1、 第一节第一节 抽水蓄能电站和水泵水轮机抽水蓄能电站和水泵水轮机 一、抽水蓄能电站简介一、抽水蓄能电站简介 抽水蓄能电站的工作是由发电工况和抽水工况组成的，抽水蓄能电站的工作是由发电工况和抽水工况组成的，抽水蓄能机组的工作也相应的由水轮机工况和水泵工况组抽水蓄能机组的工作也相应的由水轮机工况和水泵工况组成。成。抽水蓄能电站根据利用水量的情况可分为两大类：一类抽水蓄能电站根据利用水量的情况可分为两大类：一类是纯抽水蓄能电站，它是利用一定的水量在上、下库之间循是纯抽水蓄能电站，它是利用一定的水量在上、下库之间循环进行抽水和发电；另一类是混合式抽水蓄能电站，它修建环进行抽水和发电；另一类是混合式抽水
2、蓄能电站，它修建 在河道上，上库有天然来水，电站内装有抽水蓄能机组和在河道上，上库有天然来水，电站内装有抽水蓄能机组和普通的水轮发电机组，既可进行能量转换又能进行迳流发电，普通的水轮发电机组，既可进行能量转换又能进行迳流发电，可以调节发电和抽水的比例以增加峰荷的发电量。可以调节发电和抽水的比例以增加峰荷的发电量。1四机分置式四机分置式二、抽水蓄能机组的装置方式二、抽水蓄能机组的装置方式 抽水蓄能机组是抽水蓄能电站的核心设备，由于机组的抽水蓄能机组是抽水蓄能电站的核心设备，由于机组的水力特性和机械结构的不同，其装置方式可分为以下三种：水力特性和机械结构的不同，其装置方式可分为以下三种：2三机直联
3、式三机直联式图图72为一立式装置的三机直联式机组的厂房为一立式装置的三机直联式机组的厂房 这种装置方式需要两套压力这种装置方式需要两套压力水管、两个主阀和两套尾水管水管、两个主阀和两套尾水管 二机可逆式是由一台二机可逆式是由一台水轮机和水泵两用的可逆水轮机和水泵两用的可逆式水泵水轮机和一台发电式水泵水轮机和一台发电电动机组成，这种机组可电动机组成，这种机组可以双向旋转，它向一个方以双向旋转，它向一个方向旋转时作发电运行，而向旋转时作发电运行，而向另一个方向旋转时作抽向另一个方向旋转时作抽水运行。图水运行。图73为一可逆为一可逆式机组厂房。式机组厂房。3二机可逆式二机可逆式 可逆式水泵水轮机是利
4、用反击式水轮机刚性叶片的可可逆式水泵水轮机是利用反击式水轮机刚性叶片的可逆性质，即当发电机作为电动机反方向旋转时，便可使水逆性质，即当发电机作为电动机反方向旋转时，便可使水轮机作为水泵运行而进行抽水。轮机作为水泵运行而进行抽水。三、可逆式水泵水轮机的类型三、可逆式水泵水轮机的类型 现代应用的水泵水轮机按应现代应用的水泵水轮机按应用水头和水流在转轮中运动状态用水头和水流在转轮中运动状态的不同也分为混流式、斜流式和的不同也分为混流式、斜流式和轴流式三种：轴流式三种：1混流式水泵水轮机混流式水泵水轮机 混流式水泵水轮机最早于混流式水泵水轮机最早于1931年在意大利的拉格、拜顿年在意大利的拉格、拜顿(
5、LagoBaiton)电站上应用，其单机电站上应用，其单机容量仅有容量仅有8000kW。2斜流式水泵水轮机斜流式水泵水轮机 斜流式水泵水轮机最早于斜流式水泵水轮机最早于1957年在加拿大的阿达姆一年在加拿大的阿达姆一别克第二别克第二(Sir Adam BeckNO2)电站运行，其单机容量为电站运行，其单机容量为34万万kW。3轴流式水泵水轮机轴流式水泵水轮机 轴流式水泵水轮机有立式、卧式和斜向三种装置方式，轴流式水泵水轮机有立式、卧式和斜向三种装置方式，后两种适用于贯流式水泵水轮机组。后两种适用于贯流式水泵水轮机组。四、水泵水轮机的发展趋势四、水泵水轮机的发展趋势 目前都趋于向高水头、大容量和
6、高转速方面发展，这样目前都趋于向高水头、大容量和高转速方面发展，这样可以减少机组台数，减小机组尺寸和降低引水流量以节省电可以减少机组台数，减小机组尺寸和降低引水流量以节省电站的造价和运行费用。站的造价和运行费用。第二节第二节 水泵水轮机的理论基础水泵水轮机的理论基础 可逆式水泵水轮机的工作原理主要是利用了反击式水可逆式水泵水轮机的工作原理主要是利用了反击式水轮机的可逆性质，它在运行时有水轮机工况与水泵工况，轮机的可逆性质，它在运行时有水轮机工况与水泵工况，转轮的外缘和内缘分别为水轮机工况的进口和出口，也是转轮的外缘和内缘分别为水轮机工况的进口和出口，也是水泵工况的出口与进口，根据转轮叶片与水流
7、的相互作用水泵工况的出口与进口，根据转轮叶片与水流的相互作用原理便可写出两种工况下的工作力矩为：原理便可写出两种工况下的工作力矩为：水轮机工况水轮机工况水泵工况水泵工况 为了使水泵水轮机在两种工况下都有较高的效率，则为了使水泵水轮机在两种工况下都有较高的效率，则转轮的叶片应有特殊的形状，若叶片内缘的安放角做的适转轮的叶片应有特殊的形状，若叶片内缘的安放角做的适当，可使水轮机最优工况下满足法向出口当，可使水轮机最优工况下满足法向出口 ，在水泵最优工况下满足径向人流在水泵最优工况下满足径向人流 的条件，则上的条件，则上二式便可写为：二式便可写为：同时调节导叶的开度，亦可使在水轮机最优工况下满同时调
8、节导叶的开度，亦可使在水轮机最优工况下满足无撞击进口，在水泵最优工况下水流出口的方向与导叶足无撞击进口，在水泵最优工况下水流出口的方向与导叶的转角相一致，由于，均为转轮的外缘半径，的转角相一致，由于，均为转轮的外缘半径，两者相等，所以借助导水机构便可保证：两者相等，所以借助导水机构便可保证：若忽略上、下游水库的水位波动，可以认为水轮机工若忽略上、下游水库的水位波动，可以认为水轮机工况和水泵工况时的上、下游水位保持不变，即两者的毛水况和水泵工况时的上、下游水位保持不变，即两者的毛水头头，相同，再考虑到引水和输水管路的水头损失，则两种，相同，再考虑到引水和输水管路的水头损失，则两种工况下的工作水头
9、和工作扬程为：工况下的工作水头和工作扬程为：水轮机工况水轮机工况水泵工况水泵工况工作水头和工作扬程的关系为：工作水头和工作扬程的关系为：水流在叶道中运动时是有水力损失的，由此两种工况水流在叶道中运动时是有水力损失的，由此两种工况下的有效水头下的有效水头Htr和有效扬程和有效扬程H,p分别为：分别为：水轮机工况水轮机工况水泵工况水泵工况 有效水头和有效扬程的关系为：有效水头和有效扬程的关系为：第三节第三节 水泵水轮机的结构与特性水泵水轮机的结构与特性 1混流式水泵水轮机混流式水泵水轮机的结构特点的结构特点一、混流式水泵水轮机一、混流式水泵水轮机2混流式水泵水轮机混流式水泵水轮机的特性的特性 混流
10、式水泵水轮机转轮的叶片是固定的，所以它在水轮混流式水泵水轮机转轮的叶片是固定的，所以它在水轮机工况下和在水泵工况下的特性是存在着矛盾的，这样就要机工况下和在水泵工况下的特性是存在着矛盾的，这样就要求在设计制造时必须通过多次试验研究，找出合理的流道形求在设计制造时必须通过多次试验研究，找出合理的流道形状和翼型断面，使其特性在两种工况下都能达到最优。状和翼型断面，使其特性在两种工况下都能达到最优。水泵水轮机模型试验与普通水泵水轮机模型试验与普通水轮机和水泵一样，由试验资料水轮机和水泵一样，由试验资料可首先分别绘制模型转轮在两种可首先分别绘制模型转轮在两种工况下的特性曲线，然后再经过工况下的特性曲线
11、，然后再经过相应的换算便可绘制出水泵水轮相应的换算便可绘制出水泵水轮机的运转特性曲线，其形式，如机的运转特性曲线，其形式，如图图78所示。所示。吸出高应由水泵工况控制，其计算公式通常采用与水吸出高应由水泵工况控制，其计算公式通常采用与水轮机吸出高轮机吸出高(240)式相同的形式，即：式相同的形式，即：3混流式水泵水轮机的水力起动混流式水泵水轮机的水力起动 混流式水泵水轮机在水轮机工况下的起动方式和普通混流式水泵水轮机在水轮机工况下的起动方式和普通水轮机一样，可先缓慢开启导叶以利用水力矩起动。水轮机一样，可先缓慢开启导叶以利用水力矩起动。图图74的实例中，在转轮外缘的下面有一空腔的实例中，在转轮
12、外缘的下面有一空腔9，导，导叶间隙的漏水经孔口可流人该空腔，然后由排水管叶间隙的漏水经孔口可流人该空腔，然后由排水管10排至集排至集 水井中，在图水井中，在图75中也有类似的装置。中也有类似的装置。1斜流式水泵水轮机的结构特点斜流式水泵水轮机的结构特点 二、斜流式水泵水轮机二、斜流式水泵水轮机2斜流式水泵水轮机的特性斜流式水泵水轮机的特性 单速斜流式水泵单速斜流式水泵水轮机在水轮机工况水轮机在水轮机工况和水泵工况的运行示和水泵工况的运行示意图，以及转轮进、意图，以及转轮进、出口速度三角形，如出口速度三角形，如图图710所示。所示。图图711、图、图712给出了我国生产的给出了我国生产的XNl一
13、一LJ一一250型型双速斜流式水泵水轮机分别在水泵工况下和在水轮机工况双速斜流式水泵水轮机分别在水泵工况下和在水轮机工况下的运转特性曲线。下的运转特性曲线。斜流式水泵水轮机由于转轮叶片可以转动，当切换作斜流式水泵水轮机由于转轮叶片可以转动，当切换作水泵工况运行时，可在导叶关闭后不再向转轮中充气压水，水泵工况运行时，可在导叶关闭后不再向转轮中充气压水，而是采取将转轮叶片调节至关闭状态。而是采取将转轮叶片调节至关闭状态。3斜流式水泵水轮机的水力起动斜流式水泵水轮机的水力起动 第四节第四节 水泵水轮机的选择水泵水轮机的选择 水泵水轮机的选择是在机组台数一定的情况下主要选水泵水轮机的选择是在机组台数一
14、定的情况下主要选择机型及其主要参数择机型及其主要参数(包括转轮直径包括转轮直径0：r，转速，转速”和吸出高和吸出高玎玎5)，这和普通水泵及水轮机的选择是不同的。在选择时，这和普通水泵及水轮机的选择是不同的。在选择时要注意使两种工况都能在高效率区稳定工作，使抽水蓄能要注意使两种工况都能在高效率区稳定工作，使抽水蓄能电站有较高的综合效率并且有良好的吸水性能以减小淹没电站有较高的综合效率并且有良好的吸水性能以减小淹没深度。为此，就需要列出可能的方案，通过计算和综合分深度。为此，就需要列出可能的方案，通过计算和综合分析比较，选出经济合理的方案。析比较，选出经济合理的方案。一、基本资料一、基本资料 1)
15、机组台数及单机容量；机组台数及单机容量；2)两种工况的特征水头和特征扬程；两种工况的特征水头和特征扬程；3)每天抽水、发电的运行规律及运行小时数；每天抽水、发电的运行规律及运行小时数；4)蓄能电站所允许的最大淹没深度；蓄能电站所允许的最大淹没深度；5)水泵水轮机模型试验资料、特性曲线及有关的技术水泵水轮机模型试验资料、特性曲线及有关的技术经济资料。经济资料。选型时可根据工作水头范围和扬程范围在表选型时可根据工作水头范围和扬程范围在表71中选中选择合适的机型，有时也可能有两种机型都能适用，则均应择合适的机型，有时也可能有两种机型都能适用，则均应列入比较方案予以计算。列入比较方案予以计算。二、机型
16、的选择二、机型的选择 三、主要参数的选择三、主要参数的选择1转轮外直径转轮外直径D1的选择的选择 1)根据模型试验资料绘制水泵工况下的根据模型试验资料绘制水泵工况下的 特性曲线。特性曲线。四、绘制水泵水轮机的运转特性曲线四、绘制水泵水轮机的运转特性曲线 水泵水轮机的运转特性曲线可分别按水轮机工况和水水泵水轮机的运转特性曲线可分别按水轮机工况和水泵工况依模型试验的成果进行换算和绘制。泵工况依模型试验的成果进行换算和绘制。水泵工况的运转特性曲线可应用水泵工况的运转特性曲线可应用(6lo)式相似率公式式相似率公式进行换算，即进行换算，即 绘制出水泵水轮机的运转特性曲线，如图绘制出水泵水轮机的运转特性曲线，如图78所示。所示。
