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10月9日，安徽金寨抽水蓄能電站首批兩臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。該電站總裝機(jī)容量120萬千瓦，設(shè)計(jì)年發(fā)電量20.1億千瓦時(shí)、年抽水電量26.8億千瓦時(shí)，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(jī)組轉(zhuǎn)輪是該電站的一大亮點(diǎn)。金寨抽水蓄能電站為什么要采用13葉片機(jī)組轉(zhuǎn)輪？與其他葉片組合的機(jī)組相比，它有什么優(yōu)點(diǎn)？

中低水頭段抽水蓄能電站廠房振動(dòng)大

抽水蓄能電站機(jī)組開停機(jī)會(huì)引起廠房振動(dòng)，還會(huì)發(fā)出“嗡嗡”聲。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，可能影響機(jī)組和廠房的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也可能影響抽水蓄能電站工作人員的身心健康。

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)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(dòng)和廠房內(nèi)噪聲大等問題一直困擾業(yè)內(nèi)各方。

近年來，國內(nèi)兩家中低水頭段抽水蓄能電站相繼對(duì)相關(guān)問題“把脈問診”，研究結(jié)果顯示，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值偏大、壓力脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率與廠房局部構(gòu)件自振頻率比較接近是引起機(jī)組和廠房振動(dòng)的主要因素。無葉區(qū)是指機(jī)組轉(zhuǎn)輪（旋轉(zhuǎn)部分）與導(dǎo)葉（固定部分）的交界部分，水流由導(dǎo)葉進(jìn)入機(jī)組轉(zhuǎn)輪時(shí)動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的激振頻率與廠房局部構(gòu)件自有頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這類似于火車穿過隧洞時(shí)火車車廂與隧洞洞壁之間的氣隙擾動(dòng)引起火車車廂晃動(dòng)。

這一研究成果為國內(nèi)抽水蓄能電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造提供了支撐。壓力脈動(dòng)幅值、優(yōu)勢(shì)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉和機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)匹配關(guān)系息息相關(guān)。目前我國已投運(yùn)抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉數(shù)與機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的組合包括“20+9”“20+7”“22+9”“16+7”“16+5長、5短”?，F(xiàn)場運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)表明，“20+9”組合往往更容易引起機(jī)組和廠房振動(dòng)。這說明不同的導(dǎo)葉數(shù)與機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)組合對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性及廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響是有較大差異的。

13葉片轉(zhuǎn)輪是怎樣誕生的

金寨抽水蓄能電站計(jì)劃安裝4臺(tái)混流可逆式水泵水輪機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量為30萬千瓦，采用立軸單級(jí)混流式結(jié)構(gòu)。設(shè)備生產(chǎn)廠家推薦333.3轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和9葉片轉(zhuǎn)輪方案，但該方案在國內(nèi)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(jī)型呢？

“機(jī)組的選型受上下庫水位差、單機(jī)容量、設(shè)備制造水平、工程造價(jià)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(zhuǎn)/分機(jī)組。”金寨抽水蓄能電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)總工程師汪德樓解釋。

機(jī)組轉(zhuǎn)速已不可更改，能否通過轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)提升機(jī)組穩(wěn)定性？國網(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司將轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)作為技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)，在一年多的時(shí)間內(nèi)先后組織十余次專題技術(shù)分析討論會(huì)，邀請(qǐng)國內(nèi)專家指導(dǎo)。

機(jī)組轉(zhuǎn)輪是抽水蓄能電站重要的水流通道部件，也是機(jī)組的“心臟”。轉(zhuǎn)輪水力性能的優(yōu)劣直接影響電站運(yùn)行的安全性和可靠性。一個(gè)水力性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪從設(shè)計(jì)之初到投入運(yùn)行，主要經(jīng)歷水力研發(fā)設(shè)計(jì)選型、模型轉(zhuǎn)輪制造及初步工廠試驗(yàn)、第三方模型轉(zhuǎn)輪驗(yàn)證試驗(yàn)、原型轉(zhuǎn)輪工廠加工制造、原型轉(zhuǎn)輪工廠出廠驗(yàn)收、原型轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場安裝等6個(gè)環(huán)節(jié)。

為改善壓力脈動(dòng)指標(biāo)、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(shè)備生產(chǎn)廠家聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過多次試驗(yàn)研討，專家及設(shè)計(jì)各方提出“確保壓力脈動(dòng)指標(biāo)穩(wěn)定，不過分追求綜合效率指標(biāo)”的優(yōu)化開發(fā)設(shè)計(jì)思路，先后制訂7組導(dǎo)葉數(shù)與機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)配合方案，并在試驗(yàn)臺(tái)開展水泵工況外特性試驗(yàn)、水輪機(jī)工況性能試驗(yàn)、四象限和S區(qū)特性試驗(yàn)、水泵及水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)等多項(xiàng)模型試驗(yàn)。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，金寨抽水蓄能電站最終選擇綜合技術(shù)指標(biāo)整體提升的第7套導(dǎo)葉數(shù)與機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)配合方案，即導(dǎo)葉數(shù)為22個(gè)、機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片為13片。

轉(zhuǎn)輪研發(fā)設(shè)計(jì)完成后，在法國格勒諾布水力研發(fā)中心模型試驗(yàn)臺(tái)完成了初步工廠試驗(yàn)，隨后在瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室PF2臺(tái)完成了第三方驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果顯示該方案無葉區(qū)壓力脈動(dòng)指標(biāo)達(dá)到較好水平。

13葉片轉(zhuǎn)輪應(yīng)用效果明顯

“金寨抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)擺度和頂蓋振動(dòng)值分別達(dá)到5道和1道以內(nèi)（1道為0.01毫米），最大的振動(dòng)擺度還不到一根頭發(fā)絲的寬度。”國網(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司機(jī)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(hào)、2號(hào)機(jī)組同一流道雙機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，效率、壓力脈動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于合同保證值或同類型機(jī)組。王少華做了一個(gè)簡易試驗(yàn)，在1號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，他成功地將一枚一元硬幣立在了發(fā)電機(jī)的蓋板上，證明機(jī)組振動(dòng)擺度極小。

金寨抽水蓄能電站機(jī)組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪的水力指標(biāo)、廠房動(dòng)力響應(yīng)分析及過渡過程復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，中低水頭段抽水蓄能電站廠房振動(dòng)問題初步得到了解決。

6月24日，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院聯(lián)合中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)抽水蓄能行業(yè)分會(huì)發(fā)布的《抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2021》中指出，目前，我國已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點(diǎn)資源總量約8.14億千瓦。“抽水蓄能站點(diǎn)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。”國網(wǎng)新源集團(tuán)有限公司抽水蓄能項(xiàng)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(shè)步伐加快，會(huì)有更多的中低水頭段抽水蓄能項(xiàng)目上馬。金寨抽水蓄能電站為13葉片轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)，為同類型抽水蓄能機(jī)組解決廠房振動(dòng)問題提供了借鑒。

原標(biāo)題：優(yōu)化機(jī)組轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì) 抽水蓄能電站減振降噪