摘要：福伊特西门子水电在开发、设计和制造抽水蓄能电站机组设备方面已经有百年以上的经验。近年来，随着对调峰需求的不断增加以及整个电网对灵活性的要求，为抽水蓄能电站创造了非常广阔的市场前景。
本文通过介绍福伊特西门子水电在近年成功开发的几个典型项目， 描述了对抽水蓄能电站三种不同的解决方案，包括：a) 传统抽水蓄能机组的新拓展；b)变速可逆式水泵水轮机组；c) 具有超宽运行范围的定转速可逆式水泵水轮机。

福伊特西门子水电抽水蓄能机组的开发历史
“蓄能”的概念诞生于19世纪末20 世纪初，其含义为，在需电量较低的时候，利用供电系统中剩余的电能将发电时通过水轮机流入下游水库的水重新抽回上游水库，储存起来为下一次需要发电时所用，实现在发电过程中的再次利用。
在早期的抽水蓄能水电站中，其经典设计概念为水平布置的两套独立机械设备：一端为水轮机，另一端为水泵。在水泵和电动/发电机中间安装有固定联结或者齿轮联结。福伊特西门子水电生产制造的第一台水泵式水轮机组于1907年交货，这也是德国最早的抽水蓄能电站。
可逆式水泵水轮机的出现使得上述两种运行模式在同一套水力机械上实现结合。福伊特西门子水电开发的第一台大型可逆式水泵水轮机组始于1937年巴西的Pedreira抽水蓄能水电站。

到目前为止，距离第一台抽水蓄能机组的问世已经超过一个世纪之久，福伊特西门子水电在为抽水蓄能机组设备的开发、设计和制造方面取得了许多里程碑式的成果。
基于三维纳维尔-斯托克斯仿真方法的流体动力学分析的广泛应用以及计算方法的发展进步，实现了高效地分析整个水力机械包括从蜗壳进口到尾水管出口的流动，对机组进行用户个性化定制设计和最优化方案设计成为可能。这样的设计方法与30年前的设计方法相比较，可以获得性能上的极大改善，以及对运行情况的预测。图1和图2分别为不同类型的水泵和水轮机的适用范围；图3通过一部分福伊特西门子水电在近几十年内提供的主要水电机组展示了机组出力的发展历程。
 
图3   近几十年电站单机功率的发展历程

近年来，不断增加的调峰需求使得抽水蓄能电站在电力系统中变得更加重要。为了适应不同的需求，一些新的水泵式蓄能设备解决方案应运而生，下面将通过列举福伊特西门子水电最新开发的抽水蓄能解决方案对此进行阐述：
•    Kops II水电站：独立的水泵与水轮机设计中的新概念
•    Goldisthal水电站：变转速可逆式水泵水轮机
•    Limberg II水电站：超宽运行水头下的定转速可逆式水泵水轮机

Kops II水电站：经典抽水蓄能机组
电站说明
2004年，福伊特西门子水电与奥地利的Kops II抽水蓄能电站签订合同，为其三台机组提供三级水泵、球阀和液压扭矩变换器，福伊特西门子水电于2005年成功完成了模型验收试验。其后，Kops II水电站于2008年投入商业运行。
目前对跨国电力供应系统提出的新的要求如下：
•    出力增加
•    活动抽水蓄能
•    附加控制能量
•    电压控制
•    频率控制
•    无功功率控制
•    二次控制要求（可能也包括一次控制）

 
这些要求同时也意味着对抽水蓄能电站新的约束条件，包括：
•    水力闭路循环操作
•    异步平衡模式
不可调节水泵的特点在于，其处于部分负荷与超负荷工况时效率下降非常快，因此，当水泵在名义工况下运行，供电系统的剩余电能达到最小时，此时可获得较大收益。为了补充缺少的电能，将水直接从水泵导入同一机组的水轮机中，这种操作模式被称为“水力闭路循环”，如图4所示。这种模式对于冲击式水轮机尤其有效，因为这类机组通常在非设计工况具有非常大的效率落差。
水力闭路循环已经被采用多年，它的另一个明显优势在于，在闭路循环操作过程中，发电机可以保持同步不变，因此从空转变换到水泵名义工况或者水轮机工况的过程只需要很短的时间[1]。
Kops II电站数据
Kops水库（上游水位）
•    最大水位:    1811,29 m.a.s.l.
•    最小水位:    1730,29 m.a.s.l.
Rifa水库（尾水位）
•    最大水位:    1007,15 m.a.s.l.
•    最小水位:      993,09 m.a.s.l.
水头范围
•    Hgeod =  818,2 – 723,14 m
机组流量
•    Qturb   = 25 m³/s
•    Qpump = 18 m³/s
功率范围
•    Pturb       = 150 – 173 MW
•    Ppump     =  125 – 180 MW
•    Pconverter  ~    80 MW
转速
•    n = 500 rpm

液力扭矩变换器
缩短工况转换时间的关键在于基于赫尔曼-弗廷格原则的液力扭矩变换器，它安装在蓄能泵和机组主轴之间，变换器一端是水泵主轴与泵叶轮固定连接，另一端水轮机主轴与转轮固定连接。变换器可以将电动机的电能传输给其中的水，也可以将水泵抽回的水中的能量重新转换成轴的机械能。当变换器为空的时候，产生的出力损失非常少；在开停机过程中转换器内充满水，全部能量被转换，水泵轴可以实现在数秒内加速或减速；当主轴与水泵轴以相同的转速旋转时，液力扭矩变换器没有明显磨损。
目前最大容量的液力扭矩变换器已经应用于150MW出力的机组，从技术上讲，还可以应用于更大出力的机组。图6所示为液力扭矩变换器的剖面图和实物照片。
采用液力扭矩变换器的主要优势有：
•    极大地缩短开机时间：向液力扭矩变换器内开始注水，十秒之后，可以从电网中引入约60%的蓄能泵入力，同时阀门被打开。
•    使空载损失最小化：变换器造成的能量损失不足名义出力的0.05%。
•    自调节至同步运行：不需要外部调速器。
•    使耗水量最小化：水从尾水获得，相对于利用一个启动水轮机来启动水泵的方法，液力扭矩变换器无需消耗压力钢管中的水。

          
图6   Kops II 电站液力扭矩变换器剖面图与实物照片

Goldisthal水电站：变转速水泵式水轮机
Goldisthal抽水蓄能电站位于德国，装备了四台单级混流式可逆式水泵水轮机组，额定毛水头301.6m下，额定出力为269MW。机组布置形式为一管两机，同一管道上连接的两台机组中一台为同步定转速机组，另外一台为变转速机组，可以实现在不同的水泵扬程下大于80MW的水泵入力变化范围。此电站的水泵水轮机连同调速器合同于1997年10月签订，并于1999年成功完成模型验收试验，自2003年投入商业运行起，一直维持着稳定、低噪音运行至今[2]。
机组主要参数：
水头范围H [m]    279.2 - 334.0
额定/最大水轮机出力PTu [MW]    269 / 325
转轮进口直径 (水轮机工况) D2 [m]    4.6
转速n [rpm]    333.3    300 - 346.6
最小/最大水头下水泵入力PPu [MW]    262 / 247    168 - 291 / 186 - 289
不同水头下最小入力变化P [MW]    -    > 100

变转速抽水蓄能机组是当前许多抽水蓄能水电站在计划和优化阶段采用的主要方案，此方案不仅能切实地提高水轮机发电工况在部分负荷时的效率，而且能实现水泵工况下的入力变化。对同步定转速机组来说，入力取决于水泵的实际扬程，是固定值，此时其流量也由机组水泵特性所决定。因此，相对于定转速机组，变转速机组可以提供更高的运行灵活性，并因具有更宽的运行范围而获得更高的电站效率[3]。
开发变转速机组需要大量额外的科研和开发工作，以确保机组在所有稳态工况和瞬时工况下的安全运行，并保证运行中各种变化可能产生的负荷均在允许范围之内。
实现机组可变转速的途径主要是通过在水泵工况下控制机组入力实现，与此同时，可以改善水轮机工况下部分负荷的效率和运行情况。
研发的过程是基于当前已广泛应用于各种类型水轮机设计的同步工程方法。利用计算机辅助设计系统(CAD)生成三维几何结构，通过计算流体动力学方法(CFD)进行最优化设计，并使用基于有限元(FEA)的分析方法，实现机组流动损失最小化，并使设计应力维持在限制范围内[4]。
CFD分析的结果将为结构分析提供初始条件。通常最大应力出现在转轮叶片和上冠或下环之间的过渡部分，为了优化关键位置的几何结构，需要在相关区域采用精细的计算网格才能获得精准可靠的计算结果。在叶片和转轮上冠之间的过渡区域对叶片型线或者内圆角半径进行修改，不仅可以改变这个区域内的应力，还会影响到流场内的压力分布，以上这些影响都必须通过谨慎的研究找出最佳设计方案，获得优秀可靠的性能。
水力开发的一项重要任务是达到稳定的水泵特性的同时，具备可接受的空化特性。
图8中对水泵特性的无量纲化表示法恰到好处地描述了客户要求的变转速机组和传统定转速水泵式水轮机设计需求之间的对比。变转速机组的运行范围取决于能量变化和速度变化各自的需求范围，相对于同步定转速机组，它具有更宽的无量纲化扬程-流量曲线(Ed-Qd)，以及更宽的空化特性曲线。
由于具有较宽的流量变化范围，变转速机组具有较低的安装高程，因此需要对叶片型线进行优化设计以满足较大范围的入流条件。在每个单一水头下，约为30% 的功率变化范围是合理的，并且不会对安装高程产生较大影响。
通常对于同步定转速机组来说，其基于水泵工况的设计方法使得在水轮机工况下，机组的运行范围会远离最优效率工况点，图9中所示为同步转速为333rpm的机组与最小可调速度300rpm的机组分别在水轮机工况下的水头范围对比（以能量系数Ed表征），可以看出，由于速度的减小，使得变速式机组的运行范围向着靠近最优效率点的方向移动，从而产生了可观的效率增加，如图10所示。特别是在水轮机部分负荷工况下，即使变转速机组因为其特殊的电气设备，如可调速电动发电机和变频器，相对于定转速电动发电机将造成额外的投资，但是变转速机组仍然具备高于定转速机组大约1%的效率值。此外，变转速机组还具有更好的空化特性和更低的压力脉动水平。以上优点有利于增加业主的经济效益并提高机组的运行灵活性。



Limberg II 水电站
福伊特西门子水电2006年与Verbund水力电力公司签订合同，负责开发和制造Limberg II抽水蓄能电站的两台可逆式水泵水轮机组，如图11和12所示，并于2007年成功完成模型验收试验。

电站特性
Limberg II水电站主要运行条件和机组参数：
水头范围H [m]    288.0 - 436.0
Hmax/Hmin = 1.51
水轮机最大出力PTu [MW]    240
转轮进口直径 (水轮机工况) [m]    3.92
转速n [rpm]    428.57
水泵最大入力PPu [MW]    235
水泵额定流量 [m³/s]    56
机组台数    2

从上表中数据可以看出，此电站与一般的电站参数相比，具有相当宽的水头变化范围，水力开发因此成为定转速水泵水轮机研究的巨大挑战[5]。

水力设计和流动特性预测
对于水泵水轮机最常见的水力设计方法，就是针对不同电站的特殊要求找到其水轮机性能和水泵性能之间的最佳平衡。对于具有较宽水头变化范围的Limberg II水电站来说，最关键的技术要求在于，在整个水头范围内同时实现稳定的水泵工况和最优化的水轮机性能。
备受争议的非稳态流动仿真在设计阶段被采纳和广泛应用。此方法和标准化的设计程序相结合，旨在最大程度的降低在模型试验阶段中，根据试验结果作出的设计修改可能造成的风险。
对于设计者来说，这种具有较宽运行范围的水泵水轮机是一个很大的挑战。目前最先进的高速并行计算机的应用使得CFD仿真技术在突破水泵水轮机的两大主要障碍中具有非常出色的表现，第一个主要限制，是高水头非稳态流动和恶劣工况运行限制，第二个主要限制，是高、低水头水泵循环空化和破坏性流动特性运行限制。以往利用时间平均技术的数据仿真有助于理解以上这些流动状况下的基础物理现象。目前，非稳态流动计算已经发展到可以预测流场中非稳态时间点的变化现象，因此可以从流动稳定性和空化观察两方面，对反复设计过程中为扩大运行范围和超出合同要求限制而采用的特殊设计进行更好的评估。
水泵水轮机中流动的不稳定性是固有特征。对于仅仅只考虑稳定状态流动条件的标准化设计实践，既不能以合理的方法获得和描述这种不稳定现象，也无法可靠的预测新开发的水泵水轮机在接近或超出指定的运行范围限制时可能产生的流动状态。因此，在过去的电站设计中，需要等到模型试验阶段开始以后，才能对稳定运行的边界条件进行研究，这样，一旦需要作出设计修改，就必将延长模型开发需要的时间。
当前的计算机硬件和仿真模拟软件使得设计者只需要通过对水泵水轮机整个流道主要部件进行数字化建模，就可以经济有效地研究非稳态流动现象，由于可以在模型试验之前可靠的预测出运行特性，设计的周期被缩短，模型试验的次数也因此而减少，整个新的设计开发时间相应缩短。不仅如此，通过非稳态CFD计算可以获得基于时间变化的压力场，从而预测出转轮及其它静止部件上的动态负荷情况，这些预测结果可以用作有限元分析(FEA)和动态仿真的边界条件。
前述的研究证明，当前的设计和分析方法有能力精确地预测具有较大水头范围的定转速可逆式水泵水轮机，在运行条件接近、达到和超过水泵稳定运行工况限制时的流场，其计算结果已通过与模型试验数据进行对比得到验证。以下通过展示其主要过程和所研究的运行工况，简要介绍数值分析模型，并讨论计算结果和它们在允许的运行范围内产生的影响。
为了获得预期的非稳态流动特性和大尺寸的流动现象如导水机构中的旋转失速，合理建模需要的最小计算区域包含了整个水泵水轮机从进口到蜗壳再到尾水管出口的区域，整个计算结构如图13所示，其中包括，尾水管(DT)、全叶片转轮(RU)、活动导叶(WG)和固定导叶(SV)组成的双列叶栅，以及蜗壳和一部分进口压力钢管(SC)。下文对计算结果进行的评估中，将主要集中在双列叶栅和转轮，因此为了更清楚地呈现这两部分，我们将省略蜗壳和尾水管部分。

     
图13   整体几何结构（左图） 和转轮详图（右图，包含进、出区域）

通过对水泵特性曲线上一同工况点进行一系列相应的流动仿真，以识别其稳定运行范围的限制条件和水泵的初生非稳态流动。现对其中三个运行工况点的计算结果进行详述，参见图14：
•    OP1 对应于最大水泵扬程具有一定距离的稳定运行工况点
•    OP2 最大扬程下水泵开始进入非稳定运行区。此工况下可观察到滞回性能，水泵的入力变化不显著，效率水平下降并伴随强烈的振动。如果继续加大扬程，则必须停机以保护机组不受破坏。
•    OP3 水泵在扬程高于OP2的条件下运行。这种运行状态对于水力机组具有破坏性，但是通过流动仿真可以研究其流动现象并测定此种工况下的动态载荷。
CFD仿真计算中需要指定一个适当的流量Q，此时水泵扬程H将由计算得到，因此输入CFD计算的条件为：
•    Q(OP1) / Q(OP2) = 1.1   
•    Q(OP3) / Q(OP2) = 0.9   
上述用于计算的几何结构被划分为分块结构化六面体单元网格，包含大约9.5×106个计算结点数。计算的时间步长为每计算400步，转轮正好转动一周，也就是说每计算一步，转轮的角度位置变化0.9˚。为了确保得到的计算结果从过渡过程充分发展为紊流状态，对每一个被仿真的工况点，都对转轮旋转数周所需时间内的非稳态流动进行了仿真计算。
图15中为导水机构中心平面经规格化后的全压分布图，很显然，在OP1工况点（左图），所有双列叶栅流道中的流动都呈对称的周期性变化，流动完全稳定。此时双列叶栅周围的流动分布均匀平缓，只有活动导叶下游存在卡门涡。另外，可以观察到一种特殊的流动现象，即转轮引起的压力波动对其上游蜗壳产生的对流，这种现象只能在对完整的双列叶栅和转轮进行非稳态仿真时才能观测到。以上结果表现为压力波动，其频率为转轮的叶片通过频率，而活动导叶水力矩也会相应的在运行过程中产生变化。

随着扬程的提高，当机组开始在稍高于最大许用扬程的区域运行，即高水头不稳定区域的初始点（OP2）,　全压分布开始偏离前面分析得到的均匀分布（见图15中图）。此时，双列叶栅中的失速现象开始发展成为高度三维的流态。上图很好地解释了水泵在这种工况下的内在的不稳定特性。这种失速现象将沿顺时针方向旋转，转轮每旋转一周，它大约转过一个叶道的位置。在这种流动条件下，水泵的运行预计是恶劣的。
当进一步增加扬程，流动状态将发展成完全的不稳定运行(OP3)。此时，三处明显的旋转失速区域沿圆周平均分布，即图15（右图）中深色代表的低压区域。这些流动失速区域就像障碍物一样迫使主流只能从大约六个流道面积的区域通过导水机构，这种强烈的扰流将引起显著的效率下降，这一点已在模型试验中得到确认。
将不同工况条件下，仿真得到的水泵扬程和模型效率与模型试验中得到的测量结果相对比，发现两者呈现出非常好的一致性，如图16。从技术角度上讲，这意味着随着数字化仿真工具的不断发展，可以可靠地预测出非稳态运行的限制条件，而且在试验台上测得的试验结果与数字化计算结果出入不大。然而，模型试验和数字仿真都不可能完全取代另外一种被独立应用。CFD结果需要通过模型试验来率定和修正，以改进其绝对预测精度；而另一方面，模型试验也不可能向设计者呈现出所需要的详细的流场三维流动信息。

对水力设计的验证
为了验证性能保证和总体运行特性，福伊特西门子在海登海姆的Brunnenmühle水力研究试验室制造了一套完全相似的模型机组并对其进行了模型试验。试验内容包含了评估机组水力性能所必需的所有试验项目，如效率试验、空化观察、压力脉动测量、飞逸转速试验、零流量试验、活动导叶水力矩试验、轴向水推力试验、用于判断水泵工况下稳定运行必需的安全余量的四象限特性试验，以及S曲线特性试验。同时，四象限特性试验的结果数据将作为真机过渡过程仿真的输入条件。
图17所示为水轮机工况下转换后的真机效率-出力曲线，图中蓝色曲线是根据加权效率点保证值计算得到的效率。显而易见的，在满发工况，测得的效率性能明显高于保证值；在部分负荷工况下，效率实测值非常接近预期值。
Limberg II水泵水轮机的水力开发基于定转速机组，主要着眼于宽广的运行范围条件和高度的可靠性要求。
除了标准化设计流程中的CFD应用，还进行了一系列针对整体水泵式水轮机在不同工况下的非稳态流动的仿真，其目的是为了确认稳定运行范围的限制和水泵工况不稳定运行的初生限制。鉴于其宽广的水头范围，对于水泵和水轮机工况下的空化特性也做了大量研究工作。
详细的模型试验证实了对高扬程稳定运行限制条件的正确预测。模型试验中未观测到不良的空化、噪音或者振动，因此可预见真机的安全稳定运行。Limberg II抽水蓄能水电站的两台机组将于2010年投入运行。

总结
经过长达一个多世纪的不懈努力，福伊特西门子水电在抽水蓄能电站设备的研发方面积累了丰富的经验，在质量和可靠运行方面都已经达到了相当的高度，现有的技术实力足以满足各种抽水蓄能电站的需要，且仍在持续改进和不断完善过程中。
目前对抽水蓄能的水力设计和结构设计的主要任务有维持并提高效率水平，扩大运行区域，探索并减少所有对水电机组实用性和可靠性产生不利影响的因素。为了满足业主对于提高抽水蓄能电站可用性和降低维护成本的要求，设计过程中对非稳态运行条件进行了深入研究。
福伊特西门子水电成熟的抽水蓄能技术可以为业主提供抽水蓄能电站领域各种特殊的技术需求和个性化解决方案。


参考文献
[1]    G. Penninger, F. Spitzer. New challenges for modern pump storage units. 14th International 
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.



作者简介
林延忠：1990年毕业于哈尔滨工业大学水力机械专业，1996年就职于上海福伊特西门子水电设备有限公司，在水轮机工程设计部门参与大型水泵式、混流式和轴流式水轮机设计工作。现任技术投标部门负责人。
Dr.-Ing. Alexander Jung：高级水力工程师，现就职于德国海登海姆福伊特西门子水电设备有限公司，从事大型混流式和水泵式水轮机的产品开发工作。2000年获得博士学位，学位课题为用数字化方法预测涡轮机械内部不稳定流动的开发和应用。
Martin Giese：高级水力工程师，现就职于德国海登海姆福伊特西门子水电设备有限公司。毕业于德国斯图加特大学机械工程专业，1993年进入福伊特西门子水电从事水力设计和模型试验工作，自2000年起任水泵式水轮机和径流泵水力设计负责人。
Dr.-Ing. Winfried Moser：现任德国海登海姆福伊特西门子水电设备有限公司水轮机产品开发部门主管。1983年毕业于德国斯图加特大学机械工程专业，自1989年起，在福伊特西门子水电就职并从事过多种工作职位。