黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾_郑建兴.pdf

87郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾0引言黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城县桥驿镇，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区，为湖南省第一座建成投运的抽水蓄能电站1。装设 4 台单机容量为300MW 的单级立轴混流可逆式机组，电站毛水头/静扬程335.0 272.8m，水轮机工况额定水头 295m，属 300m 中水头段机组，比转速适中，最大扬程与最小水头的比值达到 1.27，水头变幅范围大，水力设计难度高。2005 年，在国家发展改革委统一部署下，对抽水蓄能机组进行打捆招标，开展国际合作，以市场换技术，黑麋峰电站机组为打捆招标的第二批项目。2006 年 12 月，签订机组及其附属设备设计供货合同，首次由国内制造厂（东方电机有限公司，以下简称东电）担任机组及其附属设备合同的主包方，负责设计、制造、供货，并提供安装、调试、试验全过程服务；按照“技术引进、消化吸收”，然后再“扶一程”的原则，阿尔斯通作为技术支持方和关键部件的分包商，水力设计及首台机组整机供货由阿尔斯通负责，、机组逐步过渡到全国产化。2009 年 8 月，电站首台机组投入商业运行，2010 年全厂 4 台机组全部投入商业运行，并首次由中方牵头完成调试试验工作。电站机组在调试试运行期间，存在水轮机工况转速波动大、并网困难问题，后通过设置非同步导叶预开启装置得到解决；水轮机工况甩负荷需要采用导叶延时关闭、球阀参与调节等措施；过渡工况振动、摆度偏大且压力脉动剧烈。同时，电站输水系统高压岔管上方山体区域存在环境振动问题，夜间机组运行时，存在较明显的振感，严重影响居民的正常生活和社会安定。电站机组转轮叶片数与活动导叶数采用 9+20 组合，几乎囊括了我国抽水蓄能机组技术引进、消化吸收阶段，阿尔斯通水力设计所有的典型特征，是我国抽水蓄能电站重要装备国产化的“试验田”和“试金石”。2011 年，电站进行了现场甩负荷试验，在进行单机甩100%负荷试验和同一流道双机甩 50%负荷时，发现包含压力脉动的蜗壳进口压力已达 480m 左右，超出数值模拟计算值较多，当时由于缺乏足够的认识，相关试验未予全部完成。黑麋峰抽水蓄能机组国产化与 水力优化总结回顾郑建兴1，刘平2，梁权伟3，任绍成4，曾艳梅1（1中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014；2国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市410200；3东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市618000；4中国水利水电科学研究院，北京市100038）摘要：本文简要介绍了黑麋峰抽水蓄能机组经历了“技术引进、消化吸收”阶段，在水力过渡过程、水轮机空载并网、现场甩负荷试验以及土建结构与区域环境振动遇到的诸多问题，通过不断地去探索问题的本质和根源，寻求解决措施及方法。国内制造厂“自主创新”阶段，通过对机组水力优化和改造升级，全面解决了上述问题，成为第一座由国内制造厂自主对引进技术的可逆式机组进行水力优化、改造升级的抽水蓄能电站，标志着我国抽水蓄能电站在设计、建设、运行维护和技术改造水平得到了稳步提高，在水力设计等关键技术领域取得了重大突破，其改造思路和方法，可作为同类电站借鉴和参考。关键词：抽水蓄能机组国产化；水泵水轮机“S”特性；导叶延时关闭；非同步导叶；水力激振；区域环境振动；水力优化与改造中图分类号：TV743文献标识码：A学科代码：570.3520DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.01588水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20232014 年，在国网新源控股有限公司（以下简称国网新源公司）的领导下，黑麋峰公司组织相关单位重新启动并全面完成了机组甩负荷试验。2015 年 3 月，国网新源公司专家技术委员会在北京主持召开了黑麋峰机组运行方式审查会，针对机组压力脉动较大问题，专家建议对与其他三台机组差异性作进一步分析比对，并对下一步机组全方式运行作进一步研究。2015 2016 年，黑麋峰公司联合设计院和科研单位，针对输水系统区域环境振动问题，通过现场试验和三维有限元数值模拟计算相结合的手段，对其产生的机理、振源及其传递路径和运行规律等进行了系统全面的分析研究。从 2016 年开始，黑麋峰公司联合设计院与制造厂，在充分消化吸收可逆式机组技术转让成果基础上，攻坚克难，历时 2 年，全面开展了机组水力优化工作。2019 年 1 月，国网新源公司在北京主持召开了黑麋峰机组水力优化成果专家评审会，水力优化关键性能及主要目标参数合理，优化结果全面达到预期目标，水力优化方案通过评审，技术上已具备开展下一步工作的条件。随后，第三方模型验收试验在中立试验台中国水利水电科学研究院大兴试验基地水力机械实验台 TP1 上进行，经验收试验验证，东电自主开发的 D961C模型水泵水轮机各项关键水力性能和主要技术参数全面达到了预期目标。2020 年 12 月，结合机组 A 修更换了新的转轮及导水机构，经过调试、试验及实际运行验证，全面解决了困扰电站运行多年的诸多问题，实现了既定目标。电站成为第一座由国内制造厂自主对引进技术的抽蓄机组进行水力优化改造升级的项目，标志着我国抽水蓄能电站在设计、建设、运行维护和技术改造水平得到了稳步提高，在水力设计等关键技术领域取得了重大突破，其改造思路和方法，可作为同类电站借鉴和参考。1探路1.1水泵水轮机模型试验2007 年 1 月，黑麋峰水泵水轮机模型验收试验在法国阿尔斯通 TP3 试验台进行。在进行水泵水轮机四象限特性试验时，水泵水轮机全特性曲线出现了非常明显的“S”形区域1-2（见图 1）。在水轮机实际运行水头范围内，空载开度 为 5 12，处于不稳定的“S”形区域。在此区域内，机组的同一个单位转速 n11对应 3 个不同的单位流量 Q11，而其中 1 个单位流量 Q11为负值，即水轮机工况空载同期并网、甩负荷等过渡工况易进入反水泵区，产生不稳定现象3。同时，在 16 个同步导叶开度为 6，其他 4 个导叶非同步开度为 25下，对水轮机空载区域“S”特性重新进行了试验1，试验结果得到明显改善。在之前投入运行天荒坪、张河湾抽水蓄能电站均遇到了此问题，后通过采用非同步导叶方案予以解决。从当时的技术水平来看，尚没有提出“S”区裕度的概念，也没有在合同中明确规定水轮机空载并网不允许采用非同步导叶方案。因此，从当时的技术水平、工程进度和阿尔斯通的项目饱和程度等综合考量，模型验收试验组最终在验收会议纪要上签字，验收试验予以通过。105100959085757080200180160140120100806040200单位转速n11/(r.min1)单位流量Q11/(L.s1)图 1水轮机空载区域“S”特性1Figure 1 “S”characteristics in no load area of turbine89郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾另外还注意到，水轮机空载和部分负荷工况，导叶与转轮之间的压力脉动相对较大。同时，水泵水轮机空化试验结果表明，在 49.5Hz、最大扬程、最小流量工况和 50.5Hz、最小扬程、最大流量工况运行时，初生空化系数稍大于电站空化系数。但从目前电网频率的实际偏差范围来看，机组运行在上述两个极限频率区的可能性几乎不存在。从整体来看，黑麋峰水泵水轮机虽然可满足电站长期在无空化状态下运行的要求，但是空化裕度偏小1。1.2水力过渡过程问题2004 年，可研阶段利用相近水头和比转速的机组全特性曲线进行了水力过渡过程计算，蜗壳、尾水管等主要部位压力极值以及机组最大转速上升率均满足调节保证值要求。2007 年，机组完成模型验收试验后，为解决水轮机工况甩负荷时尾水管真空度问题，阿尔斯通先后提出了导叶延时 10s关闭1、进水球阀参与调节（先后提出了一段和两段关闭规律）等非常规手段（见图 2），并召开了多轮次的专题研究会议。鉴于此，还先后委托了武汉大学、河海大学进行复核计算与分析，均没有找到更好的导叶关闭规律和解决措施。通过不断地深入研究和探索，究其问题的根源，为水泵水轮机“S”特性对水力过渡过程的影响，在此不再赘述。605040302010010080604020导叶/球阀开度/%时间/s水泵工况导叶关闭规律水轮机工况导叶关闭规律老的球阀关闭规律：一段60s新的球阀关闭规律：二段15s+150s图 2导叶和进水球阀关闭规律图Figure 2Closure law for guide vane and intake spherical valve1.3水轮机工况空载并网问题2009 年 5 月，电站首台机组开始有水调试，调试试运行初期转速波动大（约 8%），难以并网（见图 3），阿尔斯通通过设置 6 个非同步导叶预开启装置得以解决，且在所有运行水头下空载起动并网时均需要投入，在水头301.7m 以上运行时需投入 4 个非同步导叶，在水头 301.7m及以下运行时需投入 6 个非同步导叶2（见图 4），这在行业内尚属首次。在水泵水轮机全特性曲线表现为，水轮机制动工况全水头运行范围内均存在明显的“S”形不稳定区域特性。然而，非同步导叶实际上是破坏了转轮腔体内的水力平衡，水轮机工况空载并网问题虽然得到了解决，但是过渡工况机组振动、摆度较大，部分指标甚至超出规范要求2。1.4现场甩负荷试验2011 年 1 月，电站 4 台机组全部投产后，进行了现场甩负荷试验，在进行单机甩 100%负荷试验和同一流道双机甩50%负荷时，发现包含压力脉动的蜗壳进口压力超出计算值较多，相关试验未予完成4。2013 年 10 月，黑麋峰公司组织相关单位重新启动机组甩负荷试验，中南院联合武汉大学首次将经验模态分析法系统全面地应用到抽蓄机组的甩负荷试验反演分析中4-5。经过对全厂 4 台机组累计 40 多次甩负荷试验，预测压力极值与实测压力极值吻合性较好，为机组历次甩负荷试验提供了可靠的技术保障，规避了试验存在的技术风险，圆满完成了同一流道双机同时甩 100%负荷试验。同时，取得的几点成果和认识如下：（1）经过对历次甩负荷试验数据的频谱分析，求得的均90水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023120.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.00100.0080.0060.0040.0020.000.00250.00260.00270.00280.00290.00300.00310.00320.00时间/s转速/(r.min1)转速：Hmax=335m导叶开度：Hmax=335m导叶开度：Hn=315m导叶开度：Hmin=272.8m转速：Hn=315m转速：Hxin=272.8m导叶开度/%图 3同步导叶条件下的机组转速波动Figure 3Unit speed fluctuation under synchronous guide vane condition370.0350.0330.0310.0290.0270.0250.00.02.04.06.08.010.012.014.0272.8m301.7m335m导叶开度/()非同步导叶工况:14个同步导叶和6个非同步导叶(其中2个导叶10,4个导叶22)16个同步导叶处于开启状态14个同步导叶处于开启状态非同步导叶工况:16个同步导叶和4个非同步导叶(其中2个导叶10,2个导叶22)非同步导叶工况下的同步导叶开度模型试验(20个同步导叶)现场试验(6个非同步导叶)导叶开度限制线水轮机水头4个非同步导叶6个非同步导叶水头/m图 4非同步导叶开启条件Figure 4Opening conditions of asynchronous guide vane值压力及变化趋势与水力过渡过程复核计算预测的均值压力及变化趋势基本吻合（见图 5、图 6）5。（2）经过实测数据分析，机组甩负荷时各主要测点压力极值及最大转速上升率均发生在导叶延时 10s 关闭时间以内，且各压力测点部位的脉动幅值均较大，尤以机组尾水管进口压力比较突出；导叶开始关闭以后，球阀进口、蜗壳进口及尾水管进口各主要部位压力脉动幅值明显减弱4（见图 7）。（3）从机组甩负荷试验的在四象限特性曲线的轨迹线可以看出（见图 8），越过飞逸线的时刻，正好是最大转速上升率和尾水管进口最小压力发生的时刻，进一步说明了此时压力脉动最剧烈的原因4。因此，需加强对改善水泵水轮机“S”特性的措施研究。91郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾01020304050607080时间/s蜗壳进口均值压力/(mWC)480450420390360330300计算均值压力实测均值压力图 5蜗壳进口计算与实测压力对比图Figure 5Pressure comparison between calculated value and measured value in spiral case inlet 尾水管进口均值压力/(mWC)0204060801001201020304050607080时间/s计算均值压力实测均值压力图 6尾水管进口计算与实测压力对比图Figure 6Pressure comparison between calculated value and measured value in draft tube inlet图 7机组尾水管进口压力变化过程图Figure 7Pressure change process in draft tube inlet of unit （4）通过对机组甩负荷试验的对比分析，总体上 4 台机组球阀进口和蜗壳进口最大压力差别不大，且离控制标准尚有一定裕度；同一水力单元的、机组，尾水管进口实测均值压力较接近；同一水力单元的、机组，尾水管进口实测均值压力机小于机，且机的压力脉动幅值大于机，机的压力波动相对较为剧烈（见图 9）。（5）机组尾水管真空度预度较小且压力脉动幅值较大（见图 10）。对于尾水管最小均值压力不低于-8mH2O，从理论上讲是不会产生水柱分离和有害真空破坏的；从工程实际角度，尾水管最小均值压力不低于 0mH2O 相对于产生水柱分离的理论值是有一定裕度的；包含压力脉动的尾水管最小压力低于-8mH2O时，瞬时的高频压力脉动破坏程度究竟有多大，有待探讨。2015 年 3 月，国网新源公司专委会在北京主持召开了专家咨询会，会议认为机组在下水库水位 78m 及以上时，具备带满负荷运行的能力；下水库水位在 65 78m 之间时，需要通过优化机组运行方式来保证机组的运行安全。1.5机组、土建结构与区域环境振动2016 年，黑麋峰公司联合中南院针对输水系统区域环境振动问题，通过现场试验和三维有限元数值模拟计算相结合的手段，对机组和土建结构振动以及输水系统区域环境振动的产生机理、振源及其传递路径、运行规律等进行了系统全面的研究。开展了各种典型工况下机组压力脉动和振动测试试验（见图 11 图 14），厂房结构振动测试试验，输水系统区域环境振动测试试验。首次在行业内创建了厂房和输水系统结构及区域山体千万级节点三维有限元模拟计算模型，依托“天河一号”超算中心，实现高精度数值模拟分析，开展1.41.21.00.80.60.40.2020.0018.0016.0014.0012.0010.008.006.004.002.000.0020406080100120尾水压力实测值尾水压力实测值(第一次)尾水压力计算值(东电)尾水压力计算值(武大)尾水压力实测均值(第二次)第一测量导叶开度转速时间/s尾水管水压/(mWC)转速上升率/%92水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023区域环境振动动力响应计算及运行规律分析研究6。取得的主要研究成果及认识如下：（1）通过机组稳定性试验研究表明：机组各种工况下振动、摆度和压力脉动主要频率特性为转频和叶片通流频率（5Hz、45Hz 和 90Hz）；其中无叶区向机组流道传递的脉动压力主要为 2 倍的叶片通流频率（90Hz）。（2）通过振动测试试验研究表明：土建结构振动和输水系统区域环境振动的加速度响应，其主频均为 2 倍叶片通流频率（90Hz）；其主要振源为机组流道内脉动压力，为活动导叶与转轮间动静干涉的影响向上游进行了传播6。1151059585750.10.00.10.20.3n11/(r.min1)Q11/(m3.s1)75%4.5s75%4.0s75%3.5s75%3.0s75%7.5s75%6.5s75%8s75%7s特性曲线甩75%负荷图 8导叶延时关闭规律四象限曲线轨迹线Figure 8Four quadrant curve trajectory of pump turbine in delay closure law for guide vane9080706050403020100204060801001201号实测均值压力2号实测均值压力3号实测均值压力4号实测均值压力尾水管均值压力/(mWC)图 9机组甩负荷试验尾水管进口压力波动对比图Figure 9Comparison diagram of pressure fluctuation in draft tube inlet of unit load rejection tests93郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾 204060801000102030频率/Hz幅值/m图 11水导 Y 向摆度Figure 11Y-direction swinging of pump turbine guide bearings 204060801001201401601802000246频率/Hz幅值/m 图 12顶盖 Z 向振动Figure 12Z-direction vibration of pump turbine head cover204060801001201401601802000204060频率/Hz幅值/kPa 图 13转轮与导叶间压力脉动Figure 13Pressure pulsation between runner and guide vane 204060801001201401601802000105152520频率/Hz幅值/kPa图 14进水球阀前压力脉动Figure 14Pressure pulsation of intake spherical valve图 10 机组甩负荷试验尾水管进口压力脉动图Figure 10Pressure fluctuation diagram in draft tube inlet for unit load rejection test6050403020100020406080100时间/s4号尾水管进口压力实测值尾水管进口压力/(mWC)4号尾水管进口压力计算值4号尾水管进口压力实测均值94水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20232寻优2.1主要目标（1）改善水泵水轮机“S”特性。通过全新的转轮水力方案，优化导水机构，全面改善水泵水轮机“S”特性，取消非同步导叶预开启装置，解决水轮机工况空载并网的水力稳定性问题。（2）改善水力过渡过程特性。优化导叶关闭规律，取消导叶延时关闭和球阀联动调节，改善水轮机工况甩负荷过渡过程尾水管进口真空度，确保压力极值满足调保要求，解决机组限负荷运行的问题。（3）全面提升机组稳定性能。通过水力优化，改善转轮与导叶间动静干涉引起的水力激振问题，降低压力脉动幅值，降低机组和土建结构以及区域环境的共振风险，全面提升机组稳定性能。2.2路径和方法（1）东电针对阿尔斯通原水力设计，进行了模型转轮的复制，完成了模型复核试验，并对原模型试验结果与东电复制模型复核试验结果进行了对比分析；新的水力开发及结果评判，均以东电复制模型复核试验结果为基础。（2）选择维持原 9 叶片不变和改变转轮叶片数两种不同的方案同步进行水力优化分析；从降低共振风险的角度，对改变转轮叶片数方案进行了转轮叶片数选择风险评估，并结合改善水泵水轮机“S”特性和水力过渡过程特性的主要目标，最终选择了 6+6 长短叶片作为主攻方案7（见图 15）。12345678910111212叶片，k=2风险极低9叶片，k=2风险极高25%风险控制线1007550250转轮叶片数k=1k=2风险因子图 15转轮叶片数选择风险评估图8Figure 15Risk assessment chart for runner blade number selection（3）仍然维持 20 个活动导叶数不变，但可以对导叶翼型进行优化。（4）通过三维有限元数值模拟与模型试验相结合的手段，并首次将 3D 打印技术应用到水力优化当中；先后完成了 4 套导叶翼型优化方案、9 个模型转轮，共计 21 个组合方案和 32轮模型试验。（5）首次将水泵水轮机“S”特性区域进行了细致划分，并对各分区对不同性能的影响进行了量化研究；首次对转轮几何参数对不同区域“S”特性的影响进行了系统性试验研究，并总结了宝贵经验。2.3取得的效果（1）水力优化后的 D961C 模型转轮“S”区安全裕度达58m，水泵水轮机“S”特性得到极大改善（见图 16），有效解决了水轮机工况空载并网困难问题，实现了取消非同步导叶、取消水轮机工况甩负荷导叶延时关闭规律、球阀参与调节等一系列非常规措施的目标8。（2）水力优化后的 D961C 模型转轮，全面提升了水泵水轮机稳定性能指标，无论是水轮机工况还是水泵工况，压力脉动性能指标均得到了全面提升（见图 17，Ht=270m，无叶区）7。（3）水力优化后的 D961C 模型转轮水泵工况驼峰裕度、空化预度较原转轮均得到了全面提升，验收试验结果均能满足预期目标值的要求8。（4）水力优化后的 D961C 转轮能量指标与原转轮基本相95郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾当，水力优化前水轮机工况原型加权平均效率 92.51%，水泵工况原型加权平均效率 93.48%；水力优化后水轮机工况原型加权平均效率 92.29%，水泵工况原型加权平均效率 93.66%，整体能量指标仍然处于较高水平8。3计算复核与试验验证3.1概述2018 年 12 月，模型验收试验前，中南院和东电分别对40500400300200100042444648D961C初步试验D855复核试验D855 S裕度D961C S裕度525456586050n11/(r min1)M11100200300400500+58.3m-58.3m运行区图 16水力优化前后“S”特性对比图7Figure 16Comparison of“S”characteristics before and after hydraulic optimization40.0035.0030.0025.0020.0015.0010.005.000.001002003004005006007008009001000VS+X_D855复核试验VS+X_D961C初步试验VS+Y_D961C初步试验VS+X_D961C验收试验VS+Y_D961C验收试验VS+Y_D855复核试验单位流量Q11/(L.s1)相对幅值DH/H/%50%Pr图 17水力优化前后压力脉动对比图7Figure 17Comparison of pressure fluctuation before and after hydraulic optimization96水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023水力过渡过程进行了复核计算，主要包括导叶关闭规律的优化、大波动、小波动和水力干扰过渡过程复核计算。2020 年 12 月，机组转轮更换后，进行了现场甩负荷试验，主要包括机组单机甩负荷试验、水力单元双机甩负荷试验和水泵工况突然断电试验。2021 年 6 月，机组转轮更换后，开展了土建结构和区域环境振动现场试验。3.2导叶关闭规律优化分别对直线关闭、先快后慢关闭、先慢后快关闭、导叶延时关闭规律分别进行了控制工况计算。最终发现水力优化后的 D961C 转轮可适用的导叶关闭规律范围较广，无论是直线关闭规律，还是先慢后快的分段关闭规律，均可满足调节保证控制值的要求。水轮机工况推荐采用 46s 直线关闭规律；水泵工况采用 20s 直线关闭规律。3.3水力过渡过程复核计算主要结果分别对同一输水系统机、机均采用新转轮，机原转轮、机新转轮进行了大波动水力过渡过程计算，小波动过渡过程计算和水力干扰过渡过程计算。计算结果表明，蜗壳最大压力、尾水管进口最小压力、机组转速最大上升率、输水隧洞沿线洞顶最小内水压力均满足调节保证控制值要求；水力干扰过渡过程波动总趋势是收敛的，机组稳定性较好；小波动过渡过程调节品质较好。3.4现场甩负荷试验反演分析成果中南院利用离散小波分解（DWT）法进行了现场甩负荷试验反演分析，并对极限工况一管双机甩负荷试验进行了预测计算与分析。机组转轮更换后，经过历次甩负荷试验反演分析，机组水力过渡过程改善明显，主要测点压力极值及最大转速上升率均满足调节保证控制值的要求。实测均值压力及变化趋势与水力过渡过程复核计算预测的均值压力及变化趋势基本吻合。现场实测压力极值与预测压力极值、压力波动过程基本吻合（见图 18）。通过在极限水位条件下一管双机甩全负荷预测计算与分析，机组蜗壳、尾水管进口压力极值以及最大转速上升率，460440420400380360340320300051015202530354045时间/s实测均值压力计算均值压力蜗壳进口压力/(m WC)图 18双机甩 100%负荷机蜗壳进口压力对比Figure 18Pressure comparison in spiral case inlet of unit for 100%load rejection of double unit输水道沿线洞顶最小内水压力以及上游和下游闸门井最高、最低涌浪均满足调节保证控制值的要求，具备全水头段带满负荷运行的条件。转轮更换后机组尾水管进口计算压力极值、试验压力极值和预测压力极值相比更换前均得到明显改善，有利于电站安全稳定运行（见表 1）。3.5土建与区域环境振动现场试验成果机组转轮更换后，于2021年6月9日开展了变负荷试验，机组有功从 180MW 逐级升到 300MW。变负荷试验结果表明：表 1改造前后机尾水管试验压力对比表Table1 Pressurecomparisontableindrafttubebeforeandafterunittransformation试验时间内容极值/mWC时间/s2014.6单甩 100%9.3117.322014.8双甩 100%11.426.322020.12单甩 100%11.496.852020.12双甩 100%15.356.7197郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾100200300400频率/Hz1.21039.310471044.61042.31045.41020加速度/g图 19机组改造后振动频率特征Figure 19Characteristics of vibration frequency after unit transformation1701801902002102202302402502602702802903003100.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.24加速度/g有功/MWFP_1_XFP_1_YFP_1_ZFP_2_XFP_2_YFP_2_ZFG_1_XFG_1_YFG_1_ZFT_1_XFT_1_YFT_1_ZPG_1_XPG_1_YPG_1_ZPT_2_XPT_2_YPT_2_ZCG_1_XCT_1_XPT_1_XPT_1_YPT_1_Z图 20机组改造前厂房振动加速度响应Figure 20Response of plant vibration to acceleration before runit transformation（1）机组改造前后厂房振动规律有了明显的差异7。（2）机组改造后，长短叶片转轮使得厂房振动不再集中于某一个单一过流倍频振动频率，使振动能量分化为更多的过流频频率，分布于每个过流频率上的振动能量明显下降，见图 197。（3）厂房结构和区域环境振动加速度响应明显下降，见图 20、图 21 及表 27。4结束语黑麋峰机组国产化与水力优化过程虽然曲折，但是收获颇丰，主要表现在如下几个方面：（1）充分认识到水泵水轮机“S”特性对水轮机工况空载启动并网、甩负荷等过渡工况的影响及其改善路径和方法。98水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023tb_c_ztb_d_xtb_d_ytb_d_ztb_p_d_xtb_p_d_ytb_p_d_z300MW280MW260MW240MW220MW200MW180MW00.010.020.030.040.050.060.074号机组发电负荷振动加速度最大值 图 21机组改造后厂房振动加速度响应Figure 21Response of plant vibration to acceleration after unit transformation表 2 机改造前后山腰居民楼加速度对比Table2Comparisonofaccelerationofhillsideresidentialbuildingbeforeandafterunittransformation项目改造前机组运行（2017 年）改造后机组运行（2021 年）X0.82 gal0.198 galY0.932 gal0.213 galZ0.796 gal0.465 gal（2）总结出了一套完整的适用于抽水蓄能机组甩负荷试验的反演和预测分析方法，可以有效地提取均值压力及其变化过程，可以对实测数据与计算数据进行了统计与对比，对压力脉动的幅值和频率特性进行分析，并为机甩负荷试验和电站安全稳定运行提供了可靠的技术支撑。（3）机组稳定、过渡过程特性与机组、土建结构和输水系统区域环境振动属三位一体，影响着整个电站的安全稳定运行，水力设计时应同步进行模拟计算和分析研究。（4）未来抽水蓄能电站设计和水力开发应按照系统整体观念和辩证统一的思维进行，从而达到水力与结构的有机统一，机组与枢纽、环境的和谐自然。参考文献1 郑建兴，等.黑麋峰蓄能电站水泵水轮机模型验收试验及性能分析 J.水力发电，2010，36（7）：63-65.2 王君，胡敏.非同步导叶在黑麋峰蓄能电站的应用 J.水电站机电技术，2013，36（6）：14-16.3 梅祖彦，抽水蓄能发电技术 M.北京：机械工业出版社，2000.4 郑建兴，刘平，杨辉，等.黑麋峰抽水蓄能电站机组甩负荷试验反演预测及主要特性分析 J.水电站机电技术，2016，39（增刊 2）：44-49.5 郑建兴，刘平，曾艳梅，等.经验模态分析法在黑麋峰机组甩负荷试验中的应用 J.水电设备的研究与实践，2015（10）：465-472.6 李金伟，欧阳金惠，郑建兴，等.黑麋峰蓄能电站引水发电系统区域环境振动研究 J.“一带一路”与中国水电设备，2018（5）：224-230.7 刘平，曾艳梅，郑建兴，等.黑麋峰机组水力优化关键性能及主要参数分析/水电设备的研究与实践-第 23 次中国水电设备学术讨论会论文集 M.北京：中国水利水电出版社，2021.8 向明，郑建兴，任绍成，等.黑麋峰机组改造前后输水系统区域环境振动分析/水电设备的研究与实践-第 23 次中国水电设备学术讨论会论文集 M.北京：中国水利水电出版社，2021.收稿日期：2022-11-05 修回日期：2022-12-26郑建兴（1975），男，正高级工程师，主要研究方向：水力机械设计咨询、水力过渡过程、机组稳定性和振动分析等。E-mail：Review of Localization and Hydraulic Optimization for Heimifeng Pumped Storage UnitsZHENGJianxing1，LIUPing2，LIANGQuanwei3，RENShaocheng4，ZENGYanmei1（1PowerChinaZhongnanEngineeringCo.Ltd.，Changsha410014，China；2StateGridXinyuanCompanyHunanHeimifengPumpedStorageCo.Ltd.，Changsha410200，China；3DongfangElectricMachineryCo.Ltd.，Deyang618000，China；4ChinaInstituteofWaterResourcesandhydropowerresearch，Beijing100038，China）Abstract：ThispaperbrieflyintroducesthatHeimifengpumpedstorageunithasexperiencedthestageoftechnologyintroduction，digestionandabsorption，andmanyproblemsencounteredinthehydraulictransitionprocess，no-loadgridconnectionofhydraulicturbine，on-siteloadrejectiontest，civilstructureandregionalenvironmentalvibration.Throughcontinuousexplorationoftheessenceandrootcausesoftheproblems，thispaperseekssolutionsandmethods.Intheindependentinnovationstageofdomesticmanufacturers，theaboveproblemshavebeencomprehensivelysolvedthroughhydraulicoptimization，transformationandupgradingofunit.Ithasbecomethefirstpumpedstoragepowerstationinwhichdomesticmanufacturersindependentlycarryouthydraulicoptimization，transformationandupgradingofreversibleunitswithimportedtechnology，markingthedesign，constructionandupgradingofpumpedstoragepowerstationsinChinaThelevelofoperation，maintenanceandtechnicaltransformationhasbeensteadilyimproved，andmajorbreakthroughshavebeenmadeink