荒溝抽水蓄能電站機(jī)組額定水頭的選擇

王云寬，張亞迅，于 洋

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北直管建管部，河北石家莊050035)

1 概 況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內(nèi)。電站距牡丹江市130 km，距蓮花壩址43 km。電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫、地面開關(guān)站及副廠房系統(tǒng)組成。電站總裝機(jī)容量為1 200 MW，年發(fā)電1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承擔(dān)黑龍江省及東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

1）水輪機(jī)工況凈水頭：最大水頭為445.6 m；額定水頭為410.0 m；最小水頭為405.3 m。

2）水泵工況動(dòng)揚(yáng)程。最大揚(yáng)程為454.7 m；最優(yōu)效率點(diǎn)揚(yáng)程為428.0 m；最小揚(yáng)程為418.6 m。

2 確定水輪機(jī)工況額定水頭的因素

抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)既要作水輪機(jī)運(yùn)行、又要作水泵運(yùn)行，由于水道系統(tǒng)和機(jī)組本身流道引起一定的水頭損失，使得水泵工況下水泵揚(yáng)程必然大于上下庫的靜水位差，而發(fā)電時(shí)水輪機(jī)發(fā)電水頭小于靜水位差，這樣，單轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)不可能同時(shí)滿足兩種工況的最優(yōu)轉(zhuǎn)速條件。由于水泵工況無法通過控制導(dǎo)水葉開度來調(diào)節(jié)流量和輸入功率，水泵的高效區(qū)較窄，所以總是先以水泵工況為主進(jìn)行水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)，再用水輪機(jī)工況校核。由于水泵水輪機(jī)特性和引水系統(tǒng)水力損失的原因，造成水輪機(jī)工況總是偏離最優(yōu)效率區(qū)運(yùn)行，即處于最優(yōu)效率區(qū)以下的運(yùn)行水頭范圍。一般來說，水泵水輪機(jī)的額定水頭選得越高，水輪機(jī)工況的高出力運(yùn)行范圍就越靠近最優(yōu)效率區(qū)，也就越有利于機(jī)組參數(shù)的優(yōu)化和穩(wěn)定性的提高。

根據(jù)對(duì)國外102座抽水蓄能電站的統(tǒng)計(jì)，有66座抽水蓄能電站的額定水頭高于算數(shù)平均水頭，17座抽水蓄能電站額定水頭與算數(shù)平均水頭相同，19座抽水蓄能電站額定水頭低于算數(shù)平均水頭。而低于算數(shù)平均水頭的抽水蓄能電站都是水頭變幅較小的。按照水利水電動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范，一般情況下，抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電水頭可按滿發(fā)額定容量時(shí)最小的上、下水庫水位差減去相應(yīng)的水頭損失確定。

合理地選擇水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況額定水頭，應(yīng)根據(jù)電站的水頭特性，以加權(quán)平均水頭為基礎(chǔ)，從保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行出發(fā)，擬定不同方案，分析計(jì)算電站預(yù)想出力降低對(duì)電力系統(tǒng)的影響及機(jī)組參數(shù)的變化對(duì)電站投資的影響，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。因此，水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況額定水頭的選擇，是一項(xiàng)涉及到多個(gè)方面的綜合性工作，一般來講，需要考慮以下幾方面的內(nèi)容：電站的運(yùn)行方式、在系統(tǒng)中的作用和電力系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能的要求；在電站正常運(yùn)行范圍內(nèi)，水泵水輪機(jī)要有較高的綜合效率；水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)合理，水輪機(jī)工況和水泵工況參數(shù)能合理匹配；水輪機(jī)工況在低水頭和部分負(fù)荷條件下應(yīng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并能穩(wěn)定地并入電網(wǎng)；在一個(gè)工作周期內(nèi)，發(fā)電工況和抽水工況基本上達(dá)到水量平衡。

3 國內(nèi)外抽水蓄能電站額定水頭的選取情況

我國水利水電動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)額定水頭的選取作了如下原則性的規(guī)定：“抽水蓄能機(jī)組額定水頭、額定揚(yáng)程選擇應(yīng)根據(jù)上、下庫水位變幅、水頭損失及電站運(yùn)行方式分析確定”。因?yàn)橛秒娯?fù)荷特性和電站在系統(tǒng)中的作用不同，電站運(yùn)行方式會(huì)有很大差異，所以在確定該值時(shí)具有較大的靈活性。

日本關(guān)于額定水頭的選擇方法是按電站日滿發(fā)利用1 h的上下游水位差減去相應(yīng)的水頭損失，故額定水頭一般處于電站運(yùn)行水頭段接近高水頭1/3處。

從收集到的其他國家電站資料來看，額定水頭一般多在算術(shù)平均水頭附近。國內(nèi)外抽水蓄能電站最高水頭與額定水頭的比值一般小于等于1.1（即Hmax/Hr）。

4 荒溝抽水蓄能電站水輪機(jī)工況額定水頭的選擇

荒溝電站為純抽水蓄能電站，水頭變幅并不大（Hpmax/Htmin=1.12），從電站的運(yùn)行效益看，在系統(tǒng)中運(yùn)行應(yīng)以容量效益為主，水輪機(jī)工況額定水頭的選擇應(yīng)在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能減少電站容量的受阻。

根據(jù)上述考慮因素和國內(nèi)外抽水蓄能電站額定水頭選取情況，擬定3個(gè)額定水頭的方案（即額定水頭414.5，410.0，405.3 m）進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 額定水頭比較-水泵水輪機(jī)參數(shù)匯總表

從表1中數(shù)據(jù)分析：

1）對(duì)水輪機(jī)綜合效率的影響：隨著額定水頭降低，額定水頭至最小水頭各最大負(fù)荷區(qū)間附近的效率有所下降。但由于3個(gè)方案額定工況的單位參數(shù)變化不大，引起的水輪機(jī)工作范圍變化不大，故對(duì)水輪機(jī)效率的影響也不大

2）對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響：隨著額定水頭降低，水輪機(jī)部分工況更加靠近不穩(wěn)定區(qū)域。但由于水頭變幅較小，3個(gè)方案的差距并不明顯，距離不穩(wěn)定區(qū)域都有一定的安全余量。

從已建和在建工程的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況電站水頭特征系數(shù)K=(Hr-Hmin)/(Hmax-Hmin)的分布趨勢看，國內(nèi)電站大多在K=0.2～0.5，額定水頭均在算術(shù)平均水頭以下；國外電站K值較高，額定水頭選擇較高。當(dāng)機(jī)組額定水頭提高時(shí)，機(jī)組在額定點(diǎn)發(fā)額定出力時(shí)導(dǎo)葉開度相對(duì)較小，轉(zhuǎn)輪出口水流均勻分布，在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時(shí)水流為法相出口，壓力脈動(dòng)最小。如果水泵水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行水頭比最優(yōu)工況水頭低，水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速比最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速大，此時(shí)轉(zhuǎn)輪出口有正的速度矩，會(huì)產(chǎn)生尾水管渦帶。當(dāng)水輪機(jī)工況運(yùn)行在低水頭時(shí)，尾水管的壓力脈動(dòng)加大。提高水輪機(jī)的額定水頭后，水輪機(jī)工作點(diǎn)向最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速方向偏移，這可以降低水輪機(jī)在最小水頭運(yùn)行時(shí)尾水管振動(dòng)大的危險(xiǎn)性。所以，在一定范圍內(nèi)提高額定水頭對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有一定好處。

5 結(jié)語

根據(jù)以上分析，考慮荒溝抽水蓄能電站水頭變幅較小，并結(jié)合黑龍江省電網(wǎng)及東北電網(wǎng)的特點(diǎn)，在保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能減少了電站容量受阻。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較確定荒溝抽水蓄能電站額定水頭為410.0 m。