曹坪抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數選擇及關鍵技術研究

楊 昭，郭樹良，蘇建峰，趙 妍，姚 虎，程禮彬

（1.國家電投集團陜西新能源有限公司，陜西 西安 710000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 電站技術參數

曹坪抽水蓄能電站位于陜西省商洛市柞水縣曹坪鎮境內，地處西北電網負荷中心區域附近。電站總裝機1 400 MW，具備日調節性能，電站建成后將主要承擔陜西電網調峰填谷、儲能、調頻調相、事故備用等任務[1-3]。

電站樞紐主要由上水庫、 下水庫、輸水系統、地下廠房、地面出線站等建筑物組成。輸水發電系統引水和尾水系統均采用一洞兩機布置，地下廠房采用尾部布置方案。

（1）水位

上水庫正常蓄水位 1 415.00 m

上水庫死水位 1 388.00 m

下水庫正常蓄水位 992.00 m

下水庫死水位 963.00 m

（2） 水頭

額定水頭 413.00 m

最大毛水頭 452.00 m

平均毛水頭 424.00 m

最小毛水頭 396.00 m

本電站毛水頭為 396.00~452.00 m，根據規范及國內外抽水蓄能電站的統計分析，本電站選擇單級混流式水泵水輪機。電站裝機容量1 400 MW，采用4臺單機容量為350 MW的立軸、單級、單轉速混流可逆式機組。

2 水泵水輪機主要參數選擇

2.1 比轉速和比速系數的選擇

比轉速是描述水泵水輪機性能參數和幾何形狀等方面的綜合性參數，它綜合反映了轉輪的尺寸、形狀、流道過流能力、空蝕性能和能量指標。

（1）統計公式計算比轉速

國內外對水泵水輪機的特性參數選擇作了很多統計，用不同統計公式分別計算得到的曹坪抽水蓄能電站水輪機工況額定水頭比轉速范圍為87.0~109.2 m·kW；水泵工況最低揚程比轉速為31.8~42.7 m·m3/s。這些統計公式的計算結果代表不同年代投產的水泵水輪機參數平均水平，參數水平分布較廣；曹坪抽水蓄能電站水泵水輪機比轉速的選擇將更多地參照近期國內外投入運行類似水頭段的水泵水輪機的設計和制造水平，并結合發電電動機同步轉速來選定。

（2）統計曲線法分析比轉速參數

為了了解可逆式水泵水輪機的設計制造水平，我們統計了國內部分該水頭段的抽水蓄能電站水泵水輪機的主要參數、Hp~nq、Ht~ns關系曲線，見圖1、圖2。國內外已投運相近水頭段抽水蓄能電站水輪機額定工況下比速系數大部分處于1 940~2 644之間，水泵工況最低揚程下比速系數大部分處于2 769~3 624之間。

圖1 水輪機比轉速與水頭關系曲線

圖2 水泵比轉速和揚程關系曲線

綜合分析，本階段同時參考了類似電站參數和制造廠提供的技術參數進行比較分析，水輪機額定工況下比速系數Kt擬在2 100~2 550之間選擇，相應比轉速ns在103.3~125.5 m·kW之間；水泵工況最低揚程下比速系數Kp擬在3 000~3 600之間選擇，相應比轉速nq在33.5~40.1 m·m3/s之間。

2.2 額定轉速方案比選

從水泵水輪機可選取的比轉速、比速系數以及發電電動機同步轉速檔次來看，本電站機組可選擇的額定轉速方案有333.3 r/min和375 r/min,兩種轉速方案的詳細經濟性比較結果見表1。

表1 不同轉速方案參數水平比較表

轉速為375 r/min時，參數水平略低于同水頭段的周寧抽水蓄能電站水泵水輪機，在該水頭段參數中處于中等偏上水平；轉速為333.3 r/min時，參數在該水頭段處于相對偏低的參數水平，同時機組尺寸和廠房較大，投資相應較大。隨著機組額定轉速的提高，機組尺寸減小、重量減輕，機組造價相應減少，同時廠房尺寸相應縮小，土建投資降低。與375 r/min轉速方案相比，333.3 r/min轉速方案機組設備直接投資需增加12 400萬元。

針對曹坪抽水蓄能電站，就主機參數向國內主機制造廠家進行咨詢，各主機制造廠家均推薦額定轉速375 r/min方案。

考慮到本電站多年平均過機含沙量為0.034 kg/m3，水質較好，從技術可行、經濟合理、制造廠設計制造經驗等方面綜合考慮，曹坪電站本階段選擇額定轉速為375 r/min。

2.3 吸出高度及安裝高程的確定

水泵水輪機水泵工況時進口撞擊和低壓區都發生在葉片進口處，因之動壓降較大，空化性能較差；而水輪機工況水流撞擊多發生在葉片進口邊，葉片低壓區在出口附近，因之動壓降較小，空化性能較好。因此，水泵水輪機主要以水泵工況的空化特性作為限制條件。

通過吸出高度的統計公式[4]和與本電站水頭相近的電站裝置空蝕系數及吸出高度得出，各統計公式計算的最低揚程Hs值在-50.81~-62.07 m之間。參考部分廠家為本電站所做的初步方案，Hs值為-60~-75 m。綜合分析，考慮地下廠房吸出高度的選擇對電站造價影響較小，留有一定裕量，取吸出高度Hs=-75.0 m，確定機組安裝高程888.0 m。

根據選擇的安裝高程和下游尾水位特性，按照相關標準擬定的組合工況進行過渡過程計算，在相關的控制工況下，尾水進口最小壓力計算值均大于過渡過程計算控制值，滿足調保計算要求。

2.4 水泵水輪機的預期效率

根據制造廠家建議效率參數，并參考已建、在建電站相似水頭段水泵水輪機的效率保證值，本階段用于計算機組參數的機組各工況效率[5]取值如表2所示。

表2 水泵水輪機各點效率表

2.5 推薦的水泵水輪機主要參數

綜合分析，本階段推薦的水泵水輪機主要參數見表3。

表3 水泵水輪機主要技術參數表

3 關鍵技術研究

3.1 調節保證設計

3.1.1 水力過渡過程計算控制值

本階段委托兩家單位進行了過渡過程計算，兩家單位分別采用梅州和清原抽水蓄能電站真機模型全特性曲線來進行抽水蓄能電站的調節保證設計。

根據現行規范NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》，并結合本電站的特點，本階段對大波動水力過渡過程確定的控制值如下：

（1）機組蝸殼允許最大壓力升高相對值ζ≤30%，取蝸殼允許最大壓力Hcmax≤685.1 m?H2O；

（2）機組最大轉速升高率βmax≤45%；

（3）尾水管最小壓力設計工況不小于22 m?H2O，校核工況不小于14 m?H2O；

（4）輸水系統沿線洞頂最小內水壓力Hamin≥2 m?H2O。

3.1.2 水力過渡過程計算主要成果

匯總兩家計算成果后，兩家大波動過渡過程控制性參數計算值均能滿足控制標準，結論見表4。

表4 水力過渡過程計算主要成果

3.1.3 調節保證設計值

根據現行規范NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》，調節保證設計值應在水力過渡過程計算值的基礎上考慮計算誤差、壓力脈動的影響并進行修正后確定。陜西曹坪抽水蓄能電站過渡過程計算結果可知：

（1）蝸殼末端最大壓力值為684.61 m，綜合國內外主機廠家對壓力脈動的估算及部分電站水力機械過渡過程的實測值分析，建議所有工況下，蝸殼末端最大壓力調節保證設計值為760 m·H2O。

（2）調節保證設計值中尾水管最小壓力考慮海拔修正，修正值為0.99 m·H2O。

（3）建議機組轉速上升的保證值為145%額定轉速，即544 r/min。

3.2 設計制造可行性分析

對水泵水輪機來說，過大的Hpmax/Htmin值可能會引起水力性能設計困難和運行不穩定，空蝕、振動、噪聲等情況加重，曹坪抽水蓄能電站Hpmax/Htmin值為1.196，水頭變幅與本電站水頭相近的周寧電站基本相當，處于相近水頭段電站、制造廠設計制造經驗和國內外設計選型經驗之內；另外，本抽蓄電站單機350 MW，額定水頭413 m，額定水頭下比轉速120.4 m·kW，最低揚程401.4 m，最低揚程下比轉速38.3 m·m3/s，國內主機廠家均有一批同水頭段參數水平相似且已成功投運的基礎轉輪，如周寧、沂蒙、豐寧、荒溝、仙游等，預期水力開發難度可控。曹坪抽蓄電站推薦轉輪高壓側直徑為4.8 m,水泵水輪機制造難度系數僅為10.56，未超出國內水泵水輪機現有設計、制造水平，且轉輪、球閥整體運輸均無制約因素。

曹坪電站水頭變幅在技術上是可行的，預期水泵水輪機可穩定運行，水泵水輪機設計、制造無制約因素，但考慮到本水頭段國內無單機350 MW的已投運機組，招標階段應與相關主機廠家展開充分的技術交流，合理確定水泵水輪機的主要性能參數。

3.3 泥沙研究

曹坪電站多年平均過機含沙量為0.034 kg/m3，水輪機、水泵的實際泥沙磨損破壞程度與水輪機出口相對速度和水泵出口線速度有明顯的相關關系，機組額定轉速為375 r/min，水泵出口線速度vu約為94.25 m/s；水輪機工況轉輪出口圓周速度vr約為51 m/s。本電站與已投運和在建的仙游、周寧、永泰、仙居等電站轉輪水輪機出口相對速度和水泵出口線速度較為接近，對照類似電站參數，本電站處于較為合理的水平，初步判斷本電站水泵水輪機受泥沙磨損的影響輕微。

3.4 拆卸方式

隨著水泵水輪機技術的不斷發展，抽水蓄能機組的大修周期得到延長，越來越多的抽蓄機組均采用上拆方式，且從本階段與國內各制造廠家征詢的情況看，各制造廠家均推薦上拆，考慮本電站布置特點和機組結構形式，結合近年投產和在建的類似電站的拆卸方式，推薦本電站水泵水輪機拆卸方式為上拆方式。

4 結論

（1）曹坪抽水蓄能電站采用單級混流式水泵水輪機。

（2）曹坪抽水蓄能電站更多的參照近期國內外投入運行類似水頭段的水泵水輪機的設計和制造水平，并結合發電電動機同步轉速來確定，水輪機額定工況下比速系數在2 100~2 550之間選擇，相應比轉速在103.3~125.5 m·kW之間；水泵工況最低揚程下比速系數在3 000~3 600之間選擇，相應比轉速在33.5~40.1 m?m3/s之間。

（3）通過對水泵水輪機效率、技術參數比較、電站淹沒深度、制造經驗、泥沙磨損、壓力脈動特性、發電電動機設計問題等技術和經濟指標的綜合分析，并結合制造廠家推薦，曹坪電站選擇額定轉速為375 r/min。

（4）曹坪抽水蓄能電站吸出高度Hs=-75.0 m，確定機組安裝高程888.0 m。

（5）曹坪抽水蓄能電站各工況效率取值見表2。

（6）通過對曹坪抽水蓄能電站關鍵技術研究，提出了本電站可研階段的調節保證設計值、泥沙研究的結論及機組的拆卸方式。

本文通過簡要論述曹坪抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數選擇，并結合關鍵技術的研究，為下階段發包及施工階段工作奠定了堅實基礎。