10月9日，安徽金寨抽水蓄能电站首批两台机组投产发电。该电站总装机容量120万千瓦，设计年发电量20.1亿千瓦时、年抽水电量26.8亿千瓦时，以500千伏出线接入安徽电网。在世界上首次采用13叶片机组转轮是该电站的一大亮点。金寨抽水蓄能电站为什么要采用13叶片机组转轮？与其他叶片组合的机组相比，它有什么优点？
安徽金寨抽水蓄能电站地下厂房。胡秋红 摄
中低水头段抽水蓄能电站厂房振动大
抽水蓄能电站机组开停机会引起厂房振动，还会发出“嗡嗡”声。当振动强度达到一定程度时，可能影响机组和厂房的安全、稳定、经济运行，也可能影响抽水蓄能电站工作人员的身心健康。
进入21世纪，国内抽水蓄能电站发展迅猛，一些隐患与问题也渐渐显现出来。额定水头在300米左右中低水头段的抽水蓄能电站厂房振动和厂房内噪声大等问题一直困扰业内各方。
近年来，国内两家中低水头段抽水蓄能电站相继对相关问题“把脉问诊”，研究结果显示，无叶区压力脉动幅值偏大、压力脉动优势频率与厂房局部构件自振频率比较接近是引起机组和厂房振动的主要因素。无叶区是指机组转轮（旋转部分）与导叶（固定部分）的交界部分，水流由导叶进入机组转轮时动静干涉产生的激振频率与厂房局部构件自有频率接近时会产生共振现象。这类似于火车穿过隧洞时火车车厢与隧洞洞壁之间的气隙扰动引起火车车厢晃动。
这一研究成果为国内抽水蓄能电站机组转轮改造提供了支撑。压力脉动幅值、优势频率与机组转速、导叶和机组转轮叶片数匹配关系息息相关。目前我国已投运抽水蓄能机组导叶数与机组转轮叶片数的组合包括“20+9”“20+7”“22+9”“16+7”“16+5长、5短”。现场运行测试数据表明，“20+9”组合往往更容易引起机组和厂房振动。这说明不同的导叶数与机组转轮叶片数组合对机组稳定性及厂房结构动力响应的影响是有较大差异的。
13叶片转轮是怎样诞生的
金寨抽水蓄能电站计划安装4台混流可逆式水泵水轮机机组，单机容量为30万千瓦，采用立轴单级混流式结构。设备生产厂家推荐333.3转/分的转速和9叶片转轮方案，但该方案在国内同类电站均存在不同程度厂房共振现象。
明知可能出现问题，为什么还要采用这一机型呢？
“机组的选型受上下库水位差、单机容量、设备制造水平、工程造价等多重因素影响。综合考虑，金寨抽水蓄能电站的最优选择是333.3转/分机组。”金寨抽水蓄能电站项目设计总工程师汪德楼解释。
机组转速已不可更改，能否通过转轮水力开发提升机组稳定性？国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司将转轮水力开发作为技术攻关点，在一年多的时间内先后组织十余次专题技术分析讨论会，邀请国内专家指导。
机组转轮是抽水蓄能电站重要的水流通道部件，也是机组的“心脏”。转轮水力性能的优劣直接影响电站运行的安全性和可靠性。一个水力性能优良的转轮从设计之初到投入运行，主要经历水力研发设计选型、模型转轮制造及初步工厂试验、第三方模型转轮验证试验、原型转轮工厂加工制造、原型转轮工厂出厂验收、原型转轮现场安装等6个环节。
为改善压力脉动指标、避免厂房共振问题，国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司与设备生产厂家联合攻关，经过多次试验研讨，专家及设计各方提出“确保压力脉动指标稳定，不过分追求综合效率指标”的优化开发设计思路，先后制订7组导叶数与机组转轮叶片数配合方案，并在试验台开展水泵工况外特性试验、水轮机工况性能试验、四象限和S区特性试验、水泵及水轮机工况压力脉动试验等多项模型试验。
根据模型试验结果，金寨抽水蓄能电站最终选择综合技术指标整体提升的第7套导叶数与机组转轮叶片数配合方案，即导叶数为22个、机组转轮叶片为13片。
转轮研发设计完成后，在法国格勒诺布水力研发中心模型试验台完成了初步工厂试验，随后在瑞士洛桑联邦理工大学水力机械实验室PF2台完成了第三方验证试验，结果显示该方案无叶区压力脉动指标达到较好水平。
13叶片转轮应用效果明显
“金寨抽水蓄能电站1号机组水导摆度和顶盖振动值分别达到5道和1道以内（1道为0.01毫米），最大的振动摆度还不到一根头发丝的宽度。”国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司机电部主任王少华介绍。
9月18日，金寨抽水蓄能电站完成了1号、2号机组同一流道双机甩100%负荷试验，机组运行各项性能指标优良，效率、压力脉动等关键技术指标优于合同保证值或同类型机组。王少华做了一个简易试验，在1号机组运行时，他成功地将一枚一元硬币立在了发电机的盖板上，证明机组振动摆度极小。
金寨抽水蓄能电站机组转轮的成功研制提升了抽水蓄能电站水力开发水平。13叶片转轮的水力指标、厂房动力响应分析及过渡过程复核计算结果表明，中低水头段抽水蓄能电站厂房振动问题初步得到了解决。
6月24日，水电水利规划设计总院联合中国水力发电工程学会抽水蓄能行业分会发布的《抽水蓄能产业发展报告2021》中指出，目前，我国已纳入规划的抽水蓄能站点资源总量约8.14亿千瓦。“抽水蓄能站点资源是有限的，中低水头段抽水蓄能电站在其中必然占有一定的比例。”国网新源集团有限公司抽水蓄能项目开发办公室主任、发展策划部副主任徐丽芬说，随着抽水蓄能电站开发建设步伐加快，会有更多的中低水头段抽水蓄能项目上马。金寨抽水蓄能电站为13叶片转轮水力开发设计提供了经验，为同类型抽水蓄能机组解决厂房振动问题提供了借鉴。
