水泵水轮机种类和原理介绍.docx

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1、4水泵水轮机4.1 抽水蓄能机组型式抽水蓄能电站的关键设备是抽水蓄能机组，抽水蓄能机组可分为四机式、三机式和两机式等。1 .四机式机组最早使用的抽水蓄能机组由专用的抽水机组和发电机组组合而成，“水轮机+发电机”与“水泵+电动机”两套设备完全分开设置，其水道系统与输变电设备可根据不同情况共用或单独设置，这种结构型式的机组称为四机式机组，目前在综合用水系统中使用。在这种抽水蓄能电站中，水轮机和水泵两者可以采用任意型式和参数，水泵和水轮机可根据各自特点进行设计，使其效率最高，此外可以随时进行工况转换，分别检修或维护。但这种机组设置除土建费用增加外，机组和附属设备数量多、运行维护工作量大、成本高。例如

2、，奥地利赖斯采克抽水蓄能电站，采用的就是四机式布置，最大发电水头1773m,最大扬程1070m,为年调节电站，发电最大功率为67MW,抽水最大功率为18MW,首台机组于1957年建成投产。2 .三机式机组由于电机本身具有可逆性，同一电机在电动机工况和发电机工况运行，都具有很高的运行效率，所以，由一台电机和具有同一根轴系的一台水轮机和一台水泵就构成典型的三机式机组。按布置方式，三机式机组分卧轴和竖轴两种型式。卧轴机组的发电电动机布置在水轮机和水泵之间，而立轴机组的水泵则安装在整个机组最下部。大型三机式机组一般采用竖轴布置方式。水轮机和水泵可以布置在发电电动机的下方，水泵安装位置较水轮机低。也可以

3、分开布置，水轮机设在发电电动机上方，水泵设在发电电动机下面。第一种布置方式机组转动部分的长度较长，水轮机和水泵轴之问刚性或用联轴器连接，水轮机工况运行时，联轴器分开，水泵停机，反之亦然。但由于联轴器的本身有能量损失，使机组的整体运行效率下降。如果是刚性联接，其中一台机械运行时，另一机械的过流部件应为无水状态，为此，还需借助压缩空气系统将尾水管中的水排出，其压气系统设置与运行均较为复杂。三机式机组的综合效率比可逆式机组高，三机式机组的水轮机和水泵的通流部件，其水力设计和结构设计彼此无关，因此在相应工况下三机式机组的效率可以达到水轮机和水泵各自的较高水平。三机式机组的另外一个优点是启动非常方便和迅

4、速，机组在水泵工况启动时，用本身的水轮机带动至同步转速，并网后水轮机通流部件排水，水轮机产生的力矩足以使水泵在进水阀关闭、泵室充水的情况下启动，而不必将水压出水泵通流部件，加速了水泵工况的启动过程，改善了电机工作条件。由于水泵可以做成多级式,使泵工况运行时能达到很高的扬程，而水轮机在不同的水头段可以采用不同的机型，因此，三机式机组理论上可以适用不同水头段的抽水蓄能电站。随电站条件的不同，三机式机组可以采用混流式水轮机配两级或多级离心泵，或者用冲击式水轮机配多级泵。我国羊卓雍湖抽水蓄能电站装设的三机式机组就包括一台3喷嘴的冲击式水轮机（额定水头816m,出力23MW）和一台6级离心泵（最大流量2

5、.0m3s,功率19MW）。因为机组是垂直排列的，故高度较大，羊卓雍湖电站机组的全部高度达23.4mo图4-1三机串联式抽水蓄能机组（单位m）当然，三机式机组的缺点同样明显。首先，三机式机组的总体设备造价要比单级可逆式机组高。其次，装有混流式水轮机的机组在水泵工况运行时，需要压缩空气来压低水轮机尾水管的水位，压水系统的投资与运行费用较高。另外，三机式机组会增加土建的投资。3 .可逆式水泵水轮机除冲击式水轮机外，其余水力机械都有可逆特性，当找出两种工况下都能保证较高效率运行的水力设计方法后，由电机（电动一发电机）+可逆式水力机械（水泵一水轮机）组成的两机式机组得到广泛的应用，机组在一个方向旋转时

6、发电，向另一方向旋转时抽水。这就构成了二机式机组，称为可逆式水泵水轮机。由于该种结构类型的机组具有机组尺寸小、结构简单、造价低、土建工程量小等优点，已成为现代抽水蓄能电站采用的主要机型，近期所投运的机组几乎都是两机式机组。但可逆式水泵水轮机的缺点也是明显的，虽然机组能在水泵和水轮机两种工况下运行，但为了兼顾两种工况运行的特点，两种运行工况下的效率均不能达到该工况下机组单独运行的效率水平。图4-2单级混流可逆式水泵水轮机（十三陵蓄能电站机组）可逆式水泵水轮机的工作水头范围与反击式水轮机的工作水头范围相一致，随着应用水头的不同，可以做成混流可逆式、斜流可逆式、轴流可逆式及贯流可逆式机组。(1)混流

7、式水泵水轮机。混流式水泵水轮机水流沿径向进入转轮，然后基本上沿轴向自转轮流出。转轮形状类似水泵，适用水头一般IOO800m,超过800m水头时一般采用两只或两只以上转轮串联组成多级式。混流式水泵水轮机的结构简单，适用的水头范围广，因此是应用最多的机型。图4-3二机多级可逆式水泵水轮机(意大利HydrOart公司)(2)斜流式水泵水轮机。斜流式水泵水轮机水流流经转轮叶片时倾斜于轴线某一角度。适用水头30140m,桨叶可调节，与混流式水泵水轮机相比平均效率高，可以调节水泵输水量，水泵起动力矩小。缺点是结构复杂，造价高，只适用于机组台数少和水头变幅大的抽水蓄能电站。(3)贯流式水泵水轮机。贯流式水泵

8、水轮机是流道呈直线状的卧轴水泵水轮机。适用水头320m,主要用于抽水蓄能型的潮汐电站，除要求机组具有单向发电、抽水功能外，有时还要求具有双向发电、双向抽水和双向泄水六种功能。图4-4泰安抽水蓄能电站机组剖面图4.2 图4-5宜兴抽水蓄能电站机组剖面图4.3 可逆式水泵水轮机技术的发展近年来，抽水蓄能电站机组的设计与制造广泛运用了新技术和新设计理念，可逆式水泵水轮机技术取得较大发展。1 .高水头化随着技术的发展，单级混流可逆式水泵水轮机使用水头愈来愈高，目前单级可逆式机组的应用水头已超过常规水轮机。20世纪70年代以前，单级混流可逆式水泵水轮机最高扬程在400m以下。1973年，世界上水泵水轮机

9、的最高扬程首次突破500m（日本沼原抽水蓄能电站，最大扬程528m）,之后50Om300MW级的水泵水轮机不断制造出来。80年代初投运的巴吉纳巴斯塔抽水蓄能电站水轮机工况最大发电水头达到600m,水泵工况最大扬程为621.3m。1994年投运的保加利亚茶拉抽水蓄能电站最大水头为677m,水轮机最大出力216MW,水泵工况最大扬程701m,转速60OrPm。90年代后期至今，50Om水头段机组应用较多，包括我国已经投运的十三陵、广州一期和二期、天荒坪等抽水蓄能电站的水头均属500m级，在建的宝泉、惠州和呼和浩特抽水蓄能电站水头也超过500m。在已建抽水蓄能电站中，日本葛野川抽水蓄能电站单级可逆式

10、水泵水轮机运用水头最高，最大毛水头为751m,水泵工况最大扬程为778m,单机出力400MW,转速50OrPm。国内单级可逆水泵水轮机水泵扬程最高的是西龙池抽水蓄能电站，水泵最高扬程达到703m,仅次于日本的葛野川、神流川（最大扬程728m）和小丸川（最大扬程714m）抽水蓄能电站，属世界第四高水头单级可逆水泵水轮机组。国内正在进行前期准备工作的广东阳江和浙江乌龙山抽水蓄能电站水泵工况最高扬程也将超过700m,都达到世界先进水平。在单机容量相同的情况下，抽水蓄能电站利用水头越高，需要的流量越小，上水库、下水库和大坝等土建工程量减小，水道系统和厂房系统的尺寸相对较小，投资降低。对于相同容量的机组

11、，水头越高，转轮直径就越小，例如单机容量同为300MW的水泵水轮机，500m水头段转轮直径只有300m左右水头段的机组的60%左右。抛开机组设备制造难度因素，相应厂房系统尺寸和机组设备尺寸减少，电站总体投资降低。在高水头、大容量、高转速水泵水轮机技术的发展上，日本厂商相对发展较早。如日本沼原抽水蓄能电站机组，由日立公司提供。巴吉纳巴斯塔电站机组由东芝公司提供。茶拉电站机组由东芝公司提供。葛野川电站1号机组由日立公司提供，2号机组由三菱公司提供，3号、4号变速机组由东芝公司提供。我国西龙池抽水蓄能电站水泵水轮机由日立一东芝公司提供，发电电动机由东芝一三菱公司提供。当水头进一步提高时，需采用多级可

12、逆式机组。20世纪70年代投运的法国柯希抽水蓄能电站，首次采用了五级可逆式水泵水轮机，最大发电水头为930m。1982年投运的意大利埃多罗蓄能电站的五级可逆式水泵水轮机，最大发电水头为1256mo2 .高转速化在电站运用水头不断提高的同时，水泵水轮机也在向高比转速方向发展。比转速是表征水轮机、水泵等水力机械的一个重要综合参数。和常规机组一样，水头越高比转速越小，混流可逆式水泵水轮机的比转速一般用水泵工况最低扬程的比转速来表示：%,。用比速系数K=%,75来衡量比转速水平和水泵水轮机的设计制造水平。水泵工况比速系数处于逐年提高的趋势，20世纪60年代K值约在1500-2400；70年代设计制造的

13、500m段水泵水轮机K值达25003200,其比转速在25（大平电站）33（波罗莫卡扎尔电站）；而80年代设计制造的500m段水泵水轮机K值已达29003500（狄诺维克电站），80年代投产的巴吉纳巴斯塔水泵水轮机，最大扬程达621.3m,仍采用70年代适用于500米段机组的比转速27,其K值为2990；保加利亚茶拉电站最高扬程为701m,其比转速为26.44,相当于500m段机组的比转速，其K值为3260。十三陵电站蓄能机组比速系数K值为3300,与其他80年代中后期投运的电站机组比速系数K水平相当。天荒坪电站蓄能机组比速系数K值为3827,达到了较高的水平。而广州一期电站蓄能机组比速系数K

14、值为3874,接近预测的单机混流可逆式水泵水轮机组的比速系数K上限K=4000,处于较高水平。西龙池电站比转速K值为3395,与茶拉电站相当。3 .大容量化在大规模电力系统中，希望建一些大容量的蓄能机组，以满足较大的调峰能力。与增加机组台数相比，增加单机容量可以降低电站机组设备造价，简化电站操作程序，减少厂房投资，其综合经济效益较好。自20世纪70年代以来，可逆混流式水泵水轮机单机容量有明显的增加趋势，50年代最大出力仅为90MW（美国海瓦西蓄能电站）；60年代投运的汤姆逊电站为220Mw;70年代投运的腊孔山电站为400MW；80年代投运的巴斯康蒂电站水轮机的最大出力457MW（水头范围32

15、3390m）,水泵最大入力420MWo日本1999年投运的葛野川电站水泵工况最大人力412MWo目前单机容量300MW级的单级可逆水泵水轮机，国外制造商有较为成熟的技术，随着蓄能机组国产化进程的推进，国内哈尔滨和东方两大发电设备制造企业与国外有经验的制造商已进行多个项目的合作，引进蓄能机组关键技术。我国目前正在进行前期工作的天荒坪二期、阳江和乌龙山等电站的单机容量均大于300MW。4 .高性能化随着机组向高水头、高转速、大容量方向发展，机组强度、材料疲劳损害和振动噪音水平随之加大。为了从整体上实现机组的最优，目前各个成熟的生产商在机组设计中从蜗壳到尾水管所有流体设计都应用了流体分析技术（CFD

16、）,给出流道形状和计算条件后，在很短时间内就能得出压力和速度分布。可以针对蜗壳、座环（固定导叶）、活动导叶、转轮、尾水管进行全流道的解析。在实际设计中，通过反复流体解析可确定叶片和流道的形状、预测机组的效率、汽蚀水平。通过模型试验来修改和验证，达到高性能化。在结构设计中，超高扬程水泵水轮机需要对主要部件进行三维CAD设计。例如，转轮固有振动频率的计算、座环与顶盖间密封部因启动停机引发间隙变化的预测、固定导叶的强度计算、分瓣结构顶盖法兰面的面压与开口的设计、主轴承部分水压引发变形的预测、进水阀应力与变形的解析等，同时实现了结构合理化与板厚等的最优化。4.4 水泵水轮机的结构特点4.4.1 高水头可逆式水泵水轮机一、单级水泵水轮机近年大型抽水蓄能电站均向高水头发展，图4-6为一台中高水头混流可逆式水泵水轮机的剖面，可以看出其组成部分和相应的常规水轮机有某些差别。1 .转轮：