常规水电站改建抽水蓄能电站的水泵水轮机研究综述

2022-12-31李晓雯

吉林水利 2022年10期

李晓雯，李骜

（华北水利水电大学，河南郑州 450000）

十四五“碳达峰”“碳中和”这一战略目标的提出,推动了清洁能源的发展，考虑到清洁能源的消纳问题，配套建设储能电站是发展清洁能源的必由之路。抽水蓄能电站历史悠久，技术成熟，相比其他储能方式在我国应用最为广泛，因此抽水蓄能电站是新能源发展的重要保障[1]。但抽水蓄能电站的建设存在成本高、建设周期长等缺点，并且受环境保护、生态红线、水源保护等限制,抽水蓄能电站的选址越来越局限。

国家抽水蓄能电站中长期规划提出抽水蓄能电站要因地制宜、创新发展，越来越多学者积极探索抽水蓄能电站发展新形式。文献[2—4]分别从优化调度、电站效益及水能利用提高率三个方面对利用梯级水库电站建设混合式抽蓄电站进行探讨。文献[5—6]探索了结合废弃矿井建设抽蓄电站的关键问题。文献[7]介绍通过加装水泵的方式将常规水电站改建为抽水蓄能电站，电站经济效益显著。

我国水电资源丰富，截至2021年底，水电装机容量约3.91亿kW（其中抽水蓄能0.36亿kW）[8]，而部分常规水电站年利用小时数低，水轮机效率低，性能指标和水能利用率都相对落后，为充分利用水电站资源，可以对常规水电站进行抽水蓄能化改造。即在原有的常规水电站的流道不变的前提下,把水轮机改造成水泵水轮机，把发电机改造成发电电动机，把原来的水库改造成上库，下游尾水渠改造成下库，将常规水电站改造成为一座能兼发电、调峰填谷、调频调相等多功能于一体的抽水蓄能电站。

考虑到常规水电站改造为抽水蓄能电站时，原水电站流道情况会对水泵水轮机的设计造成干扰，且相关研究较少。因此，开发水泵水轮机水力设计及优化技术，形成一套适用于改造后的抽水蓄能电站水泵水轮机的设计方法和优化系统非常关键。

1 常规水电站改抽水蓄能电站

1.1 优势

常规水电站改造成为一座能兼发电、调峰填谷、调频调相等多功能于一体的抽水蓄能电站，与新建抽水蓄能电站相比，具有以下优势。

1）降低成本、缩短建设周期：新建抽水蓄能电站周期长、成本高，将常规水电站进行抽水蓄能化改造可以极大的降低成本、缩短建设周期。

2）解决抽水蓄能电站选址问题：目前，受环境保护、生态红线、水源保护等限制，抽水蓄能电站勘测规划和选址费时费事。将常规水电站改为抽水蓄能电站为选址工作扩充了新的选项。

3）减少移民拆迁和生态破坏：在常规水电站的基础上建设抽水蓄能电站开挖量少，难度系数小，减少移民拆迁问题，极大的降低生态破坏。

4）提高电站枯季出力：充分利用了水资源,避免或减少了弃水,提高了电站和枯季出力，增加了电站效益。

1.2 水泵水轮机特点

常规水电站改造为抽水蓄能电站时，原水电站流道情况会对水泵水轮机的设计造成干扰,即常规水电站改抽水蓄能电站水泵水轮机的尺寸最好能与原电站流道相适应。

1）转轮：在外观形状上更接近离心泵，叶片进口安放角小、叶片流道狭长，进出口直径相比较大，常用叶片数量为6、7、9片。

2）双列叶栅：固定导叶，数量多、厚度薄、叶片长；活动导叶，由于水轮机和水泵两种工况，其导叶翼型相比水轮机头尾部几何差异较小，在满足强度要求下，叶片厚度尽可能小。

3）蜗壳：断面形状一般为圆形，相对常规水轮机，考虑到水泵水轮机在水泵工况的脱流现状，蜗壳截面较小，介于扩散与收缩之间。

4）尾水管：一般按水轮机工况设计，水泵工况优化，与水轮机尾水管设计相差不大。

5）坐环、顶盖、底环，强度要求比常规水轮机高，设计与常规水轮机没有太大差别。

2 水泵水轮机优化设计综述

常规水电站改抽水蓄能电站水泵水轮机受轴面尺寸的限制，对水泵水轮机水力设计提出了更高的要求，转轮、蜗壳、尾水管作为水泵轮机的核心部件，直接影响了水泵水轮机的综合性能。

2.1 水泵水轮机转轮的优化设计现状

文献[9]提出了一种全三维逆向设计方法，文献[10]基于此方法，完成某一中高水头水泵水轮机转轮的设计。Kerschberger等[11]在该方法的基础上,辅以数值计算证实了该设计转轮的优良性能。有学者整合了三维逆问题设计、CFD计算等方法，设计出一套水泵水轮机多目标优化系统，并对优化后转轮进行了实验测试和数值模拟计算分析，结果表明，转轮效率、空化性能和压力脉动性能都得到了不同程度的提升，大大提高了的转轮性能[12-13]。文献[14]首先从水泵工况设计出叶型,然后对水泵工况下设计的叶型进行优化,以无限接近水轮机工况下设计的叶型,实现了叶型设计和转轮双向流动流场求解的同时进行，便于在线优化设计水泵水轮机转轮。文献[15—16]对长短型叶片水泵水轮机的流动特性及优化展开研究，结果表明,相比常规水泵水轮机，其能量特性及水力稳定性都得到了提高，且当长叶片骨线出口边直径与短叶片骨线出口边直径比例为2/3，转轮性能最优，为水泵水轮机的水力设计提供一定的参考。

2.2 水泵水轮机蜗壳的优化设计现状

1985年，文献[17]提出按水泵设计要求对蜗壳进行设计，然后按水轮机的设计参数来校核，得到的蜗壳型线与日本进口的同规格水泵水轮机的蜗壳型线完全一致；2003年，文献[18]提出将圆形蜗壳改进为椭圆形蜗壳的新型蜗壳设计方法；2009年，文献[19]从水轮机全蜗壳的常规水力设计方法出发对非圆形断面的蜗壳设计进行完善分析。2012年，文献[20]基于蜗壳出流等环量，设计了轴对称出流的蜗壳；2019年，文献[21]提出基于蛋形耐压壳仿生技术的D型截面的蜗壳设计方法（D型蜗壳）；2020年，文献[22]分析对比了按水轮机设计、按水泵设计的蜗壳和基于蛋形耐压壳仿生技术设计的三种蜗壳，为在不同工况下研究蜗壳性能奠定了基础。

2002年，文献[23]基于N-S方程对混流式水轮机蜗壳内部是否带有固定导叶两种情形下的三维不可压粘性定常流场展开详细讨论。同时，针对新建电站与老电站提出了不同的蜗壳优化方式；2005年，毛根海等[24]分析和探讨了导叶不同步装置在水泵水轮机甩负荷工况运行时降低蜗壳进口压力的机理；2008—2012年，文献[25—27]分别对回龙、白山、蒲石河抽水蓄能电站的水泵水轮机蜗壳座环的设计开展了研究；2012年，文献[28—29]选取变速度矩系数为设计变量,同时以蜗壳水力损失最小为目标函数建立数学模型进行水轮机蜗壳的优化设计；2020年，文献[30]基于逆向流动思维将基本理论与数值模拟相结合对蜗壳进行优化设计。

2.3 水泵水轮机尾水管的优化设计现状

2003年，文献[31]介绍了回龙抽水蓄能电站水泵水轮机尾水管的结构设计。2015年，李言龙[32]等研究分析了荒沟抽水蓄能电站水泵水轮机转轮特性对尾水管最小瞬态压力的影响。2017年，丁景焕[33]等基于机组安全性考虑，对比分析了某电站机组尾水管进口同一高程不同测点的压力值，提出多个测点设置比单一测点更加准确。2019年，李怡心[34]等基于两相流计算方法展开水泵水轮机尾水管空化性能研究，得出涡带产生与转轮出口圆周速度分量息息相关，并分析了两者的关系。2021年，武文强[35]等对比分析了采用抑涡槽和采用导流隔板对尾水管压力脉动的改善。