毛秀丽，陆家豪，刘宝熙，王 博

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710000)

国家“十三五”规划中，在能源和电力规划方面强调加快抽水蓄能电站建设，到2020年我国抽水蓄能电站建设规模将超过7 000万kW[1-2]。当前阶段，抽水蓄能电站在电力系统中以保障电网安全稳定为主要功能，同时发挥调峰填谷、提供消纳新能源储能等综合功能[3-4]。基于目前水泵水轮机向大容量、高水头、高转速发展，国内外抽水蓄能电站普遍采用可逆式水泵水轮机[5-6](见图1)，据统计现有抽水蓄能电站配置可逆式机组承担电力超过740万kW[7]。

可逆式机组包含水泵水轮机和电动发电机，其中水泵水轮机需要根据电网需求工作在抽水工况和发电工况(水泵和水轮机工况下转轮旋转方向正好相反)。水泵水轮机常见的型式有混流式、斜流式和贯流式，各自适用水头/扬程范围有所不同。混流式作为应用最为广泛的水泵水轮机机型，其与斜流式常用于大中型抽水蓄能电站[8-9]，而贯流式在潮汐能电站中常见。除设计型水泵水轮机外，实际工程中部分泵站机组诸如离心泵、轴流泵等反转运行，这类水泵水轮机应用并不广泛，但却有重要的科学研究意义[10-11]。

1-上水库，2-引水道，3-上游调压室，4-压力管道，5-蜗壳，6-水泵水轮机，7-尾水管，8-尾水调压室，9-尾水道，10-下水库

水泵水轮机系统由于启停机频繁，诸如大幅度增减负荷、事故甩负荷、以及发电转调相等工况转换过程多变复杂[12-13]，当下几乎投运的所有抽水蓄能电站机组均存在不同程度的噪声、振动、部件使用寿命达不到设计标准等各类动力学问题[14-15]。现有水泵水轮机在典型工况及过渡过程阶段运行时，出现压力脉动、振动异常、摆度超标、抬机、扫膛等现象屡见不鲜，主要原因可归结于机组内流场的瞬态特性[16-17]。为了满足电力系统负荷调度的支配，水泵水轮机需要能够在四象限的全特性范围瞬态过程运行并频繁切换。系统在瞬态工况切换过渡过程极易出现以多重耦合方式传输和转换瞬态能量，引起系统出力和转速的强烈摆动，触发水、机和电的强烈耦合，导致机组不能及时并网运行[12-13]。

1 国内外研究现状

抽水蓄能技术的发展响应世界各国能源战略，特别是为传统能源与新能源的协调与智能发展保驾护航[7,18-19]。国内外学者针对抽水蓄能电站稳定运行开展了一系列的相关研究[20-22]，主要目的在于针对系统的稳定性及危险工况能够进行预测，从而为管道结构布置、机组设计参数选择，机组导叶关闭规律优化，调节系统参数选择，减弱触发水、机和电强烈耦合影响的措施，以及应对系统出力和转速强烈摆动等提供一定的依据[23-24]。对于抽水蓄能电站水力过渡过程数值仿真计算主要是一维特征线法为基础的研究，其基本理论是水击基本连续方程与运动方程以及特征线法，结合引水发电系统的各部件数学模型及边界条件，对大波动过渡过程、小波动过渡过程以及水力干扰过渡过程进行分析与计算。这一计算理论能够从一定程度上满足常规电站水力机械过渡过程的需要，并得到各调保参数，以及验证过渡过程能否安全和平稳地进行[12,25]。此外，由于特性曲线难以用数学方程精确地表达且方程个数较多，常用的求解方法是假定待求工况点在特性曲线上某一段折线内，将折线段方程代入机组其它方程中[26]。目前对水泵水轮机内流场稳定性研究主要方向可大致分为以下两类:

1.1 水泵水轮机内流场演变研究

(1) 求解方法：水泵水轮机内流场求解常用SA、k-ε和k-ω两方程模型、SST、LES及DES等湍流模型，上述模型基于各自优缺点适用范围不同[27-29]。DES 模型能够对于 LES计算足够精细的区域切换到亚格子尺度公式，而对于靠近边界区域与湍流长度尺度小于最大网格尺寸的区域，均和RANS模型处理方式相同，从而DES模型被广泛的用于求解水力机械复杂流场[29-31]。基于水泵水轮机实况研究问题对CFD流场求解湍流模型进行改进，形象描绘流体流动特征及发展规律是水力机械行业的重点研究方向[32-33]。此外，针对流体水质引入多相流模型、可压缩流体模型、空化模型、转捩模型等对流道内空腔生成、发展、溃灭以及反水击等现象探讨，得到运用上述综合模型数值模拟误差小于纯粹性流场求解计算结果误差，从而更好的反映内流道结构[4,15]。同时诸如动网格技术、遗传算法、人工神经元网络的应用进一步提升了数值模拟的真实性[34-35]，其中图2为网格壁面滑行技术在某水泵水轮机甩负荷过程中的应用。

(2)工况研究：水泵水轮机稳态工况包含抽水工况及发电工况，其相当于常规水泵、水轮机运行，机组稳态内流场不会引起系统的外部不稳定现象。然而，对于单机组诸如启停机、甩负荷、增减负荷、发电转调相、水泵突然断电等暂态工况则极易导致系统运行安全问题[36-38]。水泵水轮机在典型工况过渡过程区运行时，内部瞬态流场是导致系统出现不稳定现象的直接原因[39-40]。基于数值模拟、实验辅助及理论分析相结合的研究方式，探索水泵水轮机“S”特性区、驼峰区内流瞬态特性广受国内外学者关注[41-42]。提取诸如湍流强度、涡流尺度、压力、流量、出力等特征信号，并结合流动分离、动静干涉、工况变迁回流、叶间旋流等流场现象，以表征水泵水轮机内流运动特征和演变规律[43],图3所示即为某水泵水轮机甩负荷过程出水管道流态变化历程[44]。上述成果不仅对流体动力学应用型研究意义重大，而且具有较高的理论价值和实践指导意义。

图2 网格壁面滑移技术在某水泵水轮机甩负荷过程应用中网格质量[35]

图3 某水泵水轮机甩负荷过程出水管道流态变化历程[44](黑色大箭头表示流向，A区间为相反流向水流形成的空流区域)

1.2 水泵水轮机内流对系统外特性的影响

水泵水轮机非稳态流场对系统外特性的影响主要表现为振动和噪声两个方面，由于条件限制，该方面研究相对较少。

(1) 振动方面。研究方法主要为数值模拟与实验数据或现场实测结果相结合，运用自适应滤波函数等方法处理诸如轴承、轴振动类采集信号，从而分析内流变化对机组结构的影响,并以此为依据优化水泵水轮机设计结构以改善系统不稳定性[45-47]。基于水动力学理论与结构振动理论，经由时、频域提炼分析特征参量，探讨流场参量脉动主频与各过流部件固有频率的关联性，尽可能避免出现抬机、扫膛等事故[13,24]。混沌理论的引入建立了系列控制模型，机组与轴系，水锤影响与电机非线性特征，全局敏感性分析及结构振动不确定因素影响[48-50]，上述非线性模型为工况切换过渡过程引起的水、机电强烈耦合效应全局性研究奠定了基础，然而其实际应用性及普适性有待进一步研究。此外，结合预开导叶方式、变速控制模式、机组调节系统优化等的研究，从工程角度不同程度的提高了水泵水轮机运行稳定性，然而该方面的研究深度有待加强，需要进一步探索[51-53]。尤其对于工况切换过渡过程引起的水、机电强烈耦合激振，暂时未有较好的全局应对措施。

(2) 噪声方面。目前对于水力机械噪声方面的探讨较为罕见，主要原因是实际电站噪声影响因素繁多且无法定性计算[54]。现有噪声研究集中于流动诱导噪声，且主要研究方法为假设边界封闭前提的声场模拟[55-56]。相关学者针对水力机械流动诱导噪声开展了系列性研究，均在定导叶工况下分析给出了声场与流场相关参量之间初步关联性[57-59]。对于水泵水轮机瞬态过程流动诱导噪声目前鲜见相关成果发表，先前阶段作者对比分析某水泵水轮机持续甩负荷过程与各定导叶工况流动诱导噪声特性，图4为其在一阶二阶叶频下噪声指向性分布[44]。上述局限于流动诱导噪声的研究工作为后续机组噪声相关研究奠定了一定的基础。

综上所述，近年来水泵水轮机工况切换过渡过程及系统运行稳定性研究已成为国际上研究的热点。但是由于机组内流场瞬态特性和水、机与电之间相互干扰的复杂性，目前对水泵水轮机有效的分析方法和机理研究有一些初步成果，但未形成内流演变特征与机架振动、轴承摆度及水压脉动等系统不稳定性之间的理论机制。由于条件与现有技术的限制，相关试验研究较少。主要存在的不足可概括为以下两个方面：

(1) 针对抽水蓄能电站水泵水轮机内流场进行了数值计算，但注重于机组段，少有对从上水库至下水库包含机组段的全流道水动力学问题进行分析，机组运行在瞬态过程不稳定流场演变机理亟待深入研究。

(2) 针对水泵水轮机运行稳定性问题进行了分析，但侧重于某些典型工况，对于工况切换过程引起的系统外特性研究偏少，且未形成指导方案设计理论，以及内流场和系统协同性之间的明确关系。

图4 一阶二阶叶频下某水泵水轮机甩负荷过程噪声指向性分布[44]

2 展 望

对水泵水轮机典型工况切换过程内流瞬态特性进行研究，不仅能够提高电站运行稳定性和供电质量，而且有助于提升电力系统安全、环保和经济运行水平，更是高效利用清洁能源和电网系统协调智能发展的需要。然而对于水泵水轮机瞬态过程诱发稳定性问题少有相关理论方面的研究，难以从理论上对事故、故障现象做出解释[23,60]。同时由于缺乏理论上的指导，对待抽水蓄能电站发生事故、故障现象全凭经验处置，一方面盲目性大，另一方面也会诱发人为的二次故障或事故[61-62]。因此，对水泵水轮机典型工况切换过程内流不稳定机理进行研究，不仅是学科发展的需要，亦对解决工程实际问题具有重要的指导意义。

基于工程实况需求与学科发展需要，针对水泵水轮机典型工况切换过渡过程，综合水力动力学和机组多工况运行设计等理论，需要进一步深入研究机组内流发展。诸如: (1) 探究流场特征参数间的本质规律和相互联系以描述内流演变规律，并揭示机组瞬态过程不稳定性动力学机理；(2) 分析内流场湍流结构特征对机组外特性产生的影响，尝试建立流场特征与系统外部运行指标之间非线性混杂概率模型；(3) 实现抽水蓄能电站出力和转速摆动，水、机和电耦合等不良现象的预防和预测计算等研究，不仅具有重要理论价值的科学探索，并具有重大的工程实际意义。