抽水蓄能电站水泵水轮机吸出高度选择

第 卷 第 期 年 月 水 电 站 机 电 技 术 抽水蓄能电站水泵水轮机吸出高度选择 周跃武 中南勘测设计研究院 , 湖南 长沙 摘 要 水泵水轮机吸 出高度的合理 选择 , 对节约工 程投资 、 保证 机组 安全 、 稳定运 行等具有重要 意义 。 文章主要从 水泵水轮机的空蚀 限制条件 、 影响水泵水轮机空化性能的主要 因素等方面入 手 , 结合漂 阳抽水 蓄能电站实例 , 对抽水 蓄能电站水泵水轮机吸 出高度选择进行简单 。 关键词 水泵水轮机 空化性能 吸 出高度 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 概述 我国大型抽水蓄能电站建设大致可分为三个阶 段 , 第一阶段 以 世纪 年代末开始兴建 的广蓄 一期 、 十三陵 、天荒坪到近期正在建设 的西龙池 、 张 河湾电站为代 , 其机组及配套设备均通过国际公 开招标 , 由国外制造商负责设计 、制造 、 供货 、督导安 装和调试 第二阶段为消化过渡时期 , 年开始 , 由广东惠州 、 河南宝泉和湖北 白莲河三座大型抽水 蓄能电站共 台套机组 , 组成 的国际打捆招标 , 国 内厂家逐步引进抽水蓄能电站机组设备设计和制造 技术 。 并通过蒲石河 、 黑糜峰 、 深圳 、 呼和浩特等 座蓄能电站机组设备作为国产化后续工作的依托项 目 , 哈电和东电将逐步掌握 、 吸收蓄能机组技术 , 为 国内厂家将来立足于独立设计和制造大型抽水蓄能 机组创造了条件 第三个阶段 , 将以哈电和东电和国 内有条件的合资厂 为主 , 实现蓄能 电站机组设备的 完全 国产化 。 由于我 国抽水蓄能电站 的建设起步较晚 , 国内 制造厂对可逆式机组 的研发及设计 、 制造技术 尚未 成熟 , 对机组吸出高度 的选择也处于不断 的摸索之 中 。 对于国外有 能力生产可逆式机组 的制造厂来 说 , 各厂之间技术的特点也不尽相同 , 根据其水力设 计 、 结构设计等方面的差别 , 水泵水轮机空化性能也 有所差别 。 我们知道 , 水泵水轮机参数的合理选择 , 对节约工程投资 、 提高电站效益以及将来安全 、稳定 运行均具有重要 意义 。 吸出高度 的选择 , 将直接影 响到整个地下厂房枢纽建筑物的布置 。 抽水蓄能电 站建设的前期工作 , 往往是在没有确定机组厂家的 情况下 , 地下厂房枢纽的布置要基本确定 , 地质勘探 要达到相应的深度 。 因此 , 在前期设计阶段尤其是 可行性研究阶段 , 机组 吸出高度的选择显得尤为重 要 。 对于每个电站的地理条件 、技术参数的不同 , 机 组吸出高度也差别较大 。 因此 , 机组吸 出高度的选 择 , 要权衡各方面因素综合考虑 , 既要保证机组将来 能安全稳定运行 , 留有一定的空蚀余量 , 又不致使厂 房开挖过深 , 增加土建工程量和进厂交通洞 、施工支 洞的施工布置难度 。 吸出高度的选择既要考虑到当 前水泵水轮机发展 的趋势 , 又要结合 目前水泵水轮 机的现实水平 既要考虑到电站投资和经济效益 , 又 要考虑到机组运行的安全稳定 。 水泵水轮机的空蚀 限制条件 水力机械首先发生空蚀的部位一是沿叶型表面 上的低压区 , 一是叶片头部 与水流发生撞击后 的脱 流区 。 水泵水轮机水泵工况时 , 进 口 撞击和低压 区 都发生在叶片进 口 处 , 因此水流的动压降较大 , 空化 性能较差 而水轮机工况水流撞击多发生在叶片进 口 边 , 叶片低压区发生在 出 口 附近 , 两者不重迭 , 因 此水流动压降比较缓和 , 空化性能较好 。 另外 , 从水力机械空化系数的定义上亦可分析 在两种工况空化性能上的差别 。 水泵工况空化系数 定义为 △ ‘ 一万 诸一抢△“一几 云 而 收稿 日期 一 一 作者简介 周跃武 一 , 男 , 高级工程师 , 从事抽水蓄能电站技术 和管理工作 。 第 期 周跃武 抽水蓄能电站水泵水轮机吸 出高度选择 式中 △ —空蚀裕量 , 或 叫空 蚀净 正 吸上水 头 , 国 外通称 久, —水流绕流 叶片 的动 压降系数 , 或称 叶栅 空蚀系数 几 —水流进人叶片以前的综合压降系数 。 水轮机工况空化系数可定义为 雏 , 式中认 —叶栅空蚀系数卒 —尾水管恢复系数根据一般研究和试验成果 , 离心水泵的 又, 值一 般为 。 。 从 值一般为 一 混 流式水轮 机的 又值在 · 一 之 间 , , 值一般为 一 。 因此从以上两式可 以看出 , 如果水泵的进 口相 对流速 , 和绝对流速 珑 相等 , 则水泵 的空化系数 将 比水轮机的高出很 多 , 尤其对于高 比转速水泵水 轮机 。 因此 , 水泵工况空化过程是水泵水轮机空 化 与空蚀特性的关键 , 是影 响转轮叶片设计和机组选 型 的重要因素 , 通常将水泵工况 的空化特性作为其 限制条件 。 影响水泵水轮机空化性能的主要因素 比转速对水泵水轮机空化性能的影响 比转速是现代水力机械专业 中使用很广泛的水 力参数 , 它代表 了水力机组 的综合特性 。 虽然水泵 工况和水轮机工况所使用的比转速表达方式有所不 同 , 但无论哪种工况 , 一般来说其运行水头越高 , 其 比转速则越小 。 对于相同运行水头的水泵水轮机来 说 , 其比转速越高 , 则其同步转速也越高 对于相 同 尺寸的水泵水轮机来说 , 其比转速越高 , 则其转速越 高 , 或其流量越大 , 或者是两者兼有 总的来说水 泵 水轮机 比转速越高 , 其转速也越高 。 从能量角度分析 , 水泵水轮机在水 流能量 与机 械能之间相互转化 的过程 中 , 以采用较高的 比转速 为好 。 但是 , 对于相 同运行水头和功率的水泵水轮 机来说 , 随着 比转速的增加 , 水泵水轮机尺寸随之减 小 , 其转速则随之增加 。 水力机械空蚀破坏 的程度 一般认为与其流速的 次方成正 比 , 也就是说随着 比转速的增加 , 其空化系数也 随之增加 。 在 已运行 的机组上曾有大量的实际观测资料可供分析比转速 与空蚀破坏间的关系 。 曾有实例可提供数量上的概 念 安装在南斯拉夫的巴斯塔 可逆式水泵 水轮机 , , 基本上是安装 在 日本 的大平水 泵水轮机 的复制 品 , , 。 两种机 组是水力相似的 , 但是前者的转速 比后者高 , 大 平机组在运行了数千小时后空蚀不严重 , 但是 巴斯 塔机组在运行同样时间后空蚀相当厉害 , 如按 的 次方计算 , 后 者 的空蚀损伤应 约为前者 的 倍 , 实际观测大致证实了这种损伤的相对程度 。 因此 , 对于较高运行水头的蓄能电站来说 , 采用 较高比转速的水泵水轮机 , 既要保证机组 的机械强 度条件 , 又需要更大 的淹没深度 以换取 良好 的空化 性能 。 水头及其变幅对水泵水轮机空化性能的影响 对于不 同比转速的水泵水轮机来说 , 总的倾 向 是运行水头较高的水泵水轮机 受 到 的空蚀 强度较 大 。 对于水头较高的水泵水轮机 , 因为空蚀 的浸蚀 趋势很强烈 , 现在公认空蚀 破坏程度 与水 头 的 , 次方成 比例 , 并要求机组在运行 中完全不发生 空化 。 对于 同一水泵水轮机来说 , 其偏离最优工况越 远 , 其受 到 的空蚀强度越 大 。 在 高扬程 、 小流量工 况 , 大多数流线处为较大的正冲角 , 在叶片吸力面的 负压区易产生空蚀 在低扬程 、 大流量工况 , 叶片压 力面负冲角较大 , 易出现脱流现象 , 进而导致叶片压 力面的空蚀 。 一般对于水头变化幅度较大 的电站 , 空化系数也相应较大 , 以较低的安装高程才能满足 在低扬程及高扬程工况运行时完全不发生空化 。 因 此 , 水头变幅较大 , 其吸出高度值也相应加大才能满 足条件 。 其它因素 水泵工况时叶片进 口边的形状对空化的发生也 有很大影响 , 叶片形状上微小 的差别可 以造成空化 特性很大的变化 。 但随着计算机技术 的高速发展 , 以及 技术在水泵水轮机设计方面的成熟应用 , 设备制造工艺 、加工手段的不断进步 , 这些因素的影 响完全可以减小到最小程度 。 另外 , 材料对水泵水 轮机空化性能也有一定影 响 , 抗空蚀材料应具有韧 性强 、 硬度高 、 抗拉力强 、 疲劳极 限高 、 应变硬化好 、 晶格细 、好的可焊性等综合性能 。 一般来说 , 采用 以 镍路合金为基础的不锈钢材料 , 具有较好 的抗空蚀 性能 。 漂阳 电站水泵水轮机吸 出高度选择 按统计经验公式分析 有些研究者根据统计资料对水泵工况空化系数 谜一眼 水 电 站 机 电 技 术 第 卷 提出一种经验计算公式 , 将空化系数表示为 比转速 的函数 叮。 一 , ‘ 美国垦 务局 的斯蒂尔策 建议对 临界空 化 系数用 一 , 初生空 化 系数用 一 奥地利克莱恩 建议对电站空化系数取 一 。 另外 , 国外制造厂通过统计在运行中的各 种蓄能机组 , 也出了比速系数 值与电站吸出 高度 的经验公式 。 根据各种统计经验公式计算 得出其相应的空化系数和吸出高度值 , 见表 。 表 用统计公式计算空蚀 系数和吸 出高度汇总表 。 , , · , , , · 公 式 来 源 统 计 公 式 — 口 口 北京院 口 一 。冈 一 一 东芝公 司 美 美 斯捷潘诺夫 苏 克莱恩 奥地利 , 一 州 一 一 口 · 临界 , 初生 一 一 一 一 一 。 ‘ 刀 , 网 一 一 外 叩‘ 一 一 注 , 二 一 。 。 、 设备制造厂统计分析 本 阶段 , 我们与国外几大可逆式机组制造厂进 行了广泛的技术咨询与交流 , 就机组吸出高度问 , 各家均提出了初步建议值 , 各制造厂商提供的初步 处于 一 一 一 之间 。 , · 〕之台 巴良 八月如 好 切 冲 知相“ 阵 犷卜 位 八比。洲 幽幽 , ” 『‘ ,“于沙 」 二 ,,,, 厂厂 喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻 彩彩井州州口口口 ‘ 。盯丫 , 一目臼 匕 七 丫丫丫 ”, 阅 、‘ 吧 ,“ 旧 ,,,, 了了 劣劣劣晰 即口 节 日甲 匕吃‘〕 忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠忠瓢 。 卜卜洲洲 “ , ,’ ‘‘。 一一一一一 口口口口口 ︵又登‘己互︸一芝归︶耳 ﹀︸︹﹃止,︸内,二妞老,,心‘, 二 爪 行 伴酬 一 、 了 户 日 洲 弓几 了 日介 旧 图 电站空化系数与水泵 比转速统计关系 公 司提供 另外 旧 立公 司根据多年的水泵水轮机设计制 造经验 , 将已建成的主要 电站实际淹没深度对应 的 空化系数及相应水泵 比转速作 了统计分析 , 提 出最 小空化系数的限制范围 , 并推荐漂 阳电站可选两种 不同转速方案合适 的空化系数 , 见 图 。 图中横坐 标为水泵最小扬程下水泵 比转速 最大 比转速 , 纵 坐标 为 水 泵 最 大 扬 程 下 空 化 系 数 最 小 空 化 系 数 。 类似电站分析 基于 比转速与空化系数的统计关系 , 根据统计 公式可以看出 , 最大吸出高度计算值一般发生在最 大扬程或最小扬程工况 , 以最小扬程工况较多 。 因 此以最小扬程进行统计 比较 , 具有一定的代表意义 和参考价值 。 下面列出了国内外已建及在建电站与 漂阳电站相近水头段的扬程范围 、最小扬程 比转速 、 吸出高度用统计公式计算及 电站实际取值 , 结果见 表 。 从表 可 以看 出 , 国内外近期 已建及在建电站 空化系数 值 , 处在 一 之间 , 早期建成的 吉原 、腊孔山电站按统计公式计算偏差较大 , 电站实 际 值分别为 和 。 综合分析统计公式计算 、类似电站吸出高度取 值以及部分厂家提供的初步方案 , 为使机组有足够 的淹没深度 , 保证机组安全稳定运行 , 制造厂商提供 的初步方案则处于 一 一 一 之间 , 电站 值取 左右比较合适 , 相应最小扬程下空化系数 为 , 吸出高度值为一 。 第 期 周跃武 抽水蓄能电站水泵水轮机吸出高度选择 表 类似电站空化 系数及吸出高度 统计公式计算值 电站实际取值 电站名 运行年 扬程范围 最低扬程 比转速 口口 。 口。 吉原 日本 一 一,八 腊孔 美 一 一 明湖 台湾 一 一 金谷 德国 一 一 桐柏 在建 , , 一 一 张河湾 在建 一 一 白莲河 在建 一 一 黑康峰 在建 一 一 漂 阳 注 ①统计公式 。 一 一 “ , , 按初生空化系数 二 计算 一 一 ② 一 。 · , 认 。 结论及建议 对水泵水轮机而言 , 水泵工况 的空化性能 比水 轮机工况差 , 在高扬程 、 小流量 区域 , 叶片 的背面负 压区容易出现气泡产 生空化 在低扬程 、 大流量 区 域 , 叶片的正面正压 区容易 出现气泡产生空化 。 水 泵工况的空化系数一般 比较大 , 且水泵工况 比转速 增高使转轮空化性能下降 。 特别是高水头水泵水轮 机其空化的侵蚀趋势发展很快 , 应确保水泵水轮机 在整个运行范围 包括频率变化 不发生空化 , 在设 计中须 留有足够的淹没深度 。 一般电站的吸出高度是 由最高扬程下的电站空 化系数确定 。 但对下库水位变 幅很小 的电站 , 对 吸 出高度的选择不利 , 电站 的吸 出高度可能 由最小扬 程下的电站空化特性确定 , 这应引起设计的重视 。 国内外一些科研机构和制造厂根据 已建电站设 计和运行数据做了统计 , 并做了回归统计公式 , 可应 用到电站吸出高度选择计算上 , 计算结果应 留有一 定裕度 。 同时应利用国内已完成模型试验的相似水 头段水泵水轮机模型 空化系数 , 进行新建蓄能 电站 水泵水轮机最 高扬程 和最小扬 程下 的埋深 复核计 算 。 若抽水蓄能电站厂房为地下厂房 , 考虑 吸出高 度增加其经济性不敏感 , 裕度可相对 留大一些 。 对于水头 扬程 变幅范围较大 的电站 , 水泵水 轮机在低扬程大流量工况或高扬程小流量工况运行 时 , 往往偏离最优运行工况较多 , 应 留有足够的空蚀 余量 。 水泵水轮机在上下库之间工作 , 机组运行时其 上下库水位处于不断的变化之 中 , 因此在不 同运行 工况下 , 吸出高度与工作水头间的关系也是变化的 。 对于不 同地理条件的抽水蓄能 电站来说 , 水泵水轮 机吸出高度的选择应有一定 的区别 , 与其下水库库 盆大小和消落深度有一定关 系 。 正常运行时 , 在水 泵最大扬程 时 , 下库水位往往 处 于最低水位 死水 位 在水泵最小扬程 时 , 下库水位往往处于最高水 位 正常蓄水位 。 对 于下水库库盆较大 、 消落深度 较小的电站 , 在最大扬程 相应下库为死水位 工况 满足机组淹没深度要求的同时 , 应充分考虑最小扬 程 相应下库为正常蓄水位 工况机组淹没深度的要 求 对于下水库库盆较小 、 消落深度较大的电站 , 在 最小扬程 相应下库为正常蓄水位 工况满足机组淹 没深度要求 的同时 , 应充分考虑最大扬程 相应下库 为死水位 工况机组淹没深度的要求 。 参考文献 〔 〕 陆佑循 , 潘 家铮 抽水蓄 能 电站 〔 〕 水利 电 力 出版 社 , 〔 〕 梅祖 彦 抽 水 蓄 能发 电技 术 〔 〕 机械 工 业 出版社 , 〔 〕 刘 大 恺 水轮机 〔 〕 第三 版 中国 水 利 水 电 出 版社 , 邑 , , , 一 , , , 一 一 , , 一 , 一 , , , , 一 一 , , , 一 , , , , , 一 奴 , 一 , , , 分 , 一 一 ‘ , , , , , , 一 ‘