中國儲能網(wǎng)訊：10月9日，安徽金寨抽水蓄能電站首批兩臺機組投產(chǎn)發(fā)電。該電站總裝機容量120萬千瓦，設計年發(fā)電量20.1億千瓦時、年抽水電量26.8億千瓦時，以500千伏出線接入安徽電網(wǎng)。在世界上首次采用13葉片機組轉輪是該電站的一大亮點。金寨抽水蓄能電站為什么要采用13葉片機組轉輪？與其他葉片組合的機組相比，它有什么優(yōu)點？
安徽金寨抽水蓄能電站地下廠房。胡秋紅 攝
中低水頭段抽水蓄能電站廠房振動大
抽水蓄能電站機組開停機會引起廠房振動，還會發(fā)出“嗡嗡”聲。當振動強度達到一定程度時，可能影響機組和廠房的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，也可能影響抽水蓄能電站工作人員的身心健康。
進入21世紀，國內抽水蓄能電站發(fā)展迅猛，一些隱患與問題也漸漸顯現(xiàn)出來。額定水頭在300米左右中低水頭段的抽水蓄能電站廠房振動和廠房內噪聲大等問題一直困擾業(yè)內各方。
近年來，國內兩家中低水頭段抽水蓄能電站相繼對相關問題“把脈問診”，研究結果顯示，無葉區(qū)壓力脈動幅值偏大、壓力脈動優(yōu)勢頻率與廠房局部構件自振頻率比較接近是引起機組和廠房振動的主要因素。無葉區(qū)是指機組轉輪（旋轉部分）與導葉（固定部分）的交界部分，水流由導葉進入機組轉輪時動靜干涉產(chǎn)生的激振頻率與廠房局部構件自有頻率接近時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這類似于火車穿過隧洞時火車車廂與隧洞洞壁之間的氣隙擾動引起火車車廂晃動。
這一研究成果為國內抽水蓄能電站機組轉輪改造提供了支撐。壓力脈動幅值、優(yōu)勢頻率與機組轉速、導葉和機組轉輪葉片數(shù)匹配關系息息相關。目前我國已投運抽水蓄能機組導葉數(shù)與機組轉輪葉片數(shù)的組合包括“20+9”“20+7”“22+9”“16+7”“16+5長、5短”。現(xiàn)場運行測試數(shù)據(jù)表明，“20+9”組合往往更容易引起機組和廠房振動。這說明不同的導葉數(shù)與機組轉輪葉片數(shù)組合對機組穩(wěn)定性及廠房結構動力響應的影響是有較大差異的。
13葉片轉輪是怎樣誕生的
金寨抽水蓄能電站計劃安裝4臺混流可逆式水泵水輪機機組，單機容量為30萬千瓦，采用立軸單級混流式結構。設備生產(chǎn)廠家推薦333.3轉/分的轉速和9葉片轉輪方案，但該方案在國內同類電站均存在不同程度廠房共振現(xiàn)象。
明知可能出現(xiàn)問題，為什么還要采用這一機型呢？
“機組的選型受上下庫水位差、單機容量、設備制造水平、工程造價等多重因素影響。綜合考慮，金寨抽水蓄能電站的最優(yōu)選擇是333.3轉/分機組?！苯鹫樗钅茈娬卷椖吭O計總工程師汪德樓解釋。
機組轉速已不可更改，能否通過轉輪水力開發(fā)提升機組穩(wěn)定性？國網(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司將轉輪水力開發(fā)作為技術攻關點，在一年多的時間內先后組織十余次專題技術分析討論會，邀請國內專家指導。
機組轉輪是抽水蓄能電站重要的水流通道部件，也是機組的“心臟”。轉輪水力性能的優(yōu)劣直接影響電站運行的安全性和可靠性。一個水力性能優(yōu)良的轉輪從設計之初到投入運行，主要經(jīng)歷水力研發(fā)設計選型、模型轉輪制造及初步工廠試驗、第三方模型轉輪驗證試驗、原型轉輪工廠加工制造、原型轉輪工廠出廠驗收、原型轉輪現(xiàn)場安裝等6個環(huán)節(jié)。
為改善壓力脈動指標、避免廠房共振問題，國網(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司與設備生產(chǎn)廠家聯(lián)合攻關，經(jīng)過多次試驗研討，專家及設計各方提出“確保壓力脈動指標穩(wěn)定，不過分追求綜合效率指標”的優(yōu)化開發(fā)設計思路，先后制訂7組導葉數(shù)與機組轉輪葉片數(shù)配合方案，并在試驗臺開展水泵工況外特性試驗、水輪機工況性能試驗、四象限和S區(qū)特性試驗、水泵及水輪機工況壓力脈動試驗等多項模型試驗。
根據(jù)模型試驗結果，金寨抽水蓄能電站最終選擇綜合技術指標整體提升的第7套導葉數(shù)與機組轉輪葉片數(shù)配合方案，即導葉數(shù)為22個、機組轉輪葉片為13片。
轉輪研發(fā)設計完成后，在法國格勒諾布水力研發(fā)中心模型試驗臺完成了初步工廠試驗，隨后在瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學水力機械實驗室PF2臺完成了第三方驗證試驗，結果顯示該方案無葉區(qū)壓力脈動指標達到較好水平。
13葉片轉輪應用效果明顯
“金寨抽水蓄能電站1號機組水導擺度和頂蓋振動值分別達到5道和1道以內（1道為0.01毫米），最大的振動擺度還不到一根頭發(fā)絲的寬度?！眹W(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司機電部主任王少華介紹。
9月18日，金寨抽水蓄能電站完成了1號、2號機組同一流道雙機甩100%負荷試驗，機組運行各項性能指標優(yōu)良，效率、壓力脈動等關鍵技術指標優(yōu)于合同保證值或同類型機組。王少華做了一個簡易試驗，在1號機組運行時，他成功地將一枚一元硬幣立在了發(fā)電機的蓋板上，證明機組振動擺度極小。
金寨抽水蓄能電站機組轉輪的成功研制提升了抽水蓄能電站水力開發(fā)水平。13葉片轉輪的水力指標、廠房動力響應分析及過渡過程復核計算結果表明，中低水頭段抽水蓄能電站廠房振動問題初步得到了解決。
6月24日，水電水利規(guī)劃設計總院聯(lián)合中國水力發(fā)電工程學會抽水蓄能行業(yè)分會發(fā)布的《抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2021》中指出，目前，我國已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點資源總量約8.14億千瓦。“抽水蓄能站點資源是有限的，中低水頭段抽水蓄能電站在其中必然占有一定的比例?！眹W(wǎng)新源集團有限公司抽水蓄能項目開發(fā)辦公室主任、發(fā)展策劃部副主任徐麗芬說，隨著抽水蓄能電站開發(fā)建設步伐加快，會有更多的中低水頭段抽水蓄能項目上馬。金寨抽水蓄能電站為13葉片轉輪水力開發(fā)設計提供了經(jīng)驗，為同類型抽水蓄能機組解決廠房振動問題提供了借鑒。
