可變轉速水泵水輪機主要參數(shù)選擇淺析

張寶勇，沈劍初

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

近些年來，我國核電、風電以及光伏等各類新能源蓬勃發(fā)展。隨著這些新能源占供電系統(tǒng)的比例逐步增高，風力及太陽能等受自然條件影響較大的能源增加了電網(wǎng)頻率管理的難度。針對這種情況，若能在電網(wǎng)內(nèi)建設一定數(shù)量的變速抽水蓄能電站，對提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平、提高各種能源的綜合利用率、減小新能源電源對系統(tǒng)的沖擊等均有較大的好處。

抽水蓄能變轉速機組具有抽水工況可進行自動頻率控制、瞬時有功功率和無功功率的高速調(diào)節(jié)的特點，發(fā)電工況時效率更高、交流勵磁裝置可代替SFC裝置實現(xiàn)自啟動，擁有更寬更優(yōu)的水輪機運行范圍等優(yōu)點，從而能夠更好地服務于電網(wǎng)，可以成為重要的電網(wǎng)調(diào)節(jié)與控制手段[1]。變速機組在國際上部分國家和地區(qū)得到了越來越廣泛的重視和建設，為國內(nèi)變速機組的建設、運行和維護提供了經(jīng)驗。本文以某400 m水頭段變轉速水泵水輪機主要參數(shù)選擇為例，介紹了可變轉速水泵水輪機主要參數(shù)選擇需要注意的一些問題。

2 可變轉速水泵水輪機主要參數(shù)選擇

2.1 電站概況

本電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，在電網(wǎng)中主要承擔調(diào)峰、填谷任務，同時還具有調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等功能。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關站等組成。電站擬安裝2臺單機容量為300 MW的可變速抽水蓄能機組。水泵水輪機最大揚程為505.1 m，最小水頭為422.2 m，最大揚程最小水頭比為1.196。

2.2 可變轉速機組容量的選擇

對于可變轉速機組，水輪機工況可通過降低轉速使機組運行范圍靠向最優(yōu)工況區(qū)，從而獲得更高效率和更好的穩(wěn)定性。水泵工況可以通過調(diào)節(jié)轉速來改變水泵輸入功率，從而滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。變轉速機組的發(fā)電機和電動機容量選擇原則上與定轉速機組的選擇方式一致，通常情況下，變轉速機組的水泵工況最大輸入功率的選擇可與定速機組的水泵水輪機最大輸入功率一致，從而使可變轉速機組及其附屬設備可以更好的與主變、發(fā)電電動機出口電氣設備、機組輔助系統(tǒng)等的設計、布置相協(xié)調(diào)，避免不必要的跳檔等經(jīng)濟性較差的方案。

在選擇變轉速機組水泵最大輸入功率時，由于機組可以進行轉速調(diào)節(jié)，水泵最大輸入功率可不考慮由于電網(wǎng)頻率的偏差裕量，僅考慮模型換算至原型時產(chǎn)生的偏差。綜合考慮上述幾個因素，本電站變轉速機組的水泵最大輸入功率選擇為330 MW，與國內(nèi)其他相同容量的定轉速抽水蓄能機組相當。

2.3 可變轉速機組轉速變化范圍的選擇

常規(guī)抽水蓄能機組由于轉速是不可調(diào)節(jié)的，所以在水泵工況下不能調(diào)節(jié)輸入功率，因此無法在抽水時實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的自動控制，電網(wǎng)只能調(diào)用固定的機組輸入功率。而水泵輸入功率與轉速3次方成正比，因而變轉速機組轉速的少量變化就會使輸入功率有大幅度改變。可變速抽水蓄能機組在抽水工況下通過輸入功率的可調(diào)節(jié)特性使得頻率的快速調(diào)節(jié)成為可能，相應地對電網(wǎng)負荷變化的響應速度也更迅捷。

水泵水輪機的水力設計以水泵工況為基準，通常情況下，水輪機工況運行區(qū)域遠離最優(yōu)效率區(qū)。通過機組轉速的調(diào)整可以使水輪機工況運行范圍向最優(yōu)效率區(qū)平移，從而獲得更高的運行效率，尤其在部分負荷區(qū)域效率提高更為顯著。同時變速機組還能減小機組穩(wěn)定運行的最低負荷，增大機組穩(wěn)定運行范圍，較為優(yōu)秀的變轉速機組的最低運行負荷可達35%的額定負荷。

圖1為變轉速水泵水輪機組輸入功率與水泵揚程曲線，從圖1中可以看出，水泵的輸入功率調(diào)節(jié)范圍受多個參數(shù)的影響，包括機組的揚程范圍、空化特性、駝峰余量以及轉速變化范圍等[2]。理論上較大的轉速變化范圍可以獲得更為廣闊的機組輸入功率調(diào)節(jié)范圍，但同時要兼顧空化特性、駝峰余量的因素。較大的轉速變化范圍需要較大容量的變頻設備，增大了設備投資；較小的轉速變化范圍，雖會使機組獲得的功率可調(diào)節(jié)范圍偏小，但是相應的變頻電氣設備的投資也較小。

圖1 變轉速水泵水輪機組輸入功率——水泵揚程

從圖2、圖3中可以看出，隨著轉速變化范圍的縮小，無論是±5%，還是±7%的轉速變幅情況下，水泵的最大輸入功率均能達到330 MW。如果電站在高揚程側的大軸入力區(qū)域或者低揚程側的小軸入力區(qū)域運行的時間少或基本不會使用的話，綜合經(jīng)濟性因素，適當縮小變速范圍是可行的。

圖2 水泵工況轉速變化為±7%時的運行范圍

圖3 水泵工況轉速變化為±5%時的運行范圍

常規(guī)抽水蓄能機組常采用定子外接變頻器或背靠背啟動方式，通常將變頻啟動作為主啟動方式，背靠背作為備用方式[3]。變頻啟動需要設置一套專用變頻器（SFC），而背靠背啟動方式也需依靠其他機組，且不能啟動最后一臺機組，而交流勵磁變速抽水蓄能機組則能實現(xiàn)自啟動。在水泵工況啟動前，先通過隔離開關將定子回路短路，為了提高啟動轉矩，定子回路中串聯(lián)一個電阻，啟動原理類似于感應電動機，在這種情況下定子回路是短路的，轉子回路相當于感應電動機的定子。由于機組啟動時，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實現(xiàn)平滑啟動。通常情況下，交流勵磁設備的轉速變化范圍大于±5%時，機組能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動。

表1統(tǒng)計了目前世界上已建、在建抽水蓄能電站可變轉速機組容量與變速范圍參數(shù)，從表1中可以看出，各可變轉速機組轉速調(diào)節(jié)范圍從±4%到±10%。

表1 已建、在建抽水蓄能電站可變轉速機組容量與變速范圍參數(shù)表

有的主機廠家認為，機組在招標過程中不應該限制機組的轉速變化范圍，而應只規(guī)定機組的輸入功率調(diào)節(jié)范圍，由廠家自行確定機組的轉速變化范圍，并匹配相應的交流勵磁變頻設備，以獲得最優(yōu)的機組運行性能。由于交流勵磁變頻設備尺寸非常大，無節(jié)制的增大機組的轉速變化范圍將導致廠房的開挖尺寸大幅增加，且不同廠家不同的轉速變化范圍會對機組評標工作造成較大影響，因此建議招標階段采取同時限定水泵輸入功率變化范圍和機組轉速變化范圍的方式。

針對本電站，通過咨詢國內(nèi)外主要機組廠家，各廠家建議的機組轉速變化范圍和輸入功率變化范圍見表2。

表2 機組轉速變化范圍和輸入功率變化范圍表

本電站水頭變幅不大，機組水泵工況啟動采用自行啟動方式，參考各主機廠推薦的數(shù)值，同時考慮在合理的范圍內(nèi)節(jié)省投資，轉速調(diào)節(jié)范圍不宜選得過高和過低，初步選擇轉速調(diào)節(jié)范圍為±7%，即機組速度變化范圍為398.6～458.6 r/min；機組水泵工況輸入功率的最大調(diào)節(jié)范圍控制在120 MW之內(nèi)，即水泵輸入功率在210～330 MW之間可調(diào)，不同的揚程下的輸入功率調(diào)節(jié)范圍可適當調(diào)整。

2.4 水泵水輪機主要參數(shù)的選擇

從國內(nèi)外水泵水輪機制造廠商為本抽水蓄能電站提供的水泵水輪機主要參數(shù)可知，大部分廠家接受變速±7%，個別廠家希望放開采用不對稱變速，以更好地適應其優(yōu)質(zhì)基礎轉輪。主機廠技術資料表明，變轉速機組水泵水輪機的轉輪直徑略小于定轉速機組的轉輪直徑，加權平均效率有所提高。綜合考慮各方面因素，變轉速機組的預期主要參數(shù)詳見表3。

表3 變轉速機組水泵水輪機預期主要參數(shù)表

2.5 變轉速機組水輪機和水泵工況的運行范圍

變轉速機組在水輪機工況運行時，可以通過改變機組的轉速（通常是降低轉速）來改變機組在水輪機模型曲線上的運行區(qū)域，選擇高效率、高穩(wěn)定性、低空化的運行區(qū)域，有效的改善機組的壓力脈動和空化性能，特別是部分負荷時的性能，擴大發(fā)電運行范圍。從圖4中可以看出，通常在水輪機工況下，機組要想獲得最高的效率和穩(wěn)定性，其運行范圍需接近最優(yōu)效率點，即機組運行在可能的最低轉速下，獲得靠近最優(yōu)點的最小的單位轉速[7]。當在最低轉速下的機組效率不是最優(yōu)或者穩(wěn)定性不好時，可以通過增加轉速尋找更好的工況點，最終得到水頭、輸出功率與轉速的函數(shù)關系，從而得到最優(yōu)的水輪機工作策略。

圖4 定速和變轉速機組水輪機工況范圍比較參考圖

變轉速機組在水泵工況運行時，可以通過調(diào)整機組轉速來控制機組的輸入功率或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率，滿足電網(wǎng)的需求。變轉速機組水泵工況的最大入力一般不超過相同單機容量的定速機組，水泵的水力設計一般將機組的最大輸入功率控制在最大轉速附近，這樣可以在有限制的轉速變化范圍內(nèi)得到最大的輸入功率調(diào)節(jié)范圍。從圖1中可以看出，可變轉速機組的水泵運行范圍由最高揚程、最低揚程、最大輸入功率以及最低轉速下的輸入功率等曲線包圍構成，隨著轉速的可變幅度增大，水泵抽水工況的運行范圍也隨之增大，但運行范圍受到下面兩點限制：一為水泵駝峰限制，當機組在靠近這條限制線的高揚程小輸入功率條件下運行時，會進入駝峰區(qū)，伴隨產(chǎn)生較大的振動和水壓脈動，機組要盡量避免在此區(qū)域運行，設計時一般會取一定的駝峰余量作為輸入功率的運行下限；二為空化性能對機組的影響，為了避免空化性能的限制，除了改善模型空化性能外，電站水位條件的合理選擇也很關鍵。

2.6 變轉速機組的穩(wěn)定性

變轉速機組通過改變轉速能較好地適應不同工況下的運行水頭，規(guī)避不好的運行工況，改善水泵水輪機的水力性能，減少機組振動、空蝕和泥沙磨損，增強機組的運行穩(wěn)定性。但變轉速機組的水力設計在機組研發(fā)階段必須引起足夠重視，這是保證機組穩(wěn)定運行的前提。在泵工況下，當降低轉速，調(diào)整水泵輸入功率時，水泵運行工況將有可能向接近駝峰區(qū)移動，駝峰區(qū)的位置將直接影響最高揚程水泵輸入功率的變化范圍，因此，變轉速機組水力設計避開駝峰區(qū)是至關重要的。變轉速機組高揚程運行工況減小水泵輸入功率時還將受到低流量空化限制，相比于定速機組變轉速機組對空化性能要求更高。

定性分析變轉速機組的駝峰區(qū)和空化范圍變化見圖5。

圖5 變轉速機組的駝峰區(qū)和空化范圍變化示意圖

從圖6水泵水輪機四象限特性曲線上可以看出，在機組轉速降低后，S區(qū)能夠獲得更大的裕量，機組空載穩(wěn)定性大大提高。

圖6 水泵水輪機四象限特性曲線

2.7 吸出高度和安裝高程

對水泵水輪機而言，水泵工況的空化性能比水輪機工況差，在高揚程、小流量區(qū)域，葉片的背面負壓區(qū)容易出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生空化；在低揚程、大流量區(qū)域，葉片的正面正壓區(qū)容易出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生空化。從圖7中可以看出，期望的水泵入力變化范圍越廣，揚程覆蓋范圍越廣，對空化性能要求越高，需要的安裝高程也越深。綜合考慮統(tǒng)計公式和廠家推薦的吸出高度，本變轉速機組確選擇的吸出高度為-75 m。

圖7 變速機組空化范圍變化示意圖

3 結語

本文簡述了可變轉速水泵水輪機機組容量、機組轉速變化范圍的選擇方法，水泵工況和水輪機工況機組運行的運行特點和選擇注意要點，以及水泵水輪機穩(wěn)定運行的特點和吸出高度與定速機組的異同。

近年來國內(nèi)常規(guī)定速抽水蓄能機組的發(fā)展很快，截至2018年底，我國已建成投運抽水蓄能電站約31座，總裝機容量約2 652萬kW，在建約23座，總裝機容量約3 195萬kW。目前我國還沒有可變速大型抽水蓄能機組投運，僅在建的豐寧二期抽水蓄能電站有兩臺機組采用變速機組。因此研究可變轉速抽水蓄能機組特性和設計、生產(chǎn)、安裝，從而掌握該項技術，意義重大[8]。