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下面我们重点来学习一下

非常重要的

水泵水轮机的全特性曲线

随着电力需求的变化

及环境保护需要

核能 太阳能 风能

生物质能以及水能 海洋能等

可再生能量规模越来越大

这些间歇性的能源

影响电网的运行品质

国家电网和南方电网等

大电网 正在大规模地

建设大型抽水蓄能电站

通过蓄能机组来进行

电网大容量的调峰 调频等

以改善电网运行品质

特高压 智能电网的发展

同样需要加速

抽水蓄能电站的建设

抽水蓄能机组的特点是

当电网中有富余的电能时

将水抽到高山上面

将能量储存起来

当电网电能不够时

利用高处的水进行发电

补充电能的需求

抽水蓄能机组的尺寸

可以做得比较大

目前抽水蓄能机组单机容量

一般在30万kW

有的达到40-45万kW

如果一个电站

有4-5台这样的机组

那么这个电站

将会达到100-200万kw

抽水蓄能的能力

像美国 欧洲 日本

较早建设了比较多的

抽水蓄能电站

我们国家近几年快速建设了

大量的抽水蓄能电站

预期到2020年之前

我国将达到6000万kw

以上的抽水蓄能电站

更长远可能达到1亿KW以上

来确保我们国家电网的安全性

目前我国使用的调峰机组

有调峰火电机组

燃气轮机组等

但是都没有抽水蓄能机组

启停快速 调节灵活

同时又环保经济

水泵水轮机流道包括蜗壳

固定导叶 活动导叶

转轮以及尾水管

最典型的运行工况是

正向运行工况

为水轮机工况

反向运行工况为水泵工况

下面我们来分析一下

水泵水轮机的全特性曲线

根据水电站水轮机行业的习惯

定义正向水轮机旋转方向

为转速正方向

流量正方向为蜗壳入口

流向尾水管方向

水头（扬程）定义为涡壳

进口侧总压减去

尾水管出口侧总压

水力矩定义为驱动转轮

按正向水轮机方向

旋转的力矩为正

相反为负

这和我们刚才水泵行业

所述的正反向定义有区别

但内涵是一样的

如图所示为水泵水轮机

最典型的全特性曲线

我们先来分析横坐标

为单位转速n11

纵坐标为单位流量Q11

绘制的全特性性能曲线

它反映了等导叶开度下的

水头转速和流量的关系

这个曲线由

模型机组模型试验获得

可以通过模型真机

相似工况的性能换算

来预测真机性能

根据蓄能电站水泵水轮机的

实际运行条件

我们来分析其

容易出现的运行工况

先分析①区

即正向水泵运行区

这时转速为负

流量为负 扬程为正

泵电机输入能量对转轮作功

水力矩为正

这是吸水蓄能的正常运行工况

运行效率高也是

水泵水轮机水力设计

主要考虑的运行方式

水泵工况空化性能相对较差

决定了机组的安装高程

或者说机组挖深主要由

泵工况的空化性能决定

进一步讲就是很大程度地

决定了电站的建设成本

由于蓄能电站很高的扬程

实际运行中机组不太可能

进入零扬程工况和负扬程工况

也就不会进入反向水轮机

制动工况和反向水轮机工况

但是通过关闭导叶或出口球阀

机组是可以

在零流量工况下工作的

这也是泵工况关阀

启动时的零流量工况

零流量扬程

受导叶开度影响很小

是图中不同开度下的

等开度线与负x轴

几乎交于一点的原因

这个零流量扬程是很重要的

最根本的一点是

零流量工况下

如果是闭阀启动

泵旋转产生的阀后水压力

必须大于阀前上游水压力

如果是阀门打开导叶关闭

则泵旋转产生的

无叶区（或导叶后）

水压力必须大于

导叶前上游水压力

零流量扬程工况点

转轮转速为负 流量为零

水力矩为正 扬程为正

闭阀情况下

水力矩在不同导叶开度下

大小不一样

这是内部流态不一致导致的

下面来分析②区

即水泵制动工况

如果在零流量工况点

将导叶打开至某一开度

同时保持电机转速不变

正常运行状态是机组进入

某正向水泵运行工况点

但如果保持导叶开度不变

而将电机从电网脱开

水泵转轮转速为负

但水流对转轮的作用力矩

为正向水力矩

与转轮的旋转方向相反

且无输入力矩与之平衡

反向转速降低

这时叶轮对流体提供的能量

不足以克服蜗壳进口的压力

水流倒灌 从蜗壳流向尾水管

流量变为负

结果使正向水力矩增加

转速越来越小 直至为零

这就是正向水泵的制动工况区

从零流量工况点保持

导叶开度不变

而逐渐降低机组的反向转速

也可以使机组进入泵制动工况

此时虽然有功率输入

但叶轮对流体提供的能量

不足以克服蜗壳进口的压力

水流倒灌 流量也将变正

水流过转轮后能量减小

在模型实验中

可以通过这种方式

获得制动工况区的性能曲线

再来分析③区

即正向水轮机工况区

机组在泵制动工况后

水头仍然为正 流量为正

转轮受到的水力矩也为正

如果没有限制

机组经过0转速后

将开始反向旋转

转速为正

当机组转速接近额定转速后

就可以并网进入

水轮机正常运行工况

如果在某开度正常

水轮机工况运行的机组

出现脱离电网

而导叶开度不变

由于实际电站水头不变

机组转速在正向

水力矩作用下快速提高

正向水力矩减少 直到接近于0

机组进入飞逸状态

这时转轮内部流态极差

转速为正 水头为正

出现该开度下的水轮机

工况下的最高转速

工程上蓄能机组

在设计阶段往往很难

准确计算电站水力系统损失

提出准确的运行水头

机组开发阶段也很难准确

预测机组飞逸转速

尤其机组试运行阶段

很难得到较高的运行水头

在机组运行初期

如果设计不当

会导致机组低水头运行区

难以成功并网

飞逸转速由导叶开度

和水头决定

如飞逸转速都

达不到要求的并网转速

就难以成功并网发电

蓄能机组转轮

在导叶逐步开启

转速增大过程中

易在无叶区形成水环运动

即使继续打开导叶开度

也难以增大流量

机组转速极难进一步提高

有些电站

不得不采取几个导叶

单独打开的方式

业内称小导叶设计

来破坏无叶区

水环流动的阻止影响

从而增加水力矩来提高

转速的方式解决并网问题

继续分析④区

该区为水轮机制动工况区

机组达到飞逸状态

正向转速最高

水力矩接近于零

在实验中

如果此时降低水头

致流量减小

此时 水力矩将变为负值

与转轮的旋转方向相反

对机组起到制动作用

由于这时转轮

和尾水管内流态很差

充满漩涡 水流易空化

极易使得流道堵塞

直到流量变为0

因此这个区域机组很不稳定

转速和流量

都易出现较大波动

再来分析⑤区

在模型试验中

在水轮机制动工况

致流量为零时

如果通过电动发电机

向转轮输入功率

并进一步增加

转速或降低水头

就出现了

反向水泵运行区域

这时扬程为正 流量为负

水从尾水管流向蜗壳

转轮流经转轮后能量增加

同时 转速为正

水力矩为负

与电机输入的力矩平衡

这个工况就是

反向的水泵旋转工况

并非泵的正常运行方向

此时 转轮内和导叶

及蜗壳内流态很差

效率极低 正常情况

蓄能机组是不会

在此工况输入能量

来抽水运行的

另外一种可能出现

此区运行的原因

是瞬态过程中在转轮段

出现了负的流量

譬如导叶快速关闭

转轮进口无叶区

出现局部较大真空

导致出口压力

大于进口压力

此时即使没有电动机

给转轮输入能量

水流也会被吸进转轮

而这时扬程为正

流量为负 转速为正

水力矩为负

机组也处于反水泵运行区

如果在反水泵运行区域

同一转速下

扬程下降流量增大

扬程因特殊原因降低至零

这时机组进入

零扬程工况点

随后进入

反向水泵制动工况区

扬程为负 流量为负

水力矩为正 转速为正

在常规蓄能电站

因扬程几乎不会达到

接近零的状态

这种反向水泵制动工况

是不会出现的

综上 我们可以看出

常规水泵 水轮机运行时

会出现正向水泵工况

正向水泵制动工况

正向水轮机运行工况

及正向水轮机制动

和反向水泵运行工况

这些内容理解起来相对困难

希望同学们课后细细体会

如有新发现 一定告诉老师