常規(guī)水電站改建抽水蓄能電站的水泵水輪機研究綜述

李曉雯，李 驁

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

十四五“碳達峰”“碳中和”這一戰(zhàn)略目標的提出,推動了清潔能源的發(fā)展，考慮到清潔能源的消納問題，配套建設(shè)儲能電站是發(fā)展清潔能源的必由之路。抽水蓄能電站歷史悠久，技術(shù)成熟，相比其他儲能方式在我國應(yīng)用最為廣泛，因此抽水蓄能電站是新能源發(fā)展的重要保障[1]。但抽水蓄能電站的建設(shè)存在成本高、建設(shè)周期長等缺點，并且受環(huán)境保護、生態(tài)紅線、水源保護等限制,抽水蓄能電站的選址越來越局限。

國家抽水蓄能電站中長期規(guī)劃提出抽水蓄能電站要因地制宜、創(chuàng)新發(fā)展，越來越多學(xué)者積極探索抽水蓄能電站發(fā)展新形式。文獻[2—4]分別從優(yōu)化調(diào)度、電站效益及水能利用提高率三個方面對利用梯級水庫電站建設(shè)混合式抽蓄電站進行探討。文獻[5—6]探索了結(jié)合廢棄礦井建設(shè)抽蓄電站的關(guān)鍵問題。文獻[7]介紹通過加裝水泵的方式將常規(guī)水電站改建為抽水蓄能電站，電站經(jīng)濟效益顯著。

我國水電資源豐富，截至2021年底，水電裝機容量約3.91億kW（其中抽水蓄能0.36億kW）[8]，而部分常規(guī)水電站年利用小時數(shù)低，水輪機效率低，性能指標和水能利用率都相對落后，為充分利用水電站資源，可以對常規(guī)水電站進行抽水蓄能化改造。即在原有的常規(guī)水電站的流道不變的前提下,把水輪機改造成水泵水輪機，把發(fā)電機改造成發(fā)電電動機，把原來的水庫改造成上庫，下游尾水渠改造成下庫，將常規(guī)水電站改造成為一座能兼發(fā)電、調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等多功能于一體的抽水蓄能電站。

考慮到常規(guī)水電站改造為抽水蓄能電站時，原水電站流道情況會對水泵水輪機的設(shè)計造成干擾，且相關(guān)研究較少。因此，開發(fā)水泵水輪機水力設(shè)計及優(yōu)化技術(shù)，形成一套適用于改造后的抽水蓄能電站水泵水輪機的設(shè)計方法和優(yōu)化系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

1 常規(guī)水電站改抽水蓄能電站

1.1 優(yōu)勢

常規(guī)水電站改造成為一座能兼發(fā)電、調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等多功能于一體的抽水蓄能電站，與新建抽水蓄能電站相比，具有以下優(yōu)勢。

1）降低成本、縮短建設(shè)周期：新建抽水蓄能電站周期長、成本高，將常規(guī)水電站進行抽水蓄能化改造可以極大的降低成本、縮短建設(shè)周期。

2）解決抽水蓄能電站選址問題：目前，受環(huán)境保護、生態(tài)紅線、水源保護等限制，抽水蓄能電站勘測規(guī)劃和選址費時費事。將常規(guī)水電站改為抽水蓄能電站為選址工作擴充了新的選項。

3）減少移民拆遷和生態(tài)破壞：在常規(guī)水電站的基礎(chǔ)上建設(shè)抽水蓄能電站開挖量少，難度系數(shù)小，減少移民拆遷問題，極大的降低生態(tài)破壞。

4）提高電站枯季出力：充分利用了水資源,避免或減少了棄水,提高了電站和枯季出力，增加了電站效益。

1.2 水泵水輪機特點

常規(guī)水電站改造為抽水蓄能電站時，原水電站流道情況會對水泵水輪機的設(shè)計造成干擾,即常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的尺寸最好能與原電站流道相適應(yīng)。

1）轉(zhuǎn)輪：在外觀形狀上更接近離心泵，葉片進口安放角小、葉片流道狹長，進出口直徑相比較大，常用葉片數(shù)量為6、7、9片。

2）雙列葉柵：固定導(dǎo)葉，數(shù)量多、厚度薄、葉片長；活動導(dǎo)葉，由于水輪機和水泵兩種工況，其導(dǎo)葉翼型相比水輪機頭尾部幾何差異較小，在滿足強度要求下，葉片厚度盡可能小。

3）蝸殼：斷面形狀一般為圓形，相對常規(guī)水輪機，考慮到水泵水輪機在水泵工況的脫流現(xiàn)狀，蝸殼截面較小，介于擴散與收縮之間。

4）尾水管：一般按水輪機工況設(shè)計，水泵工況優(yōu)化，與水輪機尾水管設(shè)計相差不大。

5）坐環(huán)、頂蓋、底環(huán)，強度要求比常規(guī)水輪機高，設(shè)計與常規(guī)水輪機沒有太大差別。

2 水泵水輪機優(yōu)化設(shè)計綜述

常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機受軸面尺寸的限制，對水泵水輪機水力設(shè)計提出了更高的要求，轉(zhuǎn)輪、蝸殼、尾水管作為水泵輪機的核心部件，直接影響了水泵水輪機的綜合性能。

2.1 水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀

文獻[9]提出了一種全三維逆向設(shè)計方法，文獻[10]基于此方法，完成某一中高水頭水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的設(shè)計。Kerschberger等[11]在該方法的基礎(chǔ)上,輔以數(shù)值計算證實了該設(shè)計轉(zhuǎn)輪的優(yōu)良性能。有學(xué)者整合了三維逆問題設(shè)計、CFD計算等方法，設(shè)計出一套水泵水輪機多目標優(yōu)化系統(tǒng)，并對優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪進行了實驗測試和數(shù)值模擬計算分析，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪效率、空化性能和壓力脈動性能都得到了不同程度的提升，大大提高了的轉(zhuǎn)輪性能[12-13]。文獻[14]首先從水泵工況設(shè)計出葉型,然后對水泵工況下設(shè)計的葉型進行優(yōu)化,以無限接近水輪機工況下設(shè)計的葉型,實現(xiàn)了葉型設(shè)計和轉(zhuǎn)輪雙向流動流場求解的同時進行，便于在線優(yōu)化設(shè)計水泵水輪機轉(zhuǎn)輪。文獻[15—16]對長短型葉片水泵水輪機的流動特性及優(yōu)化展開研究，結(jié)果表明,相比常規(guī)水泵水輪機，其能量特性及水力穩(wěn)定性都得到了提高，且當長葉片骨線出口邊直徑與短葉片骨線出口邊直徑比例為2/3，轉(zhuǎn)輪性能最優(yōu)，為水泵水輪機的水力設(shè)計提供一定的參考。

2.2 水泵水輪機蝸殼的優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀

1985年，文獻[17]提出按水泵設(shè)計要求對蝸殼進行設(shè)計，然后按水輪機的設(shè)計參數(shù)來校核，得到的蝸殼型線與日本進口的同規(guī)格水泵水輪機的蝸殼型線完全一致；2003年，文獻[18]提出將圓形蝸殼改進為橢圓形蝸殼的新型蝸殼設(shè)計方法；2009年，文獻[19]從水輪機全蝸殼的常規(guī)水力設(shè)計方法出發(fā)對非圓形斷面的蝸殼設(shè)計進行完善分析。2012年，文獻[20]基于蝸殼出流等環(huán)量，設(shè)計了軸對稱出流的蝸殼；2019年，文獻[21]提出基于蛋形耐壓殼仿生技術(shù)的D型截面的蝸殼設(shè)計方法（D型蝸殼）；2020年，文獻[22]分析對比了按水輪機設(shè)計、按水泵設(shè)計的蝸殼和基于蛋形耐壓殼仿生技術(shù)設(shè)計的三種蝸殼，為在不同工況下研究蝸殼性能奠定了基礎(chǔ)。

2002年，文獻[23]基于N-S方程對混流式水輪機蝸殼內(nèi)部是否帶有固定導(dǎo)葉兩種情形下的三維不可壓粘性定常流場展開詳細討論。同時，針對新建電站與老電站提出了不同的蝸殼優(yōu)化方式；2005年，毛根海等[24]分析和探討了導(dǎo)葉不同步裝置在水泵水輪機甩負荷工況運行時降低蝸殼進口壓力的機理；2008—2012年，文獻[25—27]分別對回龍、白山、蒲石河抽水蓄能電站的水泵水輪機蝸殼座環(huán)的設(shè)計開展了研究；2012年，文獻[28—29]選取變速度矩系數(shù)為設(shè)計變量,同時以蝸殼水力損失最小為目標函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型進行水輪機蝸殼的優(yōu)化設(shè)計；2020年，文獻[30]基于逆向流動思維將基本理論與數(shù)值模擬相結(jié)合對蝸殼進行優(yōu)化設(shè)計。

2.3 水泵水輪機尾水管的優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀

2003年，文獻[31]介紹了回龍抽水蓄能電站水泵水輪機尾水管的結(jié)構(gòu)設(shè)計。2015年，李言龍[32]等研究分析了荒溝抽水蓄能電站水泵水輪機轉(zhuǎn)輪特性對尾水管最小瞬態(tài)壓力的影響。2017年，丁景煥[33]等基于機組安全性考慮，對比分析了某電站機組尾水管進口同一高程不同測點的壓力值，提出多個測點設(shè)置比單一測點更加準確。2019年，李怡心[34]等基于兩相流計算方法展開水泵水輪機尾水管空化性能研究，得出渦帶產(chǎn)生與轉(zhuǎn)輪出口圓周速度分量息息相關(guān)，并分析了兩者的關(guān)系。2021年，武文強[35]等對比分析了采用抑渦槽和采用導(dǎo)流隔板對尾水管壓力脈動的改善。

3 存在問題與技術(shù)難點

3.1 存在問題

通過對常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機特點的分析以及國內(nèi)外水泵水輪機設(shè)計及優(yōu)化研究現(xiàn)狀，當前開展常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的開發(fā)存在以下問題：

1）國內(nèi)外相關(guān)常規(guī)水電站改造為抽水蓄能電站水泵水輪機的系統(tǒng)研究較少，缺乏相應(yīng)的設(shè)計方法和水力實物模型。

2）水泵水輪機的效率與穩(wěn)定性是評判其性能的關(guān)鍵指標，對常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機性能優(yōu)化研究不足，缺乏適用于常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的優(yōu)化系統(tǒng)。

3.2 技術(shù)難點

目前缺乏針對常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的系統(tǒng)研究，且常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機要在流道基本不變的前提下進行設(shè)計，應(yīng)與原水電站流道尺寸相適應(yīng)，在開展相關(guān)的研究時要突破以下技術(shù)難點。

（1）水泵水輪機的水力設(shè)計

設(shè)計與原電站水輪機尺寸基本一致的水泵水輪機，包括水泵水輪機轉(zhuǎn)輪、葉柵、蝸殼和尾水管等部件的水力設(shè)計，最終得到系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1）轉(zhuǎn)輪：高低壓側(cè)直徑、葉片數(shù)、葉片包角等參數(shù)的確定，轉(zhuǎn)輪設(shè)計方法的探索；

2）雙列葉柵：導(dǎo)葉翼型、固定導(dǎo)葉及活動導(dǎo)葉的數(shù)目確定，探索滿足水輪機和水泵兩種工況運行的設(shè)計方法。

3）蝸殼：選擇適合原電站流道尺寸的斷面形狀；

4）尾水管：確定尾水管斷面形式，設(shè)計出滿足雙向運行且空化性能、穩(wěn)定性較好的尾水管。

（2）水泵水輪機的優(yōu)化

對設(shè)計的水泵水輪機開展基本水力特性研究并進行優(yōu)化，以滿足雙向運行要求。主要包括以下幾個方面：

1）水泵水輪機轉(zhuǎn)輪主要對葉片骨線、葉片進出水邊位置、葉片進出口安放角，葉片頭部形狀及葉片包角等進行優(yōu)化。

2）蝸殼主要對蝸殼斷面面積進行優(yōu)化，以保證水力損失最小。

3）尾水管壓力脈動和空化性能的改善。

4）主要研究機組的“S”形特性和駝峰特性，對機組的能量性能、空化性能和水力穩(wěn)定性能進行優(yōu)化。

目前水泵水輪機優(yōu)化設(shè)計方法多為以下兩類：一是以實驗測試或CFD數(shù)值模擬結(jié)果為指導(dǎo)進行優(yōu)化，二是采用優(yōu)化算法進行優(yōu)化。

4 結(jié)論

常規(guī)水電站改抽水蓄能電站的具有重要的社會意義，不僅為清潔能源的開發(fā)提供支持,而且助力我國"雙碳"目標實現(xiàn)，而常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機設(shè)計和優(yōu)化面臨很多難點。

1）從已有條件看，常規(guī)水電站改抽水蓄能電站不僅在環(huán)境治理、移民拆遷等方面有很大優(yōu)勢，而且能提高電站枯季出力，加速抽水蓄能電站建設(shè)，助力清潔消納，發(fā)展前景廣闊。

2）常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的設(shè)計必須基于其尺寸限制的特點，采用理論研究與仿真方法相結(jié)合的方式,形成一套適用于常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的設(shè)計方法和水力實物模型。

3）常規(guī)水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的優(yōu)化以水泵水輪機的高效率和穩(wěn)定性為目標，開發(fā)滿足高效率和穩(wěn)定性要求的優(yōu)化系統(tǒng)非常關(guān)鍵?！?/p>