變速抽水蓄能機組水泵工況運行范圍分析

鄧 磊，李國鳳，鄭津生，倪晉兵，鄧祥平

（1. 國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京 100761；2. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

抽水蓄能機組在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相等任務，是實現新能源大規模并網、構建以新能源為主體的新型電力系統的關鍵路徑[1]。但傳統的定速抽水蓄能機組水泵工況入力不可調節，水輪機工況運行范圍遠離最優區，而變速抽水蓄能機組轉速在一定范圍內可調，解決了定速機組水泵工況入力無法調節的問題，且其水輪機工況運行范圍更靠近最優區，能量性能和穩定性能較好，同時，變速抽水蓄能機組具有更快的響應速度、更好的無功調節能力等特點，更加適合新型電力系統的需求。

水泵工況入力可調是變速抽水蓄能機組的主要優勢之一，擴大水泵工況運行范圍，提高入力調節能力，是變速水泵水輪機水力研發的關鍵目標。因此，研究變速抽水蓄能機組水泵工況運行范圍的限制因素，分析相關參數變化對運行范圍的影響具有重要意義。

目前國內外學者對變速抽蓄機組的控制策略優化[2-4]、響應特性[5-8]、結構設計[9]、效益[10]和運維成本[11]等方面已做了大量研究，而在變速抽水蓄能機組運行范圍方面研究較少。張韜[12]分析了多個已投運變速水泵水輪機的運行范圍的限制因素，并以某海水抽蓄為例比較了不同同步轉速下的水泵工況運行范圍，據此得出了最佳選型方案；喻冉[13]分析了變速水泵水輪機抽水和發電工況的運行范圍，劉德民[14]、張寶勇[15]等分析了變速水泵水輪機運行范圍的限制因素，并指出水力設計時需重點優化空化性能、提高駝峰裕量以擴大水泵工況運行范圍。上述文獻詳細闡述了變速抽蓄機組水泵工況運行范圍限制因素，但對于相關參數變化對水泵工況運行范圍的影響方面還未有量化的分析。

本文以某300 MW 交流勵磁變速水泵水輪機為例，分析了水泵工況運行范圍限制因素及相關參數變化對運行范圍、入力調節能力以及可用轉速范圍的影響，為后續變速抽水蓄能電站機組參數選擇及變速水泵水輪機水力優化設計提供參考。

1 變速抽水蓄能機組水泵工況運行范圍分析

本文所研究的300 MW 變速水泵水輪機屬400 m 水頭段的機組，吸出高度為-75 m，額定轉速為428.6 r/min，轉速變化范圍建議為±7%nr，水泵最大入力限制為330 MW，駝峰裕量限制為2%，轉輪直徑為4.10 m 時水泵工況運行范圍如圖1 所示。

圖1 某300 MW 變速水泵水輪機水泵工況運行范圍

由圖1 可見：變速水泵水輪機的水泵工況運行范圍受轉速、揚程范圍、空化、駝峰和最大入力的限制；對于所研究的變速水泵水輪機，在最高揚程下，實際可應用的最小轉速受駝峰限制為+0.7%nr（A點），最大轉速受最大入力限制為6.0%nr（B 點），入力調節量為85.7 MW；在最低揚程下，實際可應用的最小轉速受駝峰限制為-6.0%nr（D 點），最大轉速受空化和最大入力限制為3.8%nr（C 點），入力調節量為131 MW；該變速水泵水輪機的水泵工況運行范圍為ABCDA，實際可用的轉速范圍為（-6.0%~+6.0%）nr。

2 參數變化對水泵工況運行范圍的影響

2.1 轉速變化范圍對水泵工況運行范圍的影響

水泵的入力和轉速的三次方成正比，理論上可以通過不斷加大轉速變化范圍來提高水泵入力調節能力，但考慮變頻器成本和水泵工況實際可應用的轉速范圍，目前已投運的交流勵磁變速水泵水輪機轉速變化范圍大多在（±4%~±10%）nr之間[15]，因此，分析轉速變化對水泵工況運行范圍的影響可為機組轉速變化范圍的選擇提供參考。圖2 為轉速變化范圍分別為±5%nr、±6%nr、±7%nr對應的水泵工況運行范圍，表1 為不同轉速變化范圍對應的水泵工況運行范圍、入力調節量和實際可用的轉速范圍比較。

表1 不同轉速變化范圍對應的運行范圍、入力調節量和實際可用轉速范圍比較

圖2 不同轉速變化范圍對應的水泵工況運行范圍

由圖2 和表1 可見：

當轉速變化范圍為±5%nr時，水泵工況運行范圍受轉速限制：最低揚程最小轉速工況點D1受轉速-5%nr的限制，最大轉速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉速工況點A 受駝峰限制，而最大轉速工況點B1受轉速+5%nr限制；運行范圍為AB1B2CD1D2A，實際應用的轉速范圍為（-5%~+5%）nr，最高、最低揚程下的入力調節量分別為71 MW 和110.5 MW。

當轉速變化范圍為±6%nr時，水泵工況運行范圍受轉速限制：最低揚程最小轉速工況點D 受駝峰和轉速-6%nr的限制，最大轉速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉速工況點A 受駝峰限制，而最大轉速工況點B 受最大入力和轉速+6.0%nr的限制；運行范圍為ABCDA，實際應用的轉速范圍為（-6.0%~+6.0%）nr，水泵最高、最低揚程下的入力調節量分別為85.7 MW、131 MW，比轉速變化±5%nr方案高14.7 MW、20.5 MW。

若機組的轉速變化范圍繼續加大至±7%nr，轉速將不再是限制水泵工況運行范圍的因素：最低揚程最小轉速工況點D 僅受駝峰限制，最大轉速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉速工況點A 受駝峰限制，最大轉速工況點B 受最大入力限制；水泵工況運行范圍仍為ABCDA，實際應用的轉速范圍仍為（-6.0%~+6.0%）nr，最高、最低揚程下的入力調節量仍為85.7 MW 和131 MW。

由此可見，受水泵水輪機自身特性（空化和駝峰）、電站揚程范圍和最大入力的限制，水泵工況實際可應用的轉速范圍有限，具體范圍需根據機組特性通過選型確定，但大多不會超過±10%nr，因此，當轉速變化范圍大于水泵工況實際可用轉速范圍后，繼續加大轉速變化范圍沒有實際意義；在變速水泵水輪機實際可應用的轉速范圍內，轉速變化范圍越大，水泵工況運行范圍越大；對于運行范圍受轉速限制的變速水泵水輪機，可適當加大轉速變化范圍以擴大水泵工況運行范圍，提高入力調節能力。

2.2 揚程變幅對運行范圍的影響

抽水蓄能電站的揚程/水頭變幅對機組的穩定性能有重要影響，變幅越大對機組穩定性越不利。變速抽蓄機組水頭/揚程變幅較大時，水輪機工況可采用尋優運行來提高機組的穩定性能，水泵工況則需分析最高揚程和最低揚程下的入力調節能力。圖3 所示為不同揚程下的水泵工況運行范圍，表2為不同揚程下的入力調節量和實際可用的轉速范圍比較。

表2 不同揚程對應的入力調節量和可用轉速范圍比較

圖3 不同揚程對應的水泵工況運行范圍

由圖3 和表2 可見：

最低揚程工況：最低揚程為412 m 時，可用轉速范圍受駝峰和空化限制為（-6.0%~+3.5%）nr（DC1），入力調節量為130 MW；最低揚程為404 m 時，可用轉速范圍開始受限于最小轉速、駝峰和空化限制，為（-7%~+3.0%）nr（EF），入力調節量為131 MW；若最低揚程繼續減小，則最低揚程下的運行范圍將僅受最低轉速和葉片正面空化限制，入力調節能力隨之減小；當最低揚程為319 m 時，僅能運行于-7.0%nr一個工況點G，入力調節量為0 MW。由此可見，最低揚程運行范圍未受最低轉速限制時，隨著最低揚程的減小，入力調節能力可能會增加；若最低揚程運行范圍受最低轉速限制，隨著最低揚程的減小，入力調節能力減小，最終的運行范圍將縮小為一個工況點。

最高揚程工況：最高揚程為475 m 時，可用轉速范圍受駝峰和最大入力限制為（+0.7%~+5.8%）nr（AB1），入力調節量為85.7 MW；最高揚程為500 m 時，可用轉速范圍受駝峰、最大入力和最高轉速限制為（+3.4%~+7.0%）nr（HI），入力調節量為68 MW；若最高揚程繼續升高，則運行范圍僅受最高轉速和駝峰限制，入力調節能力繼續減小；當最高揚程為535 m 時，僅能運行于+7.0%nr一個工況點J，入力調節量為0 MW。由此可見，隨著最高揚程的增加，水泵入力調節能力減小，最終的運行范圍將縮小為一個工況點。

綜上可知：電站的揚程變幅對水泵工況運行范圍有較大影響；揚程變幅越大，水泵工況的運行范圍越大，但當揚程變幅過大時，最高和最低揚程附近的入力調節能力較小，因此，為了保證水泵工況具有較大的入力調節能力，變速抽水蓄能電站的揚程變幅不宜過大。

2.3 最大入力限制對變速范圍的影響

當前水泵水輪機的最大入力限制值大多為機組容量的1.08~1.1 倍，對于變速抽水蓄能機組，最大入力限制取值可綜合考慮電機容量及其對水泵工況入力調節能力的影響。圖4 所示最大入力限制值為320 MW、330 MW、340 MW 對應的水泵工況運行范圍，表3 為水泵不同最大入力限制值對應的運行范圍、入力調節量及可用轉速范圍比較。

表3 不同入力限制值對應的運行范圍、入力調節量及可用轉速范圍比較

圖4 最大入力限制為320 MW、330 MW、340 MW 對應的水泵工況運行范圍

由圖4 和表3 可見：

最大入力限制為320 MW 時，水泵在整個揚程范圍內均受最大入力限制，運行范圍為AB1C1DA，最低揚程下可應用的轉速范圍為（-6.0%~+3.1%）nr（DC1），入力調節量為121 MW；最高揚程下可應用的轉速范圍為（+0.7%~+5.4%）nr（AB1），對應的入力調節量為75.7 MW。

最大入力限制為330 MW 時，水泵在整個揚程范圍內均受最大入力限制，運行范圍為ABCDA，最低揚程下可應用的轉速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力調節量為131 MW；最高揚程下可應用的轉速范圍為（+0.7%~+6%）nr（AB），入力調節量為85.7 MW。

最大入力限制為340 MW 時，揚程高于438 m 的運行范圍將受最大入力限制，運行范圍為AB2ECDA，最低揚程下可應用的轉速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力調節量為131 MW；最高揚程下可應用的轉速范圍（+0.7%~+6.8%）nr（AB2），入力調節量為95.7 MW。

由此可見，最大入力限制僅影響水泵工況高轉速下的運行范圍，通常來說，最大入力限制值越大，運行范圍越大；對于變速水泵水輪機，可以適當選擇較大的最大入力值，以擴大水泵工況的運行范圍。

2.4 吸出高度對運行范圍的影響

抽水蓄能電站吸出高度的選擇既要考慮工程投資，又要考慮機組過渡過程及水泵工況空化問題，若電站安裝變速機組，則還需考慮吸出高度對水泵工況運行范圍的影響。圖5 所示為吸出高度為-75 m和-70 m 對應的水泵工況運行范圍，表4 為不同吸出高度對應的運行范圍、入力調節量和實際可用的轉速范圍比較。

表4 不同吸出高度對應的運行范圍、入力調節量和可用轉速范圍比較

圖5 吸出高度為-75 m 和-70 m 對應的水泵運行范圍

由圖5 和表4 可見：

在小流量區域，吸出高度為-70 m 和-75 m 時，葉片背面空化限制線均在駝峰限制線左側，水泵最高、最低揚程下實際可應用的最小轉速受駝峰限制為+0.7%nr（A）、-6.0%nr（D），因此吸出高度為-70 m或-75 m 對水泵工況小流量區域基本無影響，若吸出高度繼續減小，使得葉片背面空化限制線在駝峰限制線右側，則水泵小流量區域的運行范圍將隨著吸出高度的減小而減小；在大流量區域，最高揚程運行范圍僅受最大入力限制（B），而最低揚程運行范圍受葉片正面空化限制：吸出高度為-75 m 時，最低揚程可應用的最大轉速受最大入力和葉片正面空化限制為+3.8%nr（C），吸出高度為-70 m 時，最低揚程可應用的最大轉速僅受葉片正面空化限制為+3.5%nr（C2），對應的入力調節量減小了5.3 MW。因此，對于該變速水泵水輪機，吸出高度的變化主要影響低揚程、大流量區域的運行范圍，吸出高度變化5 m 將引起5 MW 左右的入力調節量變化，而當吸出高度過小時，吸出高度的變化也將影響小流量區域的運行范圍。

由此可見：電站吸出高度越大，水泵水輪機自身空化性能越好，變速抽蓄機組水泵工況的運行范圍受空化限制越小，對應的運行范圍和入力調節能力越大；吸出高度（空化性能）主要影響水泵工況小流量區域以及低揚程大流量區域的運行范圍，對高揚程大流量區域的運行范圍基本無影響；對于水泵工況運行范圍受空化限制的變速水泵水輪機，在水力設計方面可提高水泵水輪機的空化性能，在電站參數方面可選擇較大的吸出高度，以擴大水泵工況的運行范圍。

2.5 駝峰裕量對變速范圍的影響

通常來說，1%~2%的駝峰裕量已足夠保證水泵水輪機高揚程工況的運行穩定性，從國內外已投運的抽水蓄能電站運行情況來看，也沒有出現因駝峰裕量不足而引發的水泵高揚程工況的穩定性問題。圖6 所示為駝峰裕量按2%和1%考核時的水泵工況運行范圍，表5 為不同駝峰裕量考核值對應的水泵工況運行范圍、入力調節量及可用轉速范圍比較。

表5 不同駝峰裕量考核值對應的運行范圍、入力調節量和可用轉速范圍比較

圖6 駝峰裕量按2%和1%考核時的水泵工況運行范圍

由圖6 和表5 可見：

對于該水泵水輪機，由于葉片背面空化限制線在駝峰限制線外側，所以最低揚程至最高揚程實際可應用的最小轉速均受駝峰限制。駝峰裕量限制為2%時，水泵工況運行范圍為ABCDA，最低揚程下可應用的轉速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC）；最高揚程下可應用的轉速范圍為（+0.7%~+6.0%）nr（AB）。駝峰裕量按1%考核時，水泵運行范圍擴大為A1BCD1A1，最低揚程下可應用的轉速范圍為（-6.4%~+3.8%）nr（D1C）；最高揚程下可應用的轉速范圍為（+0.2%~+6.0%）nr（A1B）；最低、最高揚程下的入力調節量分別為139.1 MW、95.5 MW，比駝峰裕量按2%考核時增加了8.1 MW、9.8 MW。

由此可見，當水泵工況變速范圍受駝峰限制時，駝峰裕量的變化對水泵工況實際應用的最小轉速有影響；水泵水輪機自身駝峰裕量越大、駝峰裕量考核指標越小，則水泵工況運行范圍越大；對于水泵運行范圍受駝峰限制的變速水泵水輪機，為了擴大水泵工況的運行范圍，一方面可在水力設計時提高水泵工況的駝峰裕量，另一方面，可適當降低駝峰裕量考核指標。

2.6 轉輪直徑變化對運行范圍的影響

變速抽水蓄能機組轉輪直徑選擇時需綜合考慮能量性能、穩定性能和空化性能，并保證水泵工況具有較大的入力調節能力。圖7 所示為轉輪直徑4.15 m對應的水泵工況運行范圍，表6 為直徑4.15 m 和4.10 m 對應的入力調節量和可用轉速范圍比較。

表6 不同直徑對應的入力調節量和可用轉速范圍比較

圖7 轉輪直徑為4.15 m 對應的水泵運行范圍

由圖1、圖7和表6可見：直徑為4.10 m時，最高、最低揚程下轉速變化范圍分別為(+0.7%~+6.0%)nr、(-6.0%~+3.8%)nr，對應的入力調節量分別為85.7 M和131 MW，實際應用的轉速范圍為(-6%~+6.0%)nr；直徑為4.15 m 時，最高、最低揚程下的轉速變化范圍分別為(-0.5%~+4.2%)nr、 (-7%~+1.9%)nr，對應的入力調節量分別為80 M 和123 MW，比直徑4.10 m方案分別減小了5.7 MW 和8 MW，實際應用的轉速范圍為(-7%~+4.2%)nr。

由此可見，真機轉輪直徑大小對水泵工況運行范圍和入力調節能力有較大影響，因此，在變速機組選型階段，應分析不同轉輪直徑下的水泵工況運行范圍、入力調節能力以及機組的能量性能和穩定性能，據此確定出可使綜合性能最優的轉輪直徑。目前國內外安裝變速機組的抽水蓄能電站均同時安裝有定速機組，考慮電站建設以及機組制造、安裝、維護便利及成本等問題，定速和變速機組可采用同一水力模型、同一轉輪直徑，但在轉輪直徑選擇時則需綜合評判定速和變速水泵水輪機的水力性能參數，以此確定出使定速和變速水泵水輪機均具有較高綜合性能的轉輪直徑。

3 結論

本文以某300 MW 交流勵磁變速水泵水輪機為例，分析了水泵工況運行范圍的限制因素以及相關參數變化對水泵工況運行范圍的影響，并據此提出了擴大水泵工況運行范圍、提高入力調節能力的措施，具體如下：

（1）受空化、駝峰、揚程范圍和最大入力限制，變速抽水蓄能機組水泵工況實際可應用的轉速范圍有限；在實際可應用的轉速范圍內，轉速變化范圍越大，水泵工況運行范圍越大；對于運行范圍受轉速限制的變速水泵水輪機，可適當加大轉速變化范圍以擴大水泵工況運行范圍。

（2）揚程變幅越大，水泵工況運行范圍越大，但當揚程變幅過大時，最高和最低揚程附近的入力調節能力較小，因此，電站的揚程變幅不宜過大，以保證水泵揚程范圍內具有較大的入力調節能力。

（3）最大入力限制值越大，水泵工況運行范圍越大；變速水泵水輪機可適當放寬最大入力限制值，以擴大水泵工況運行范圍。

（4）吸出高度越大，水泵水輪機自身空化性能越好，水泵工況運行范圍越大；當水泵工況運行范圍受空化限制時，在水力設計方面可提高水泵水輪機的空化性能，在電站參數方面可適當選擇較大的吸出高度，以擴大水泵工況的運行范圍。

（5）水泵水輪機自身駝峰裕量越大、駝峰裕量考核指標越小，水泵工況運行范圍越大；為了擴大水泵工況運行范圍，一方面可在水力設計時提高水泵工況的駝峰裕量，另一方面，可適當降低駝峰裕量考核指標。

（6）在選型階段，應分析不同轉輪直徑下的水泵工況運行范圍、入力調節能力以及機組的能量性能和穩定性能，據此確定出可使綜合性能最優的轉輪直徑。

隨著更多變速抽水蓄能項目的推進，后續將分析不同水頭段、不同容量的變速水泵水輪機參數變化對運行范圍的影響程度，為變速抽水蓄能電站參數選擇和水力設計提供參考。