抽水蓄能電站水泵水輪機組選型思考

劉德民，段昌德，趙永智，荀洪運

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000）

1 介紹

對于抽水蓄能電站而言，前期的選型設計直接影響著后續機組的研發設計，可以說一個好的選型參數方案將會為機組的設計帶來非常有利的輸入條件。對于水泵水輪機而言，它兼具水輪機和水泵兩個功能。但是它的屬性還是受水輪機比轉速和水泵比轉數的影響。目前機組的選型，特別是前期參數的選擇大多基于以往的經驗進行選擇。這里存在的問題就是，如果前期經驗豐富，則機組選型的方案會比較好，反之則由于樣本點的缺乏，會導致選型方案有時會出現偏差。另外前期選型方案的制定，設計院的經驗很重要，業主方從整體工程的角度考慮對機組參數方案的制定進行決策。本文只限于從水力設計的角度對前期選型方案的制定提供一些建議。

2 比轉速的確定

比轉速和比轉數是水泵水輪機的兩個重要參數，它直接決定著水泵水輪機的機組性能。水輪機的比轉速一般由設計點來決定，是設計水頭的函數，因此設計水頭的選擇對比轉速有比較大的影響。

水輪機工況比轉速計算公式為：

比速系數反映了水輪機行業的發展，如圖1從全世界來看，比速系數不超過2 800，中國的設計水平最大不超過2 700。從工程運行的效果來看，基本上工程運行的都不錯，說明目前的選擇是很理性的。“十二五”和“十三五”期間，從建設高水頭水泵水輪機來看，比速系數在2 200～2 400之間。

圖1 比速系數的選擇

比速系數和設計水頭的關系如公式（3）所示：

對于水泵水輪機而言，比轉速基本上都是大于80 m·kW，如圖2。對于400～600 m水頭段的抽水蓄能電站而言，比轉速在90～120 m·kW。對于水頭600 m以上的抽水蓄能電站而言，比轉速在80～90 m·kW 之間。

比轉速和設計水頭的關系如公式（4）所示：

圖2 比轉速的選擇

在同樣的條件下，比轉速適當選擇大一點對水力設計比較有利，可以作出性能更優異的機組。但是需要同時兼顧發電機的性能，因此比轉速的高低以適中為原則，兼顧先進性和穩定性。

3 額定水頭的確定

通常來說，對于日調節抽水蓄能電站，額定水頭通常按算術平均水頭選擇，對于周或月調節抽水蓄能電站，可選擇高于平均水頭的某個水頭。根據最大水頭Hmax與最小水頭Hmin之比及最大水頭Hmax與額定水頭Hr之比的統計經驗，在400～700 m水頭段，Hmax/Hmin比值變化范圍約在1.10～1.20之間，Hmax/Hr比值多在1.03～1.11之間。這些統計規律具有一定的參考意義。

然而額定水頭的選定基本上是規劃部門在電站規劃設計的初期就確定的，盡管這一過程中通常會以復詢的方式咨詢一下機組廠家的經驗。但是僅僅是咨詢而已，最后是否采用，則廠家的話語權非常低。

僅從水力設計的角度上看，它的選擇對水輪機運行的額定點位置有重要影響，選取高一點的額定水頭一般會伴隨著轉輪直徑減小，使其運行范圍向最優工況靠近，有利于改善水輪機的加權平均效率，提高水力穩定性。另外，額定水頭的合理選擇還可改善水輪機與水泵工況的參數匹配關系。所以額定水頭的選擇和機組的運行穩定性密切相關，額定水頭的選擇最好能兼顧水力開發的特點進行選擇。

下面通過一個例子看一下額定水頭的選擇對機組性能的影響。某一電站，初定額定水頭為545 m，如果該額定水頭提高10 m，定為555 m。會看到機組的整個運行范圍更接近最優效率點。也就是說機組的運行范圍更接近高效運行區。這樣帶來的好處就是，在同一水力模型的基礎上，水輪機工況加權平均效率提高，壓力脈動得到改善，特別是最低水頭所在的壓力脈動得到很大的改善，對于水輪機S形曲線的安全余量也得到了改善。同時，水泵工況的駝峰、壓力脈動和空化性能也不會受到影響。

圖3 額定水頭的選擇

4 額定轉速的確定

在電站特征水頭及機組出力已定的條件下，額定轉速的選擇實際上就是比轉速的選擇，而比轉速水平對水泵水輪機的能量、空化、水力穩定性等主要水力性能乃至過流部件的幾何參數選擇都有重要影響。合理選取額定轉速對機組安全穩定運行有重要意義。

對于比轉速希望選擇大一點，額定水頭的選擇希望高一點，這就帶來一定的矛盾，要提高比轉速只能依靠提高轉速和額定容量來實現。然而額定容量是由電力規劃部門確定的，不容易修改。并且電站業主的意愿上更愿意單機容量做大。在方案選擇時，就額定容量而言，尚留的挖潛余地并不大。因此提高比轉速的重任就落在了提高額定轉速上。

如某電站額定轉速為500 r/min和600 r/min兩檔。從比轉速角度而言，600 r/min的方案比轉速肯定高于500 r/min，這對水力設計的整體非常有利。如圖4比較的600 r/min的方案和500 r/min，可以看到600 r/min的最優效率高于500 r/min最優效率0.5%，并且最優點的位置高0.5 r/min，因此可以提高加權平均效率。另外對機組的四象限曲線的形狀也有很大改善，即大開度的S形安全余量更大，對機組的過渡過程有利，如圖5。

圖4 額定轉速對運行范圍的影響

圖5 額定轉速對四象限曲線的影響

在帶來好處的同時，必須看到600 r/min的設計方案給電機的設計帶來很大的挑戰。

5 水頭變幅

對于定速抽水蓄能機組而言，最大的軟肋就是水頭變幅過大后帶來的壓力脈動過大和不容易保證機組在全工況范圍內無空化運行。因此定速抽水蓄能機組，適應水頭變幅是在一定限度內。

對于水頭變幅采用的比值有點區別，有的采用水輪機模型下的最高水頭HTmax/最低水頭HTmin，有的采用水泵模式下的最高揚程Hpmax/最低揚程HPmin。由于凈揚程和毛揚程存在著損失差，建議采用Hpmax/HTmin，這樣比較好的反應機組特性，能體現機組最大承受的電站上游水位的變化。

瑞士EW建議Hpmax/HTmin≤1.2，最大不超過1.4。

美國墾務局R.S.stelzer建議抽水蓄能的水泵工況揚程變幅如表1所示。

表1 美國墾務局R.S.stelzer建議抽水蓄能的水泵工況揚程變幅

抽水蓄能設計導則建議抽水蓄能的水輪機工況水頭變幅如表2所示：

表2 導則建議抽水蓄能的水輪機工況水頭變幅

應盡量減小Hmax/Hmin，國內一般控制在1.2左右，目前600 m水頭以上多在1.13以下，日本神流川和葛野川均在1.1。中國西龍池、績溪、敦化、長龍山和陽江均在1.10～1.13。

當然水頭變幅大的電站對于減少電站投資有利，如果追求過大的電站變幅和較好的經濟效益，最好采用變速抽水蓄能機組。

6 吸出高度Hs

吸出高度是保證抽水蓄能電站無空化運行的根本條件，目前對抽水蓄能電站的空化要求σp/σi≥ 1.05。

最低的吸出高度由水泵的最高揚程控制，如圖6所示。一般抽水蓄能電站揚程變幅越大，要求的吸出高度Hs越大。

圖6 吸出高度的選擇

水輪機甩負荷時，會產生壓力下降，嚴重時會產生水柱分離，一定的吸出高度是保證不出現水柱分離的先決條件。日本采用公式（5）作為選擇吸出高度的準則

在中國，根據抽水蓄能技術導則2014的規定，尾水管通過設置調壓井避免產生水柱分離條件為：

該公式由于歷史原因，量綱并不和諧，在該公式中增添重力加速度g項如公式（7），保證了量綱和諧。

高的吸出高度在壓氣調相運行時會產生劇烈的空化漩渦，導致尾水管水面產生擾動，會造成漏氣增加，增加尾水管的高度會減小漏氣損失，一般要求尾水管的高度不小于10 m。

如果單純從滿足抽水蓄能機組無空化運行的角度，吸出高度的要求并不高。但是由于目前的抽水蓄能機組越來越傾向于一管多機，運行的工況比較多，為了保證機組在實際運行時的過渡過程特性，因此需要比較大的吸出高度。

7 壓力脈動

壓力脈動是決定機組穩定性的關鍵要素，其壓力脈動的特征頻率是清楚的，這就要求抽水蓄能電站在設計時土建廠房的固有頻率和水力頻率一定要有足夠的錯頻余量。另外壓力脈動的幅值一定要控制在合理的范圍內。這對抽水蓄能機組而言尤為重要。對于抽水蓄能機組各部位的壓力脈動特點不同。

蝸殼進口的壓力脈動，一般蝸殼本身內的流動不會產生任何類型的壓力脈動，在其測量到的壓力脈動往往是其他部位傳遞而來。如尾水管內水體共振傳來的壓力脈動，無葉區動靜干涉產生的壓力脈動。

尾水管內壓力脈動，分為同步和非同步壓力脈動，對機組的振動和擺度會產生影響。由于吸出高度很高，不會產生高部分負荷壓力脈動。

頂蓋壓力脈動，一般是轉輪上密封間隙壓力脈動和弓狀回旋引起的壓力脈動，頻率為一倍轉頻，與水力特性無關。通過優化頂蓋結構，控制頂蓋和轉輪上冠之間的距離以及軸系的穩定性，同時盡量減弱無葉區壓力脈動傳遞到頂蓋區域，從而控制頂蓋內的壓力脈動。

無葉區（導葉后和轉輪前）內的壓力脈動，是水泵水輪機內最重要的壓力脈動，主頻為轉輪葉片數通過頻率或者諧頻。是轉輪葉片和活動導葉出口不均勻流場相互干涉的結果，可在流場中向上下游傳播。

目前招標條件中對無葉區壓力脈動的規定，有的采用分區的模式，即以額定水頭為界，最低水頭到額定水頭為一個分區，額定水頭到最高水頭為一個分區。

例如某電站的壓力脈動招標條件劃分為，如表3所示，通過對水頭的劃分對抽水蓄能機組不同區域的壓力脈動提出要求?？梢哉f目前抽水蓄能機組在國內實現了對全功率運行區壓力脈動的規定，無死角保證機組的穩定性。

表3 招標條件中對壓力脈動分區的劃分

8 加權因子

加權因子是影響機組性能的關鍵要素，尤其是高加權因子點的分布是影響機組設計的重要因素。對于常規機組而言，加權平均效率是影響電站經濟效益的重要指標。因此業主尤其希望加權平均效率高，可以獲得更多經濟效益。然而對于目前的抽水蓄能電站而言，經濟效益與發電效率并不掛鉤。經濟效益和保障電網的安全性掛鉤。就目前電站的加權因子分布而言，高加權因子的分布集中靠近額定點的80%以上負荷。而對電站的實際情況而言，為了保障電網的安全要求，抽水蓄能機組經常運行在40%～70%的負荷區間。根據加權因子的分布，對于廠家水力設計而言，必須將機組的高效區靠近70%～100%負荷區間。然而從機組的實際運行而言，需要在40%～70%的負荷區間高頻率運行，而這一區域的壓力脈動、振動和噪音都比較大。

如表4和表5比較而言，就電站加權因子的分布來看，甲電站的加權因子分布有利于提高加權平均效率，乙電站的加權因子分布有利于改善部分負荷的壓力脈動。

表4 甲電站水輪機工況效率加權因子

表5 乙電站水輪機工況效率加權因子

目前對水泵工況的設計而言，對于超過700 m的超高水頭抽水蓄能電站而言，為了保障機組在水輪機工況的穩定性，往往把水泵的最優點位置放置在最低揚程附近，沒有集中在最高揚程和最低揚程的中間區域。這樣保證機組的安全穩定。對于400 m水頭段的水泵最優點是處于最高揚程和最低揚程之間的區域。從這個角度而言，表6的丙電站加權因子分布適合700 m水頭段的抽水蓄能電站機組設計，表7適合400 m水頭段的抽水蓄能電站設計。

表6 丙電站水泵工況效率加權因子

表7 丁電站水泵工況效率加權因子

因此建議實際運行需要和電站的設計需要有機結合起來。使得加權因子在主要運行區分布的更合理，更便于保障機組的穩定運行需求。

9 結論

本文從水力設計的角度，對機組初期選型的一些基本參數，提出了一些建議。參數的選擇是基于以往的工程數據和設計經驗提出的，供業界參考。