洛寧抽水蓄能電站額定水頭比選研究

宋 敏，劉 霞

（中國電建集團中南勘測設計研究院，湖南省長沙市 410014）

0 引言

抽水蓄能電站額定水頭的確定直接關系到電站運行的穩定性和經濟性，而它的選擇與常規電站水輪機額定水頭的確定既有相似之處、又有不同之處[1-3]。因此，充分考慮各方面的制約因素，正確擬定比選方案，全方位進行比選對于額定水頭的選擇至關重要[4，5]。

洛寧抽水蓄能電站設計裝機容量1400MW，電站具有日調節性能，水庫按連續滿發小時數6h設計，上水庫正常蓄水位1230.00m、死水位1204.00m，調節庫容634萬m3；下水庫正常蓄水位620.00m、死水位588.00m，調節庫容639萬m3。水頭運行范圍為570.00~641.90m，算數平均水頭為605.95m。本文分析了該電站額定水頭方案擬定的制約因素，擬定了5種額定水頭方案，從多方面對方案進行了比選，比選結果為其他類似抽水蓄能電站額定水頭的選擇提供了一定的參考。

1 額定水頭方案擬定

1.1 電力系統需求

河南電網裝機容量控制月份為7月份，調峰問題最為突出，從2025年河南電力系統模擬運行的情況來看，7月份洛寧抽水蓄能電站在早晚兩個高峰時段均要進行調峰運行，日連續滿發小時數約為4h。從滿足洛寧抽水蓄能電站在系統尖峰時段容量效益充分發揮的角度考慮，額定水頭選取在裝機滿發4h左右對應的水頭附近較為合適（約593m）。因此，本階段額定水頭比選以592m為額定水頭下限方案。

1.2 機組穩定性及運行效率要求

從水力機械專業角度考慮，對于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術平均水頭；對于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權平均水頭和算術平均水頭。根據國內外工程實例和設計經驗，統計出了機組額定水頭Htr與消落深度系數K之間的關系見式（1）：

式中K——消落深度系數；

Htr——額定水頭；

Htmax、Htmin——發電工況最大、最小水頭。

當K＞0.5時，表示額定水頭高于電站算術平均水頭；當K＜0.5時，表示額定水頭低于電站算術平均水頭。600m水頭段類似電站水頭參數及K值的統計值見表1。

從表1可以看出，國外抽水蓄能電站額定水頭選取普遍較高，600m水頭段K值為0.55~0.78，在滿足電網調度要求的條件下，對機組穩定運行因素考慮更多些。國內抽水蓄能電站的建設由于起步較晚，電力系統的調峰壓力較大，系統調度對抽水蓄能電站的依賴性強，電站在選擇額定水頭時通常更注重其容量效益，盡可能減少出力受阻，因此其額定水頭的選擇與國外電站相比通常偏低。但通過對國內近期在建和擬建600m水頭段抽水蓄能K值統計，已呈現出逐步提高的趨勢，如績溪、陽江和平江抽水蓄能電站，K值均在0.5左右選取。

從機組運行方面考慮，根據日本制造廠介紹的經驗，盡可能使Htr/Htmax值在0.9以上為宜，由于本電站的水頭變幅范圍較大（Htmax/Htmin=1.14），在國內外所有已建及在建600m水頭段抽水蓄能電站中屬較高的，因此額定水頭不宜取得太低。從此角度，本階段額定水頭比選時以608m方案為額定水頭上限方案。

表1 600m水頭段類似電站水頭參數及K值統計表Table 1 Parameters and K value statistics for similar power station with water head at around 600m

1.3 額定水頭方案擬定

本階段結合本電站日運行特性，兼顧水泵水輪機運行穩定性，擬定了592m、596m、600m、604m、608m共5個額定水頭方案進行比較，各額定水頭方案機組參數見表2。

表2 各額定水頭方案機組參數表Table 2 Unit Parameters for each water head scheme

續表

2 方案比選分析

2.1 容量受阻計算分析

對洛寧抽水蓄能電站各額定水頭方案進行連續滿發6h分層計算，以分析不同額定水頭方案的容量受阻差別。

根據河南電網典型日負荷特性，日內尖峰負荷持續時間一般在3~6h。因此，以滿發第3~6h的時段末受阻容量來分析各額定水頭方案的容量效益差別。各額定水頭方案容量受阻情況見表3。

由表3可見，額定水頭592m方案、596m方案、600m方案、604m方案和608m方案可分別保證電站日調節運行4h、3.6h、3.2h、2.8h和2.4h不受阻。方案1~方案5連續滿發第3h末受阻容量分別為0MW、0MW、0MW、6.6MW、20.6MW，第4h末受阻容量分別為0MW、10.8MW、24.9MW、39.2MW、52.3MW，第5h末受阻容量分別為30.6MW、44MW、57.3MW、71.4MW、83.7MW，第6h末受阻容量分別為64.9MW、77.1MW、89.7MW、103.5MW、115MW。

表3 各額定水頭方案受阻容量表（單位：MW）Table 3 Capacity obstruction for each water head scheme

2.2 系統裝機控制月份高峰負荷時段末發電水頭分析

河南電網裝機容量控制月份為7月份，根據河南電網設計水平年2025年洛寧抽水蓄能電站7月典型日模擬運行發電出力過程，求得7月份高峰負荷時段末洛寧抽水蓄能電站的發電水頭，計算成果見表4。

可見，7月份最末高峰負荷出現在20：00點，對應出力為1105.3MW，時段末水頭為603.73m，因此，為了保證控制月份7月份最高負荷時段容量效益能充分發揮，額定水頭不宜高于603.73m。

2.3 額定水頭對水泵水輪機穩定性的影響

常規電站定義的額定水頭，是水輪機發滿額定出力的最小水頭，額定水頭一旦確定，轉輪直徑也就基本確定。抽水蓄能電站額定水頭關系到水輪機和水泵兩種工況的運行特性。常規水輪機額定水頭一般在平均水頭以下選擇，而抽水蓄能電站的額定水頭希望對應到水泵工況偏向小流量方向（即高水頭區），以獲得較好的運行穩定性。從水泵水輪機運行穩定性方面來看，以選取較高的額定水頭有利。

2.4 額定水頭對水泵水輪機加權平均效率的影響

基于水泵水輪機的設計原理，水輪機效率在靠近高水頭范圍效率變化一般比較平緩，額定水頭的提高，其運行區域也相應向最優效率區靠近，可以獲得較高的加權平均效率。

表4 7月份典型日洛寧抽水蓄能電站水頭過程表Table 4 Typical heading process of the Luoning pumped storage power station in July

參照績溪抽水蓄能電站轉輪模型綜合特性曲線，根據不同的額定水頭方案繪制水輪機工況運行范圍（見圖1）。

根據圖1，初步估算各額定水頭方案加權平均效率，592m、596m、600m、604m及608m方案水泵水輪機初估加權平均效率分別為89.9%、90.03%、90.1%、90.2%及90.3%。可見額定水頭提高時，水泵水輪機的加權平均效率亦有所提高。

圖1 各額定水頭方案水輪機工況運行范圍Figure 1 Turbine operating range of each rated head scheme

2.5 方案經濟比較

各方案在同等滿足系統電力需求的前提下，按年費用法進行比較。

各方案費用包括設計電站、補充電站的投資和運行費用。各方案容量效益差由燃煤火電替代補充，火電投資取為4100元/kW，設計抽水蓄能電站、補充火電（不含燃料費）年經營成本分別按其固定資產投資的2.5%、4.5%計；計算期取37年，其中建設期7年，正常運行期30年，社會折現率為8%。

各額定水頭方案經濟比較成果見表5。

額定水頭越高，年費用越高，經濟性越差。方案5相較于方案1，年費用增加了1521萬元，方案4增加了1132萬元，方案3增加732萬元，方案2增加了322萬元。

3 額定水頭選擇

從電站運行效益來看，抽水蓄能電站以提供調峰容量效益為主。因此，額定水頭的選擇應在經濟合理的前提下，盡可能減少電站的受阻容量。根據各額定水頭方案滿裝機連續發電模擬計算成果，額定水頭592m、596m、600m、604m、608m方案可分別保證電站日調節運行4h、3.6h、3.2h、2.8h和2.4h不受阻，額定水頭越低，電站容量效益越大。608m水頭方案僅能滿足滿裝機發電2.4h，容量效益較差。另外，從電網裝機容量控制月份高峰負荷時段末發電水頭分析，為了保證控制月份7月份最高負荷時段容量效益能充分發揮，額定水頭不宜高于603.73m。因此，608m方案相較于其他方案明顯較差。

從機組運行穩定性考慮，對于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術平均水頭；對于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權平均水頭和算術平均水頭。洛寧抽水蓄能電站的算術平均水頭為605.95m，從水泵水輪機運行穩定性方面來看，本電站額定水頭宜在算術平均水頭605.95m附近選取。592m方案和596m方案額定水頭相較于算數平均水頭偏小較多，對機組運行穩定性不利。另外，從機組運行效率角度考慮，額定水頭越高，加權平均效率越高。因此，從機組運行穩定性和運行效率角度考慮，592m和596m方案相對較差。

從經濟性分析，隨著額定水頭的抬高，主要水機設備投資減少，額定水頭600m方案和604m方案相比，后者投資減少638萬元；但隨著額定水頭的抬高，年費用呈遞增趨勢，額定水頭604m方案年費用比600m方案增加400萬元。

4 結束語

綜上所述，從電站機組運行穩定性、容量效益、經濟性等方面綜合分析，額定水頭在600~604m之間較為合適，從機組運行穩定角度考慮，本階段推薦高方案，即額定水頭604m方案，相應發電工況時水輪機工作水頭范圍為570.93~641.89m，水泵工況抽水揚程范圍587.95~649.38m。

表5 各額定水頭方案經濟比較成果表Table 5 Economic comparison of rated head scheme