常規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，河南 鄭州 450000）

十四五“碳達峰”“碳中和”這一戰略目標的提出,推動了清潔能源的發展，考慮到清潔能源的消納問題，配套建設儲能電站是發展清潔能源的必由之路。抽水蓄能電站歷史悠久，技術成熟，相比其他儲能方式在我國應用最為廣泛，因此抽水蓄能電站是新能源發展的重要保障[1]。但抽水蓄能電站的建設存在成本高、建設周期長等缺點，并且受環境保護、生態紅線、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劃提出抽水蓄能電站要因地制宜、創新發展，越來越多學者積極探索抽水蓄能電站發展新形式。文獻[2—4]分別從優化調度、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混合式抽蓄電站進行探討。文獻[5—6]探索了結合廢棄礦井建設抽蓄電站的關鍵問題。文獻[7]介紹通過加裝水泵的方式將常規水電站改建為抽水蓄能電站，電站經濟效益顯著。

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]，而部分常規水電站年利用小時數低，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，可以對常規水電站進行抽水蓄能化改造。即在原有的常規水電站的流道不變的前提下,把水輪機改造成水泵水輪機，把發電機改造成發電電動機，把原來的水庫改造成上庫，下游尾水渠改造成下庫，將常規水電站改造成為一座能兼發電、調峰填谷、調頻調相等多功能于一體的抽水蓄能電站。

考慮到常規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計造成干擾，且相關研究較少。因此，開發水泵水輪機水力設計及優化技術，形成一套適用于改造后的抽水蓄能電站水泵水輪機的設計方法和優化系統非常關鍵。

1 常規水電站改抽水蓄能電站

1.1 優勢

常規水電站改造成為一座能兼發電、調峰填谷、調頻調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，具有以下優勢。

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

2）解決抽水蓄能電站選址問題：目前，受環境保護、生態紅線、水源保護等限制，抽水蓄能電站勘測規劃和選址費時費事。將常規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破壞：在常規水電站的基礎上建設抽水蓄能電站開挖量少，難度系數小，減少移民拆遷問題，極大的降低生態破壞。

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計造成干擾,即常規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。

1）轉輪：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，常用葉片數量為6、7、9片。

2）雙列葉柵：固定導葉，數量多、厚度薄、葉片長；活動導葉，由于水輪機和水泵兩種工況，其導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，相對常規水輪機，考慮到水泵水輪機在水泵工況的脫流現狀，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計，水泵工況優化，與水輪機尾水管設計相差不大。

5）坐環、頂蓋、底環，強度要求比常規水輪機高，設計與常規水輪機沒有太大差別。

2 水泵水輪機優化設計綜述

常規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計提出了更高的要求，轉輪、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 水泵水輪機轉輪的優化設計現狀

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

2.2 水泵水輪機蝸殼的優化設計現狀

1985年，文獻[17]提出按水泵設計要求對蝸殼進行設計，然后按水輪機的設計參數來校核，得到的蝸殼型線與日本進口的同規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計方法；2009年，文獻[19]從水輪機全蝸殼的常規水力設計方法出發對非圓形斷面的蝸殼設計進行完善分析。2012年，文獻[20]基于蝸殼出流等環量，設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的D型截面的蝸殼設計方法（D型蝸殼）；2020年，文獻[22]分析對比了按水輪機設計、按水泵設計的蝸殼和基于蛋形耐壓殼仿生技術設計的三種蝸殼，為在不同工況下研究蝸殼性能奠定了基礎。

2002年，文獻[23]基于N-S方程對混流式水輪機蝸殼內部是否帶有固定導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化方式；2005年，毛根海等[24]分析和探討了導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的設計開展了研究；2012年，文獻[28—29]選取變速度矩系數為設計變量,同時以蝸殼水力損失最小為目標函數建立數學模型進行水輪機蝸殼的優化設計；2020年，文獻[30]基于逆向流動思維將基本理論與數值模擬相結合對蝸殼進行優化設計。

2.3 水泵水輪機尾水管的優化設計現狀

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構設計。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輪特性對尾水管最小瞬態壓力的影響。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，得出渦帶產生與轉輪出口圓周速度分量息息相關，并分析了兩者的關系。2021年，武文強[35]等對比分析了采用抑渦槽和采用導流隔板對尾水管壓力脈動的改善。

3 存在問題與技術難點

3.1 存在問題

通過對常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機特點的分析以及國內外水泵水輪機設計及優化研究現狀，當前開展常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的開發存在以下問題：

1）國內外相關常規水電站改造為抽水蓄能電站水泵水輪機的系統研究較少，缺乏相應的設計方法和水力實物模型。

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

3.2 技術難點

目前缺乏針對常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的系統研究，且常規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計，應與原水電站流道尺寸相適應，在開展相關的研究時要突破以下技術難點。

（1）水泵水輪機的水力設計

設計與原電站水輪機尺寸基本一致的水泵水輪機，包括水泵水輪機轉輪、葉柵、蝸殼和尾水管等部件的水力設計，最終得到系統的設計方法。

1）轉輪：高低壓側直徑、葉片數、葉片包角等參數的確定，轉輪設計方法的探索；

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

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，設計出滿足雙向運行且空化性能、穩定性較好的尾水管。

（2）水泵水輪機的優化

對設計的水泵水輪機開展基本水力特性研究并進行優化，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化。

2）蝸殼主要對蝸殼斷面面積進行優化，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、空化性能和水力穩定性能進行優化。

目前水泵水輪機優化設計方法多為以下兩類：一是以實驗測試或CFD數值模擬結果為指導進行優化，二是采用優化算法進行優化。

4 結論

常規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提供支持,而且助力我國"雙碳"目標實現，而常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機設計和優化面臨很多難點。

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

2）常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的設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合的方式,形成一套適用于常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的設計方法和水力實物模型。

3）常規水電站改抽水蓄能電站水泵水輪機的優化以水泵水輪機的高效率和穩定性為目標，開發滿足高效率和穩定性要求的優化系統非常關鍵?！?/p>