轮机与常规机组相比，其显著特点是工况转换较多，抽水蓄能电站运行中包含5种基本工况：静止、发电、发电方向调相、抽水、抽水方向调相；12种基本工况转换：静止至发电、发电至静止、静止至发电方向调相、发电方向调相静止、静止至抽水、抽水至静止、静止至抽水方向调相、抽水方向调相至静止、发电至发电方向调相、发电方向调相至发电、抽水至抽水方向调相、抽水方向调相至抽
水。

此外，还有两种极端转换方式，即抽水到发电的直接转换和发电到抽水的直接转换，为避免转换过程机组受到较大冲击，一般不建议采纳该方式，上述过渡工况均属于操作过程中的过渡工况，在正常情况下均是有控的，但在事故情况下，则可能出现部分是有控的，如水泵失电，导叶紧急关闭；部分是失控的，如水泵失电，导叶拒动；后两种是需要研究的过渡过程工况，机组和引水系统要靠其自身特性来维持他们的安全。

水泵水轮机的过渡过程是对系统的稳定性及危险工况进行预测，为机组及调速系统参数的选择、导叶关闭规律的优化等提供依据。

是决定抽水蓄能电站机组运行和工况转换安全稳定性的关键因素，在一定程度上将决定抽水蓄能电站的主要参数和规模。

水泵水轮机的过渡过程研究主要有以下几种工况：水轮机工况启动及增负荷、水轮机工况甩负荷、水泵工况启动和水泵工况断电。

5 机械设计
单级混流式水泵水轮机与常规的混流式机组的机械设计有较大差别，其主要影响因素是蓄能机组运行工况复杂、启停频繁，引起机组振动的因素较多，刚强度判别准则不同，同时水泵水轮机的水头/扬程和尾水位往往较高。

哈电的水泵水轮机机械设计从回龙项目（最大扬程424.7m ）开始，随后设计了白山项目(转轮直径5.134m ，得用国外的概念设计完成了韩国青松（300MW ）施工设计，在宝泉、惠州和白莲河项目技术引进之后，完成了300MW 级的蒲石河和响水涧项目的设计，其中蒲石河项目得到了国外公司的技术支持。

5.1 总体设计
混流式水泵水轮机的应用水头范围较大，目前从30m 到700m 水头段都有成功运行的机组，不同的水头段其总体布置应研究的侧重点有所不同。

但主要研究的内容为；
（1）机组的推力轴承的布置位置
立式蓄能机组通常采用悬式和半伞式结构，综合考虑电站主厂房高度、机组技术经济指标和运行稳定性以及检修维护等多方面因素确定结构型式。

推力轴承支架放置在顶盖，可以降低厂房的总高度，节约造价，但机组部件的检修不方便；中高速机组采用悬式结构可以提高机组径向机械稳定性。

（2）机组的装拆方式
机组的装拆方式主要有上拆、中拆和下拆，其各方式的特点和应用见表1，也可以将中拆和下拆方式结合起来，使机组的检修和维护更方便。

（3）底环与尾水锥管的埋入方式
底环与尾水锥管的埋入方式一般有三种方案，各种方案的优缺点比较见表2。

第一种方案：尾水管锥管、底环不埋入，锥管设自由端，可滑动；
第二种方案：底环＋锥管全埋入方案；（传统方法）
第三种方案：锥管＋底环不埋入，锥管与肘管间为刚性连接；
（4）蜗壳埋设方式的选择水泵水轮机蜗壳埋设方式通常有 3 种：直接埋入法、垫层埋入法和保压埋入法。

各种埋设方式的优缺点比较见表 3。

表3 垫层埋入法优点操作简单工地安装工期短垫层材料变形是非线性的，且可能随时间变化，不能精确地估计传给混凝土的荷载比例蜗壳埋设方式的比较保压埋入法蜗壳内水压高于保压值时，蜗壳与混凝土联合受力，工地安装周期长；需要保压设备；蜗壳内水压低于保压值时，蜗壳与混凝土之间有间隙，可能影响机组运行的稳定性。

直接埋入法操作简单工地安装工期短机运噪振小组行音动混凝土受力大，土建设计难度大缺点 5.2 主要部件设计（1）转轮转轮的设计关键主要是结构刚度、强度和动态性能，为了适当减小水推力上下止漏环的位置选择也非常重要。

哈电的结构分析采用 ANSYS 软件，同时可以建立子模型对局部应力进行分析，大大提高了应力分析精度。

转轮结构分析的主要研究内容：转轮的静应力和动应力分析；转轮动力特性及其模态计算；采用断裂力学方法的计算和分
析，对转轮部分焊透、允许缺陷评估；转轮的疲劳强度计算及疲劳寿命预估。

（2）水导轴承和主轴密封水泵水轮机导轴承为稀油润滑轴承，导轴承结构有可调整的分块瓦和筒式结构两种型式，与常规机组不同的是它需要满足两个旋转方向上有相同的特性，必须有足够的强度和刚度，能够承受水泵水轮机运行中可能出现的最大转速、转速变化和最大径向作用力。

水泵水轮机稀油润滑筒式轴承，由于要满足双向运转的要求，轴瓦的结构与常规水轮机不同，瓦面上不设斜向的上油槽，油循环一般采用毕托管上油。

稀油润滑分块瓦轴承的结构简单，调整方便，运行安全稳定，适用于各种水头下的水泵水轮机。

分块瓦轴承通常环绕轴身布置8～12 块浮动轴瓦，为满足主轴双向旋转的需要，轴瓦采用中心支顶；瓦面与轴身间间隙的调整，采用楔子板式或抗重螺丝式结构的较多，也有采用调整垫片调整的。

两种结构型式哈电均有设计、制造和运行经验。

水泵水轮机主轴密封的运行条件复杂：①水泵水轮机吸出高度较常规水轮机大，有时可达 -70m，抽水蓄能电站运行时上、下库水位变化大而且频繁，这使得主轴密封前的压力较高而且变化较大；②机组运行工况复杂，启动频繁，发电和抽水时密封腔内的介质是水；水泵压水启动和调相运行时密封腔内的介质是气；工况转换时主轴密封前的压力变化大；③机组双向旋转，而且一般主轴密封处的运行切向线速度较高
（30m/s~50m/s）；④高水头水泵水轮机要求无论机组在停机状态或运行状态，主轴密封均应投入。

为此一般要求为：应有良好的封水性和封气性，应能保证密封面在各种复杂工况变化时的良好配合；应有较大的结构刚度，以适应各种复杂工况变化时的冲击压力；密封结构应使密封副具有自补偿性；密封副材料应有良好的耐磨性，最好兼有自润滑性能；密封抗磨环表面应具有较高硬度及应可方便更换；密封副的接触面要求通清洁润滑冷却水，水压应满足封水压力较高的要求；检修密封需采用新的结构，如水压式实心橡胶密封圈等。

目前常采用的主轴密封型式主要是端面和轴面自补偿面接触密封，也有少量电站采用特殊盘根密封结构。

（3）机组轴系的稳定性蓄能机组运行特性决定了轴系的稳定性分析是确保机组稳定安全运行的关键环节，应进行分析研究的主要内容有；轴系临界转速计算分析；水泵工况、水轮机工况及过渡过程时轴系横向及轴向振动响应计算分析；轴系扭转振动的计算和分析；水导轴承刚度及油膜刚度计算和分析及其对轴系
稳定性的影响。

（4）导水机构导水机构主要包括顶盖、底环、导叶和操作机构。

其结构设计与常规的混流式水轮机比较相近，所不同的是进行刚强度和动态性能分析时所考虑的工况比较复杂：水轮机工况、静水关闭工况、紧急停机工况、升压甩负荷工况、水泵工况和零流量造压工况。

哈电通过技术引进和自行创新研究，已经掌握了系统分析在上述各工况时各部件所承受的载荷。

（5）蜗壳座环和尾水管蜗壳座环和尾水管的结构设计和刚强度分析与常规混流式水轮机相似，只是计算工况不同，特别是尾水管承受的水压力最大可能达到 70m 水柱。

考虑到水泵水轮机的运行工况转换和启停频繁，利用有限元方法对蜗壳座环和固定导叶疲劳强度计算及寿命预估。

6 辅助设备的系统集成设计抽水蓄能机组较常规机组工况转换频繁、复杂，电站设备技术关联度高、系统集成性较强，但目前国内水电站多采用主、辅机设备拆分的单一供货模式，主、辅机各设备厂家间的配合、协调工作难度较大，遗留问题较多，设备系统集成化、概念化程度较低，因此由主机设备制造厂实现电站设备系统集成设计、供货和现场调试势在必行。

由于抽水蓄能电站在电网运行中的特殊性，及其水泵水轮机的技术特点表明：尽管我国单机容量达到 700MW 级常规水轮机已经有丰富的设计、制造和运行经验，但国内的制造厂家在抽水蓄能机组方面要达到世界先进水平，还需要投入大量的人力和财力针对水泵水轮机的技术特点进行全方位科研攻关，并在更多的工程实践中快速积累经验。

此外，根据我国高水头大容量抽水蓄能项目的发展趋势，为了解决大型蓄能电站水头/扬程变幅过大问题和有效提高机组的运行效率和经济性，研究和应用机组变速技术也应为我国今后抽水蓄能电站新技术的重要研究课题之一。