摘要：福伊特西門子水電在開發、設計和製造抽水蓄能電站機組設備方麵已經有百年以上的經驗。近年來，隨著對調峰需求的不斷增加以及整個電網對靈活性的要求，為抽水蓄能電站創造了非常廣闊的市場前景。
本文通過介紹福伊特西門子水電在近年成功開發的幾個典型項目， 描述了對抽水蓄能電站三種不同的解決方案，包括：a) 傳統抽水蓄能機組的新拓展；b)變速可逆式水泵水輪機組；c) 具有超寬運行範圍的定轉速可逆式水泵水輪機。

福伊特西門子水電抽水蓄能機組的開發曆史
“蓄能”的概念誕生於19世紀末20 世紀初，其含義為，在需電量較低的時候，利用供電係統中剩餘的電能將發電時通過水輪機流入下遊水庫的水重新抽回上遊水庫，儲存起來為下一次需要發電時所用，實現在發電過程中的再次利用。
在早期的抽水蓄能水電站中，其經典設計概念為水平布置的兩套獨立機械設備：一端為水輪機，另一端為水泵。在水泵和電動/發電機中間安裝有固定聯結或者齒輪聯結。福伊特西門子水電生產製造的第一台水泵式水輪機組於1907年交貨，這也是德國最早的抽水蓄能電站。
可逆式水泵水輪機的出現使得上述兩種運行模式在同一套水力機械上實現結合。福伊特西門子水電開發的第一台大型可逆式水泵水輪機組始於1937年巴西的Pedreira抽水蓄能水電站。

到目前為止，距離第一台抽水蓄能機組的問世已經超過一個世紀之久，福伊特西門子水電在為抽水蓄能機組設備的開發、設計和製造方麵取得了許多裏程碑式的成果。
基於三維納維爾-斯托克斯仿真方法的流體動力學分析的廣泛應用以及計算方法的發展進步，實現了高效地分析整個水力機械包括從蝸殼進口到尾水管出口的流動，對機組進行用戶個性化定製設計和最優化方案設計成為可能。這樣的設計方法與30年前的設計方法相比較，可以獲得性能上的極大改善，以及對運行情況的預測。圖1和圖2分別為不同類型的水泵和水輪機的適用範圍；圖3通過一部分福伊特西門子水電在近幾十年內提供的主要水電機組展示了機組出力的發展曆程。

圖3 近幾十年電站單機功率的發展曆程

近年來，不斷增加的調峰需求使得抽水蓄能電站在電力係統中變得更加重要。為了適應不同的需求，一些新的水泵式蓄能設備解決方案應運而生，下麵將通過列舉福伊特西門子水電最新開發的抽水蓄能解決方案對此進行闡述：
• Kops II水電站：獨立的水泵與水輪機設計中的新概念
• Goldisthal水電站：變轉速可逆式水泵水輪機
• Limberg II水電站：超寬運行水頭下的定轉速可逆式水泵水輪機

Kops II水電站：經典抽水蓄能機組
電站說明
2004年，福伊特西門子水電與奧地利的Kops II抽水蓄能電站簽訂合同，為其三台機組提供三級水泵、球閥和液壓扭矩變換器，福伊特西門子水電於2005年成功完成了模型驗收試驗。其後，Kops II水電站於2008年投入商業運行。
目前對跨國電力供應係統提出的新的要求如下：
• 出力增加
• 活動抽水蓄能
• 附加控製能量
• 電壓控製
• 頻率控製
• 無功功率控製
• 二次控製要求（可能也包括一次控製）

這些要求同時也意味著對抽水蓄能電站新的約束條件，包括：
• 水力閉路循環操作
• 異步平衡模式
不可調節水泵的特點在於，其處於部分負荷與超負荷工況時效率下降非常快，因此，當水泵在名義工況下運行，供電係統的剩餘電能達到最小時，此時可獲得較大收益。為了補充缺少的電能，將水直接從水泵導入同一機組的水輪機中，這種操作模式被稱為“水力閉路循環”，如圖4所示。這種模式對於衝擊式水輪機尤其有效，因為這類機組通常在非設計工況具有非常大的效率落差。
水力閉路循環已經被采用多年，它的另一個明顯優勢在於，在閉路循環操作過程中，發電機可以保持同步不變，因此從空轉變換到水泵名義工況或者水輪機工況的過程隻需要很短的時間[1]。
Kops II電站數據
Kops水庫（上遊水位）
• 最大水位: 1811,29 m.a.s.l.
• 最小水位: 1730,29 m.a.s.l.
Rifa水庫（尾水位）
• 最大水位: 1007,15 m.a.s.l.
• 最小水位: 993,09 m.a.s.l.
水頭範圍
• Hgeod = 818,2 – 723,14 m
機組流量
• Qturb = 25 m³/s
• Qpump = 18 m³/s
功率範圍
• Pturb = 150 – 173 MW
• Ppump = 125 – 180 MW
• Pconverter ~ 80 MW
轉速
• n = 500 rpm

液力扭矩變換器
縮短工況轉換時間的關鍵在於基於赫爾曼-弗廷格原則的液力扭矩變換器，它安裝在蓄能泵和機組主軸之間，變換器一端是水泵主軸與泵葉輪固定連接，另一端水輪機主軸與轉輪固定連接。變換器可以將電動機的電能傳輸給其中的水，也可以將水泵抽回的水中的能量重新轉換成軸的機械能。當變換器為空的時候，產生的出力損失非常少；在開停機過程中轉換器內充滿水，全部能量被轉換，水泵軸可以實現在數秒內加速或減速；當主軸與水泵軸以相同的轉速旋轉時，液力扭矩變換器沒有明顯磨損。
目前最大容量的液力扭矩變換器已經應用於150MW出力的機組，從技術上講，還可以應用於更大出力的機組。圖6所示為液力扭矩變換器的剖麵圖和實物照片。
采用液力扭矩變換器的主要優勢有：
• 極大地縮短開機時間：向液力扭矩變換器內開始注水，十秒之後，可以從電網中引入約60%的蓄能泵入力，同時閥門被打開。
• 使空載損失最小化：變換器造成的能量損失不足名義出力的0.05%。
• 自調節至同步運行：不需要外部調速器。
• 使耗水量最小化：水從尾水獲得，相對於利用一個啟動水輪機來啟動水泵的方法，液力扭矩變換器無需消耗壓力鋼管中的水。


圖6 Kops II 電站液力扭矩變換器剖麵圖與實物照片

Goldisthal水電站：變轉速水泵式水輪機
Goldisthal抽水蓄能電站位於德國，裝備了四台單級混流式可逆式水泵水輪機組，額定毛水頭301.6m下，額定出力為269MW。機組布置形式為一管兩機，同一管道上連接的兩台機組中一台為同步定轉速機組，另外一台為變轉速機組，可以實現在不同的水泵揚程下大於80MW的水泵入力變化範圍。此電站的水泵水輪機連同調速器合同於1997年10月簽訂，並於1999年成功完成模型驗收試驗，自2003年投入商業運行起，一直維持著穩定、低噪音運行至今[2]。
機組主要參數：
水頭範圍H [m] 279.2 - 334.0
額定/最大水輪機出力PTu [MW] 269 / 325
轉輪進口直徑 (水輪機工況) D2 [m] 4.6
轉速n [rpm] 333.3 300 - 346.6
最小/最大水頭下水泵入力PPu [MW] 262 / 247 168 - 291 / 186 - 289
不同水頭下最小入力變化P [MW] - > 100

變轉速抽水蓄能機組是當前許多抽水蓄能水電站在計劃和優化階段采用的主要方案，此方案不僅能切實地提高水輪機發電工況在部分負荷時的效率，而且能實現水泵工況下的入力變化。對同步定轉速機組來說，入力取決於水泵的實際揚程，是固定值，此時其流量也由機組水泵特性所決定。因此，相對於定轉速機組，變轉速機組可以提供更高的運行靈活性，並因具有更寬的運行範圍而獲得更高的電站效率[3]。
開發變轉速機組需要大量額外的科研和開發工作，以確保機組在所有穩態工況和瞬時工況下的安全運行，並保證運行中各種變化可能產生的負荷均在允許範圍之內。
實現機組可變轉速的途徑主要是通過在水泵工況下控製機組入力實現，與此同時，可以改善水輪機工況下部分負荷的效率和運行情況。
研發的過程是基於當前已廣泛應用於各種類型水輪機設計的同步工程方法。利用計算機輔助設計係統(CAD)生成三維幾何結構，通過計算流體動力學方法(CFD)進行最優化設計，並使用基於有限元(FEA)的分析方法，實現機組流動損失最小化，並使設計應力維持在限製範圍內[4]。
CFD分析的結果將為結構分析提供初始條件。通常最大應力出現在轉輪葉片和上冠或下環之間的過渡部分，為了優化關鍵位置的幾何結構，需要在相關區域采用精細的計算網格才能獲得精準可靠的計算結果。在葉片和轉輪上冠之間的過渡區域對葉片型線或者內圓角半徑進行修改，不僅可以改變這個區域內的應力，還會影響到流場內的壓力分布，以上這些影響都必須通過謹慎的研究找出最佳設計方案，獲得優秀可靠的性能。
水力開發的一項重要任務是達到穩定的水泵特性的同時，具備可接受的空化特性。
圖8中對水泵特性的無量綱化表示法恰到好處地描述了客戶要求的變轉速機組和傳統定轉速水泵式水輪機設計需求之間的對比。變轉速機組的運行範圍取決於能量變化和速度變化各自的需求範圍，相對於同步定轉速機組，它具有更寬的無量綱化揚程-流量曲線(Ed-Qd)，以及更寬的空化特性曲線。
由於具有較寬的流量變化範圍，變轉速機組具有較低的安裝高程，因此需要對葉片型線進行優化設計以滿足較大範圍的入流條件。在每個單一水頭下，約為30% 的功率變化範圍是合理的，並且不會對安裝高程產生較大影響。
通常對於同步定轉速機組來說，其基於水泵工況的設計方法使得在水輪機工況下，機組的運行範圍會遠離最優效率工況點，圖9中所示為同步轉速為333rpm的機組與最小可調速度300rpm的機組分別在水輪機工況下的水頭範圍對比（以能量係數Ed表征），可以看出，由於速度的減小，使得變速式機組的運行範圍向著靠近最優效率點的方向移動，從而產生了可觀的效率增加，如圖10所示。特別是在水輪機部分負荷工況下，即使變轉速機組因為其特殊的電氣設備，如可調速電動發電機和變頻器，相對於定轉速電動發電機將造成額外的投資，但是變轉速機組仍然具備高於定轉速機組大約1%的效率值。此外，變轉速機組還具有更好的空化特性和更低的壓力脈動水平。以上優點有利於增加業主的經濟效益並提高機組的運行靈活性。



Limberg II 水電站
福伊特西門子水電2006年與Verbund水力電力公司簽訂合同，負責開發和製造Limberg II抽水蓄能電站的兩台可逆式水泵水輪機組，如圖11和12所示，並於2007年成功完成模型驗收試驗。

電站特性
Limberg II水電站主要運行條件和機組參數：
水頭範圍H [m] 288.0 - 436.0
Hmax/Hmin = 1.51
水輪機最大出力PTu [MW] 240
轉輪進口直徑 (水輪機工況) [m] 3.92
轉速n [rpm] 428.57
水泵最大入力PPu [MW] 235
水泵額定流量 [m³/s] 56
機組台數 2

從上表中數據可以看出，此電站與一般的電站參數相比，具有相當寬的水頭變化範圍，水力開發因此成為定轉速水泵水輪機研究的巨大挑戰[5]。

水力設計和流動特性預測
對於水泵水輪機最常見的水力設計方法，就是針對不同電站的特殊要求找到其水輪機性能和水泵性能之間的最佳平衡。對於具有較寬水頭變化範圍的Limberg II水電站來說，最關鍵的技術要求在於，在整個水頭範圍內同時實現穩定的水泵工況和最優化的水輪機性能。
備受爭議的非穩態流動仿真在設計階段被采納和廣泛應用。此方法和標準化的設計程序相結合，旨在最大程度的降低在模型試驗階段中，根據試驗結果作出的設計修改可能造成的風險。
對於設計者來說，這種具有較寬運行範圍的水泵水輪機是一個很大的挑戰。目前最先進的高速並行計算機的應用使得CFD仿真技術在突破水泵水輪機的兩大主要障礙中具有非常出色的表現，第一個主要限製，是高水頭非穩態流動和惡劣工況運行限製，第二個主要限製，是高、低水頭水泵循環空化和破壞性流動特性運行限製。以往利用時間平均技術的數據仿真有助於理解以上這些流動狀況下的基礎物理現象。目前，非穩態流動計算已經發展到可以預測流場中非穩態時間點的變化現象，因此可以從流動穩定性和空化觀察兩方麵，對反複設計過程中為擴大運行範圍和超出合同要求限製而采用的特殊設計進行更好的評估。
水泵水輪機中流動的不穩定性是固有特征。對於僅僅隻考慮穩定狀態流動條件的標準化設計實踐，既不能以合理的方法獲得和描述這種不穩定現象，也無法可靠的預測新開發的水泵水輪機在接近或超出指定的運行範圍限製時可能產生的流動狀態。因此，在過去的電站設計中，需要等到模型試驗階段開始以後，才能對穩定運行的邊界條件進行研究，這樣，一旦需要作出設計修改，就必將延長模型開發需要的時間。
當前的計算機硬件和仿真模擬軟件使得設計者隻需要通過對水泵水輪機整個流道主要部件進行數字化建模，就可以經濟有效地研究非穩態流動現象，由於可以在模型試驗之前可靠的預測出運行特性，設計的周期被縮短，模型試驗的次數也因此而減少，整個新的設計開發時間相應縮短。不僅如此，通過非穩態CFD計算可以獲得基於時間變化的壓力場，從而預測出轉輪及其它靜止部件上的動態負荷情況，這些預測結果可以用作有限元分析(FEA)和動態仿真的邊界條件。
前述的研究證明，當前的設計和分析方法有能力精確地預測具有較大水頭範圍的定轉速可逆式水泵水輪機，在運行條件接近、達到和超過水泵穩定運行工況限製時的流場，其計算結果已通過與模型試驗數據進行對比得到驗證。以下通過展示其主要過程和所研究的運行工況，簡要介紹數值分析模型，並討論計算結果和它們在允許的運行範圍內產生的影響。
為了獲得預期的非穩態流動特性和大尺寸的流動現象如導水機構中的旋轉失速，合理建模需要的最小計算區域包含了整個水泵水輪機從進口到蝸殼再到尾水管出口的區域，整個計算結構如圖13所示，其中包括，尾水管(DT)、全葉片轉輪(RU)、活動導葉(WG)和固定導葉(SV)組成的雙列葉柵，以及蝸殼和一部分進口壓力鋼管(SC)。下文對計算結果進行的評估中，將主要集中在雙列葉柵和轉輪，因此為了更清楚地呈現這兩部分，我們將省略蝸殼和尾水管部分。


圖13 整體幾何結構（左圖） 和轉輪詳圖（右圖，包含進、出區域）

通過對水泵特性曲線上一同工況點進行一係列相應的流動仿真，以識別其穩定運行範圍的限製條件和水泵的初生非穩態流動。現對其中三個運行工況點的計算結果進行詳述，參見圖14：
• OP1 對應於最大水泵揚程具有一定距離的穩定運行工況點
• OP2 最大揚程下水泵開始進入非穩定運行區。此工況下可觀察到滯回性能，水泵的入力變化不顯著，效率水平下降並伴隨強烈的振動。如果繼續加大揚程，則必須停機以保護機組不受破壞。
• OP3 水泵在揚程高於OP2的條件下運行。這種運行狀態對於水力機組具有破壞性，但是通過流動仿真可以研究其流動現象並測定此種工況下的動態載荷。
CFD仿真計算中需要指定一個適當的流量Q，此時水泵揚程H將由計算得到，因此輸入CFD計算的條件為：
• Q(OP1) / Q(OP2) = 1.1
• Q(OP3) / Q(OP2) = 0.9
上述用於計算的幾何結構被劃分為分塊結構化六麵體單元網格，包含大約9.5×106個計算結點數。計算的時間步長為每計算400步，轉輪正好轉動一周，也就是說每計算一步，轉輪的角度位置變化0.9˚。為了確保得到的計算結果從過渡過程充分發展為紊流狀態，對每一個被仿真的工況點，都對轉輪旋轉數周所需時間內的非穩態流動進行了仿真計算。
圖15中為導水機構中心平麵經規格化後的全壓分布圖，很顯然，在OP1工況點（左圖），所有雙列葉柵流道中的流動都呈對稱的周期性變化，流動完全穩定。此時雙列葉柵周圍的流動分布均勻平緩，隻有活動導葉下遊存在卡門渦。另外，可以觀察到一種特殊的流動現象，即轉輪引起的壓力波動對其上遊蝸殼產生的對流，這種現象隻能在對完整的雙列葉柵和轉輪進行非穩態仿真時才能觀測到。以上結果表現為壓力波動，其頻率為轉輪的葉片通過頻率，而活動導葉水力矩也會相應的在運行過程中產生變化。

隨著揚程的提高，當機組開始在稍高於最大許用揚程的區域運行，即高水頭不穩定區域的初始點（OP2）,　全壓分布開始偏離前麵分析得到的均勻分布（見圖15中圖）。此時，雙列葉柵中的失速現象開始發展成為高度三維的流態。上圖很好地解釋了水泵在這種工況下的內在的不穩定特性。這種失速現象將沿順時針方向旋轉，轉輪每旋轉一周，它大約轉過一個葉道的位置。在這種流動條件下，水泵的運行預計是惡劣的。
當進一步增加揚程，流動狀態將發展成完全的不穩定運行(OP3)。此時，三處明顯的旋轉失速區域沿圓周平均分布，即圖15（右圖）中深色代表的低壓區域。這些流動失速區域就像障礙物一樣迫使主流隻能從大約六個流道麵積的區域通過導水機構，這種強烈的擾流將引起顯著的效率下降，這一點已在模型試驗中得到確認。
將不同工況條件下，仿真得到的水泵揚程和模型效率與模型試驗中得到的測量結果相對比，發現兩者呈現出非常好的一致性，如圖16。從技術角度上講，這意味著隨著數字化仿真工具的不斷發展，可以可靠地預測出非穩態運行的限製條件，而且在試驗台上測得的試驗結果與數字化計算結果出入不大。然而，模型試驗和數字仿真都不可能完全取代另外一種被獨立應用。CFD結果需要通過模型試驗來率定和修正，以改進其絕對預測精度；而另一方麵，模型試驗也不可能向設計者呈現出所需要的詳細的流場三維流動信息。

對水力設計的驗證
為了驗證性能保證和總體運行特性，福伊特西門子在海登海姆的Brunnenmühle水力研究試驗室製造了一套完全相似的模型機組並對其進行了模型試驗。試驗內容包含了評估機組水力性能所必需的所有試驗項目，如效率試驗、空化觀察、壓力脈動測量、飛逸轉速試驗、零流量試驗、活動導葉水力矩試驗、軸向水推力試驗、用於判斷水泵工況下穩定運行必需的安全餘量的四象限特性試驗，以及S曲線特性試驗。同時，四象限特性試驗的結果數據將作為真機過渡過程仿真的輸入條件。
圖17所示為水輪機工況下轉換後的真機效率-出力曲線，圖中藍色曲線是根據加權效率點保證值計算得到的效率。顯而易見的，在滿發工況，測得的效率性能明顯高於保證值；在部分負荷工況下，效率實測值非常接近預期值。
Limberg II水泵水輪機的水力開發基於定轉速機組，主要著眼於寬廣的運行範圍條件和高度的可靠性要求。
除了標準化設計流程中的CFD應用，還進行了一係列針對整體水泵式水輪機在不同工況下的非穩態流動的仿真，其目的是為了確認穩定運行範圍的限製和水泵工況不穩定運行的初生限製。鑒於其寬廣的水頭範圍，對於水泵和水輪機工況下的空化特性也做了大量研究工作。
詳細的模型試驗證實了對高揚程穩定運行限製條件的正確預測。模型試驗中未觀測到不良的空化、噪音或者振動，因此可預見真機的安全穩定運行。Limberg II抽水蓄能水電站的兩台機組將於2010年投入運行。

總結
經過長達一個多世紀的不懈努力，福伊特西門子水電在抽水蓄能電站設備的研發方麵積累了豐富的經驗，在質量和可靠運行方麵都已經達到了相當的高度，現有的技術實力足以滿足各種抽水蓄能電站的需要，且仍在持續改進和不斷完善過程中。
目前對抽水蓄能的水力設計和結構設計的主要任務有維持並提高效率水平，擴大運行區域，探索並減少所有對水電機組實用性和可靠性產生不利影響的因素。為了滿足業主對於提高抽水蓄能電站可用性和降低維護成本的要求，設計過程中對非穩態運行條件進行了深入研究。
福伊特西門子水電成熟的抽水蓄能技術可以為業主提供抽水蓄能電站領域各種特殊的技術需求和個性化解決方案。


參考文獻
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Seminar on Hydropower Plants, Vienna, Austria, 2006.
[2] U. Seidel, M. Rieg, M. Giese, P. Fischer. Long-term experiences with vibration diagnosis in pumped storage power plant Goldisthal / Germany. 24th
IAHR Symp. on Hyd. Machinery and Systems, Foz du Iguassu, Brazil, October 27 - 31, 2008
[3] C. Hauff, J. Klein, E.-U. Jäger, T. Scherer. Modern pump turbines features of adjustable speed machines. HydroVision 2000,
Charlotte, NC, USA, August 8-11, 2000.
[4] F. Flemming, T. Aschenbrenner, A. Jung, R.K. Fisher. Optimization of an adjustable speed pump
turbine using unsteady flow simulations. HydroVision 2008, Sacramento, CA, July 14-18, 2008.
[5] M. Giese, A. Jung, P. Hassler. PSP Limberg II - Optimized design for a wide head range application. Hydro 2008, Ljubljana, Slovenia, October 6-
8, 2008.



作者簡介
林延忠：1990年畢業於哈爾濱工業大學水力機械專業，1996年就職於上海福伊特西門子水電設備有限公司，在水輪機工程設計部門參與大型水泵式、混流式和軸流式水輪機設計工作。現任技術投標部門負責人。
Dr.-Ing. Alexander Jung：高級水力工程師，現就職於德國海登海姆福伊特西門子水電設備有限公司，從事大型混流式和水泵式水輪機的產品開發工作。2000年獲得博士學位，學位課題為用數字化方法預測渦輪機械內部不穩定流動的開發和應用。
Martin Giese：高級水力工程師，現就職於德國海登海姆福伊特西門子水電設備有限公司。畢業於德國斯圖加特大學機械工程專業，1993年進入福伊特西門子水電從事水力設計和模型試驗工作，自2000年起任水泵式水輪機和徑流泵水力設計負責人。
Dr.-Ing. Winfried Moser：現任德國海登海姆福伊特西門子水電設備有限公司水輪機產品開發部門主管。1983年畢業於德國斯圖加特大學機械工程專業，自1989年起，在福伊特西門子水電就職並從事過多種工作職位。