國內大型抽水蓄能電站水輪機選型研究

鄧 小 華

(中電建水電開發集團有限公司,四川 成都 610041)

1 國內大型抽水蓄能電站發展狀況

由于光伏和風電等新能源波動性和隨機性大,不利于電網系統的穩定,需要規模足夠大的儲能電源來保持和調節系統穩定,大型抽水蓄能電站是最佳選擇。

抽水蓄能電站建設在我國起步較晚,首臺抽蓄機組1968年投入運行,至今已有五十余年。20世紀90年代,我國抽水蓄能電站建設才逐步進入高速發展期,進入21世紀以后,發展更快[1],截至2023年3月底,全國已建成抽水蓄能電站總裝機容量達到4 729萬kW,核準在建抽水蓄能電站總裝機容量達到1.32億kW。“十四五”以來,核準的抽水蓄能電站達到68座,總裝機容量達到9 399萬kW[2]。

2 大型抽水蓄能電站機組的特點

抽水蓄能電站機組根據水輪機和發電機的布置型式不同分為組合式和可逆式,組合式又分為四機式和三機式,可逆式機組(也稱為兩機式機組)又分為混流式(單級或多級)、軸流式、斜流式和貫流式。四機式機組是最早使用的抽水蓄能機組,由單獨的抽水機和發電機組合而成,三機式機組是將一臺水泵和一臺水輪機分別連接在可以兼作電動機和發電機的電動發電機的一端或兩端。兩機式機組是由可逆向旋轉的水輪機和可以兼作電動機和發電機的電動發電機構成,機組正向旋轉發電,逆向旋轉抽水,也稱為可逆式水泵水輪發電機組。

四機式機組兩套設備完全分開設置,機組和附屬設備數量多、運行維護成本高、工作量大。三機式機組造價高,水泵運行時需要壓縮空氣壓低水輪機尾水管水位,增加運行維護難度和土建成本。可逆式水泵水輪機組結構簡單、尺寸小,土建工程量小、電站造價低,是當今國內外抽水蓄能電站普遍采用的機組型式。

近年來,隨著科學技術的進步,先進的工業設計手段日趨成熟,新工藝新材料的廣泛應用,使可逆式水泵水輪機的設計制造技術取得較大發展。

2.1 高水頭化

20世紀70年代以前,可逆式水泵水輪機(單級混流式)最高揚程未超過400.0 m;1973年日本沼原抽水蓄能電站最高揚程突破520.0 m;80年代初巴吉納·巴斯塔抽蓄電站最高水頭突破600.0 m,水泵最高揚程突破620.0 m;1994年,保加利亞茶拉抽蓄電站最高水頭突破670.0 m,水泵最高揚程突破700.0 m;前幾年投產的日本葛野川抽蓄電站最高水頭突破750.0 m,水泵最高揚程突破770.0 m。我國已投產的抽蓄電站大多以500.0 m水頭段居多,近年來,建成的抽蓄電站最大水頭已經突破了700.0 m,如山西西龍池抽蓄電站最高揚程為703.0 m,廣東陽江抽蓄電站最高水頭700.0 m,在建的浙江烏龍山抽蓄電站最高揚程也達到700.0 m以上。

2.2 高轉速化

水泵水輪機的工作水頭大小取決于轉輪的線速度。為了達到與水泵水輪機工作水頭相應的轉輪線速度,需要采用較大的轉輪直徑或較高的轉速。隨著科學技術的發展和加工工藝的提升,現代化的設計理論和發展方向將轉輪直徑保持在一定范圍內而盡量提高水輪機轉速。對水力特性而言,就需要采用較高的比轉速,但是,和常規水輪機一樣,水泵水輪機的水頭越高比轉速會越小,通常采用水泵工況下最低揚程時的比轉速。在水泵水輪機工作水頭提高的同時,比轉速的降低會導致水泵水輪機轉輪的摩擦損失增加,運行效率下降,因此,要盡可能不降低水泵水輪機轉輪的比轉速。隨著科學技術和工藝水平的進一步提升,可逆式水泵水輪機必將同時向高水頭和高比轉速方向發展。

2.3 大容量化

20世紀70年代以后,世界范圍內混流單級可逆式水泵水輪機單機容量不斷增大。50年代最大單機容量僅為90 MW,60年代單機容量最大220 MW,70年代單機容量最大400 MW,80年代單機容量已經能達到457 MW。目前,我國可逆式水泵水輪機單機容量以300 MW為主,技術成熟,運行穩定,完全實現國產化。近年來,國內主要發電設備制造商已經突破單機容量400 MW的水輪機研發和制造(廣東陽江抽蓄),運行可靠,水輪機效率高,正在研發制造425 MW水輪機(浙江天臺抽蓄)。

2.4 高性能化

可逆式水泵水輪機的高水頭、高轉速和大容量發展,對水輪機的材料強度、水輪機振動噪音水平和設備疲勞損害等提出了更加嚴格的要求。目前在國內外普遍采用CFD技術(流體分析技術)實施從蝸殼進口到尾水管出口全流體斷面設計,CFD技術的運用能夠實現水輪機整體工況最優。CFD在給出計算條件和流道形狀后,能夠快速獲得壓力和流速分布。可以全流道解析尾水管、轉輪、活動導葉、座環(含固定導葉)、蝸殼等數據。在實際工程中,通過對流體的反復解析能夠準確高效地確定流道和葉片的形狀、預測汽蝕程度和水輪機的效率,實現高性能化。

2.5 高可靠性

為提高可逆式水泵水輪機的可靠性,國內外主要發電設備制造商都可以在模型試驗的基礎上,對水泵水輪機進行真實大小相同和縮小模型的試驗,驗證其設計性能、疲勞強度以及運轉的耐久性。主要包括真實揚程試驗、主軸密封裝置試驗和機組調相漏氣量試驗等。通過這些試驗,確保了出廠的水輪機均具有真實的較高的運行可靠性。

2.6 變速水輪機

為了滿足新型大電網對電能質量和水輪機更短反應時間等指標越來越高的要求,大容量的變速發電電動機正在逐步投入實際應用。變速發電電動機相較于恒速發電電動機,可以在一定范圍內使水泵水輪機轉速連續變化,從而達到水泵工況和水輪機工況下在較大流量和水頭的變化范圍內都具有很高的運行效率,滿足更大的功率變化和更寬的揚程/水頭變幅。如在建中的河北豐寧抽水蓄能電站(二期)已經采用大容量變速可逆式水泵水輪機(單機300 MW)[3]。

3 大型抽水蓄能電站水輪機選型要點

3.1 大型水泵水輪機的選型原則

(1)水泵水輪機機型選擇應根據發電水頭/抽水揚程、運行特點及設計制造水平等因素,經技術經濟比較后來確定。發電水頭特征值包括最大水頭、最小水頭、平均水頭和額定水頭等,抽水揚程特征值包括最大揚程和最小揚程。

(2)水輪機臺數和單機容量的選擇應在分析研究、充分考慮所有影響因素的基礎上,擬定多個組合方案(至少不少于3個),經技術經濟比較后確定,水輪機臺數大于兩臺,一般選偶數。

(3)額定水頭選擇應考慮水頭/揚程變幅、水輪機運行穩定性和效率等因素。水頭變幅較大的抽水蓄能電站,額定水頭應大于或等于算術平均水頭;水頭變幅較小的抽水蓄能電站,額定水頭應小于算術平均水頭或加權平均水頭[4]。

(4)水泵工況最大入力的選擇,應在發電機與電動機容量平衡的基礎上考慮電網正常的頻率變化范圍及模型換算至原型時可能存在的偏差。

(5)水輪機臺數的選擇,應充分考慮電網系統對電站在汛期和非汛期運行輸出功率、水輪機運行方式和大修時間的要求,以及在電網中所占的比重。

(6)水輪機的選擇必須綜合考慮水輪機設備招標條件、行業技術發展水平和潛在制造商的生產能力。

3.2 水輪機型式和單機容量選擇

(1)水輪機型式的選擇。水頭/揚程高于800.0 m時,宜選擇組合式水輪機或多級式水泵水輪機;水頭/揚程為50.0～800.0 m時,宜選擇單級混流式水泵水輪機;水頭/揚程低于50.0 m時,宜根據實際情況,通過技術經濟比較選擇混流式、軸流式或者貫流式水泵水輪機。

(2)單機容量范圍的確定。目前我國已建和在建抽水蓄能機組單機容量以300 MW為主,國外單機容量最大已經達到475 MW。近年來國產單機容量有進一步增大的趨勢,已有投產的國產機組單機容量達到400 MW,在建國產機組單機容量最大達到425 MW。根據統計數據和工程實例表明,單機容量一般以25 MW作為一個數量級進行遞增。隨著自主開發和蓄能機組國產化需求的進一步提升,國內制造商的生產制造周期和制造難度等因素在單機容量選擇時應引起高度重視。

(3)額定水頭的選擇。抽水蓄能電站額定水頭是衡量水輪機特性的一個重要參數,對抽水蓄能電站在電網中的作用及水輪機的運行影響很大,必須嚴格控制最小水頭和最大水頭的變幅。根據經驗公式分析可得,額定水頭應盡可能靠近平均水頭,上限不高于平均水頭4%,下限不低于平均水頭1%。提高額定水頭可以改善水泵水輪機的運行效率,使水輪機穩定運行的范圍擴大,有利于水輪機長時間穩定運行。

3.3 主要特性參數選擇

與常規水輪機不同,水泵水輪機國內外制造商都沒有成形的型譜系列,常規水輪機的設計方法在項目設計前期不能完全適應水泵水輪機設計。

3.3.1 設計基本假定及初始條件

(1)確定各特征參數。水頭(揚程)、流量、出力(入力)、效率。

(2)流道損失。計算流道水頭損失時,引入損失系數KQ,計算損失水頭公式:

hf=KQQ2

式中hf為流道損失,m;KQ為流道損失系數。

(3)水輪機出力與入力基本計算。

水輪機出力:Nt=9.81QtHtηt

水泵入力:Np=9.81QpHp/ηP

3.3.2 特性參數估算

(1)水輪機工況參數估算。發電機及水輪機效率初步擬定:參照已經運行的水輪機,初步擬定水輪機效率。據統計,水泵工況效率平均為0.92,水輪機工況效率平均為0.90,發電電動機的效率平均為0.98,在具體計算時,可以根據情況分別擬定在最小水頭、額定水頭和最大水頭時的效率。水輪機額定工況:如果系統沒有超出力的要求,額定水頭下的水輪機出力即為額定出力。

(2)水泵工況參數估算。水泵工況最大入力計算:按充分利用電機的原則,發電機視在功率約等于電動機視在功率,并留有一定的余量,目前一般按水泵工況電動機預留3%～5%的裕量來考慮。水泵最小揚程工況:一般情況下,水泵工況最小入力發生在水泵工況最低揚程時。

(3)比轉速估算與水輪機轉速確定。水泵比轉速:基于不同的數學模型,目前國內外有多個比轉速常用計算公式,有北京勘測設計院、清華大學、東方電氣集團公司、哈爾濱電氣集團公司、東芝公司等不同的計算公式。計算值相差較大,在實際選擇時,可以初步選取幾個公式計算結果的平均值,再與相似電站參數水平進行比較后初定。水輪機比轉速:與水泵比轉速選擇相同。水輪機轉速:分別用水輪機工況和水泵工況計算出的比轉速,利用同步轉速公式計算出同步轉速范圍,選取不同的同步轉速與類似電站進行方案比較,確定最終水輪機轉速,該轉速必須滿足發電電動機的同步轉速。

(4)轉輪直徑。當水泵比轉速、水輪機轉速和額定水頭確定后,就可以確定轉輪直徑以及進出水邊直徑比值。

(5)吸出高度選擇。水泵水輪機吸出高度計算國內外也有多個常用計算公式,主要基于不同的空蝕系數數學模型,同樣有北京勘測設計院、清華大學、東方電氣集團公司、哈爾濱電氣集團公司、東芝公司等不同的計算公式,計算值相差較大。同理,可以初步選取幾個公式計算結果的平均值,再與相似電站參數水平進行比較后初定。吸出高度值必須在土建工程招標前確定,進而確定廠房位置和水道系統的布置。

3.3.3 主要結構尺寸選取

主要結構尺寸包括蝸殼尺寸和尾水管尺寸,蝸殼尺寸有:進口直徑Ds、進口中心與水輪機中心距R以及蝸殼其他尺寸(如蝸殼四個平面軸向外殼至蝸殼中心的距離L+x、L-x、L+y、L-y);尾水管尺寸有:導葉中心圓直徑、安裝高程至尾水管地板高、水輪機中心到尾出口長度、尾水管出口寬、尾水管出口高等。蝸殼進口直徑Ds和蝸殼進口中心與水輪機中心距R可通過相應公式計算獲得,其余尺寸可通過蝸殼尺寸計算表和尾水管尺寸計算表中相應經驗公式計算獲得。

3.3.4 初步選型計算說明

水泵水輪機選型參數水平不能取得太高,水輪機運行的穩定性應放在首位,特別是水頭高、水頭變幅較大或泥沙含量較多的電站,應謹慎考慮。一般的做法是在項目前期就和潛在的制造商進行技術交流,共同討論參數確定。吸出高度選擇應留有一定的裕量,特別是長尾水管的水力損失應充分考慮。確定制造商后,應根據最終的設計參數重新進行復核計算[5]。

4 某大型抽水蓄能電站水輪機比選實例

某規劃抽水蓄能電站位于廣西自治區北部山區,樞紐建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫組成。上水庫為新建人工庫,初擬正常蓄水位784.0 m,死水位749.5 m,設計調節庫容706萬m3。下水庫為一天然河谷內筑壩成庫,多年平均流量4 m3/s,初擬正常蓄水位336.5 m,死水位311.0 m,調節庫容868萬m3。初擬采用一洞四機布置方式,電站廠房采用中部式布置方案,設置下游調壓室。電站平均水頭438.0 m,發電最大/最小水頭473.0 m/403.5 m,水泵抽水最大/最小揚程480.0 m/405.0 m。上下水庫進/出水口間輸水系統水平距離約為2 643.0 m,距高比(L/H)約為6.03。

本文采用國內某主要電力設備制造商的比轉速和比速系數計算公式。(公式略)

當電站采用單機300 MW方案時,參考水泵水輪機統計經驗,水輪機工況額定水頭430.0 m,比轉速nst約在108.0～128.0 m·kW范圍內,比速系數Kt約在2240～2654范圍內。根據比轉速范圍計算出轉速范圍在382～452 r/min之間,可選取的同步轉速為428.6 r/min。此時水輪機的額定比轉速為121.1 m·kW,比速系數為2 511.3,比轉速水平處于合理的統計位置內的中上水平。

當電站采用單機350 MW方案時,根據比轉速范圍計算出轉速范圍在352～419 r/min之間,可選取的同步轉速為375 r/min。此時,水輪機的額定比轉速為114.5 m·kW,比速系數為2 373.3,比轉速水平處于合理的統計位置的中等水平。

水泵工況時,在最小揚程Hpmin=405.0 m時,最大流量比轉速ns范圍約34～40 m·m3/s,比速系數Kp在3 070～3 661范圍內。當水輪機選用300 MW-428.6 r/min的方案時的最大流量比轉速水平高于統計水平;當水輪機選用350 MW-375 r/min的方案時的最大流量比轉速水平,與國內同水頭段電站更接近,處在更加合理的范圍內。同時,在水泵運行時,350 MW-375 r/min方案的流量變化更小,更有利于水輪機長時間穩定運行。

根據以上分析結果,該抽水蓄能電站水泵水輪機最終選擇了350 MW-375 r/min方案,電站總裝機規模1 400 MW。

5 結 語

(1)當前國內大型抽水蓄能電站發展迅速,水泵水輪機呈現高水頭、大容量發展趨勢,水輪機的選型越來越重要。

(2)大型抽水蓄能電站水輪機主要有6大特點,水輪機的選型必須結合這6大特點,遵循選型的基本原則,多方面比選水輪機單機容量,科學合理地選擇水輪機臺數和主要特征參數。

(3)大型抽水蓄能電站水輪機選型要充分運用現代化先進科學技術,如CFD技術(流體分析技術)和三維CAD技術等,重點是分析水輪機工況和水泵工況的水流、壓力、變形等參數變化,找出最佳組合方式,實現水泵水輪機效率最科學合理。

(4)在大型抽水蓄能電站水泵水輪機選型實例中,要選擇2～3個不同理論路徑的公式,分別計算水輪機工況時的比轉速nst、比速系數Kt和水泵工況時的比轉速nsp、比速系數Kp。然后初步選擇這些公式計算結果的平均值,和相似抽水蓄能電站水泵水輪機參數水平進行比較后選定設計比轉速和比速系數。

(5)事實表明,對大型抽水蓄能電站機組選型進行深入研究非常必要,將會對抽水蓄能電站的工程設計、機組研發、新技術應用、理論創新和前沿科技的探索提供非常有價值的科學依據,從而進一步提高我國大型抽水蓄能電站的開發和運行水平,更好地為新型電力生產服務。