張河灣電站水輪機額定水頭和吸出高度的選擇與分析

馬保東，劉更海，黃國平

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣電站水輪機額定水頭和吸出高度的選擇與分析

馬保東，劉更海，黃國平

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

在張河灣抽水蓄能電站上、下水庫特征值不變的情況下，機組的額定水頭選擇305 m或300 m，從蓄能機組的穩(wěn)定性、效率和泥沙磨損方面進行分析，運用國外穩(wěn)定運行經驗曲線進行論證，推薦了張河灣電站機組的額定水頭；用各廠家推薦的統(tǒng)計公式計算本電站的吸出高度，并與國外廠商提供的詢價資料進行比較，確定其范圍；用水泵汽蝕比轉速經驗公式，對張河灣吸出高度分別取-46 m、-48 m和-50 m進行計算，最后推薦電站的吸出高度值。對國內外中、高水頭的抽水蓄能電站對國外穩(wěn)定運行經驗曲線和水泵汽蝕比轉速經驗公式進行了驗證，證實了其可行性。

抽水蓄能；額定水頭；吸出高度；選擇

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)張河灣村附近，距石家莊市（負荷中心）僅53 km（直線距離）。電站裝機容量為1 000 WM，即4臺250 WM的單級混流可逆式水泵水輪機組。建成投產后，電站將以兩條500 kV線路接入冀南電網，承擔電網的調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等任務，起到十分重要的作用。

隨著抽水蓄能技術的發(fā)展，國內外的蓄能機組都在向高水頭、大容量發(fā)展，這樣不但可以提高機組綜合效率，而且可以提高電站的總體效益，但機組運行的穩(wěn)定性和水力機械的汽蝕磨損將成為一個限制因素。抽水蓄能電站機組額定水頭和吸出高度的合理選擇，對電站的安全、穩(wěn)定、高效運行具有重要意義。

張河灣項目用于比較的額定水頭為300 m和305 m，從規(guī)劃角度主要是機組的受阻出力、日滿發(fā)出力保證率等方面考慮，額定水頭取300 m較為有利。但由于近年來我國新投入運行的一些大型抽水蓄能機組在運行穩(wěn)定性方面不同程度地出現(xiàn)了問題，影響了蓄能電站的綜合效益；另外，抽水蓄能電站的水頭變幅較大，而且本電站的過機泥沙含量也很高，降低額定水頭對機組今后的運行穩(wěn)定性和水力機械的汽蝕磨損可能產生不利影響，所以從機組本身的技術性能考慮，額定水頭取305m較為有利。因此，機組額定水頭和吸出高度的選擇要從整體綜合考慮。

2 額定水頭的選擇

設計水頭即額定水頭，是指水輪機發(fā)出額定出力的最低水頭，是水輪機的一個重要參數(shù)。對于抽水蓄能電站，額定水頭的選擇，對機組的穩(wěn)定運行將有一定的影響。由于機組是可逆運行，如要使機組能高效地穩(wěn)定運行，需結合最大/小水頭（或揚程）與流量的匹配、水頭變幅范圍、泥沙磨損等綜合考慮。

2.1 穩(wěn)定性分析

（1）兩種不同的額定水頭方案的水泵水輪機參數(shù)表見下頁表1，從中可以看出，兩種不同額定水頭下所對應的水輪機流量是不同的。

（2）目前國內外分析抽水蓄能機組穩(wěn)定性的方法，一般采用日本東芝公司提供的穩(wěn)定運行經驗曲線判斷，該曲線反映出水泵水輪機的揚程（水頭）與流量匹配的綜合特性。

東芝穩(wěn)定運行經驗曲線參數(shù)見表2，東芝穩(wěn)定運行經驗曲線見圖1。

表1 兩種不同額定水頭方案水泵水輪機參數(shù)表

表2 水泵水輪機穩(wěn)定運行經驗曲線參數(shù)（東芝）

表2中，QT（d）——水輪機額定水頭下的流量，m3/s

QP（max）——水泵的最大流量，m3/s

HP（max）——水泵的最大揚程，m

HT（min）——水輪機的最小水頭，m

圖1 水泵水輪機穩(wěn)定運行經驗曲線圖（東芝）

為了驗證該曲線的可行性，東芝公司對國內外31座抽水蓄能電站的混流可逆式水泵水輪機參數(shù)進行了統(tǒng)計，并計算出 QT（d）/QP（max）、HP（max）/HT（min）值，有90%的機組都適合該穩(wěn)定曲線，即在穩(wěn)定運行區(qū)域內，證明該穩(wěn)定區(qū)域曲線圖是可行的。

（3）張河灣機組在穩(wěn)定運行曲線圖的位置

對于張河灣機組，當額定水頭取305 m時，

HP（max）/HT（min）=354/284.7=1.24

QT（d）/QP（max）=95.12/84.29=1.13

當額定水頭取300 m時，

HP（max）/HT（min）=354/284.1=1.25

QT（d）/QP（max）=96.97/84.29=1.15

從圖1中可以看出，張河灣機組的額定水頭在305m時，已處于穩(wěn)定運行區(qū)域的邊界，如改為300m，則將處于穩(wěn)定區(qū)外，這將影響機組的穩(wěn)定運行。

2.2 效率分析

水泵水輪機的單位轉速和單位流量公式，可采用水輪機的單位轉速和單位流量公式，即：

n1，=nD1/H1/2

Q1，=Q/D12H1/2

張河灣機組：n=333.3 r/min

D1=4.8 m（按國外廠家推薦值）

得出：當H=300 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3001/2=92.4 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=96.97/4.82×3001/2=0.24 m3/s

當H=305 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3051/2=91.6 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=95.12/4.82×3051/2=0.236 m3/s

因現(xiàn)在還沒有水泵水輪機運轉特性曲線，參考水科院《水泵-水輪機（200米以上水頭段）轉輪及其流道的設計開發(fā)》中的水泵水輪機綜合特性曲線，可以看出，水泵水輪機的額定水頭由305 m變?yōu)?00 m，水輪機的效率將下降0.3%～0.5%左右。

2.3 水頭變幅

為了說明張河灣電站水頭變幅的水平，統(tǒng)計了國內大型抽水蓄能電站的水頭范圍及相應的水頭變幅值，見表3。

表3 國內大型抽水蓄能電站的水頭范圍及相應的水頭變幅

從表3可以看出，張河灣電站水頭變幅為55 m，水頭變幅與最大水頭的比值達15.9%，是國內幾個電站中最高的，因此水泵水輪機的制造難度要增大，同時也增大了機組運行穩(wěn)定性的難度。

2.4 泥沙磨損的影響

張河灣水庫處在多泥沙河流上，多年來水平均含沙量為11.1 kg/m3，泥沙模型試驗結果表明：一般過機含沙量變化范圍為0～2.8 kg/m3，過機含沙量最大值為4.4 kg/m3。

國內外試驗和實踐均表明，水力機械通流部件的泥沙磨損率與其水流相對流速的3次方成正比。根據(jù)上海?？乒镜挠嬎?，水力機械過流表面水流的相對速度在額定水頭300m時比額定水頭為305m時要大5.0%～7.4%，在相同的水道系統(tǒng)中，會導致水輪機過流部件（如轉輪、導葉、頂蓋等）的泥沙磨損增大，泥沙磨損與汽蝕損傷互相影響，這將加大機組安全穩(wěn)定運行的不利因素。

3 吸出高度的選擇

吸出高度的選擇對水泵水輪機的空蝕特性有至關重要的影響，從而影響機組的效率，特別是對各部位的壓力脈動。對于水頭/揚程變幅較大和過機泥沙含量較大的大型抽水蓄能電站，選擇合適的吸出高度對機組的運行穩(wěn)定性和機組效率都至關重要，因此，應在充分分析研究的基礎上盡可能留有裕量。

3.1 確定吸出高度范圍

眾所周知，在同等條件下，水泵工況比水輪機工況更容易發(fā)生汽蝕，圖2示出了水泵水輪機汽蝕系數(shù)與流量的關系。

圖2 水泵水輪機汽蝕系數(shù)與流量的關系

從圖2看出，水泵工況汽蝕系數(shù)比水輪機工況大得多，即水泵工況比水輪機工況容易出現(xiàn)汽蝕，水泵工況的淹沒深度要比水輪機大，因此水泵水輪機的安裝高程是由水泵工況的汽蝕特性來決定的。

水泵的吸出高度Hs=HaHrσpHp

式中Ha——大氣壓力，為10 m高水柱

Hr——該處水的汽化壓力，為/900（為最低尾水位464 m）

σp——水泵汽蝕系數(shù)

Hp——水泵工況揚程，m

根據(jù)Hs計算公式，參考各廠家為本電站提供的統(tǒng)計公式所得Hs值，見表4（水泵比轉速按42（m·m3/s）計算）。

從表4可以看出，Hs值在-42.31～-56.91 m之間。

從國外廠商給張河灣的初步詢價資料中看出，張河灣電站的吸出高度范圍為：-40～-68 m

根據(jù)吸出高度的計算和國外廠商的詢價資料，可以得出：張河灣電站的吸出高度取值范圍為：-40～-68 m。

3.2 對吸出高度合理性的判斷方法

為了防止機組的汽蝕，增加機組的運行穩(wěn)定性，取在上述范圍內的吸出高度分別為-46、-48、-50 m進行論證。目前國內外判斷機組吸出高度合理性，一般采用水泵汽蝕比轉速的方法，即

水泵汽蝕比轉速nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

ns在800以內，則為安全區(qū)，如超過800，則機組運行在汽蝕較嚴重區(qū)或不穩(wěn)定區(qū)。

對于水泵汽蝕比轉速的判斷方法，統(tǒng)計了國內外31個中、高水頭電站進行了驗證，結果表明，約80%電站的水泵汽蝕比轉速在800以內，符合該公式，因此認為，此判斷方法是可行的。

3.3 張河灣不同吸出高度的水泵汽蝕比轉速

nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

式中n=333.3 r/min Q=84.29 m3/s

當Hs=-46 m，得nSP=831

當Hs=-48 m，得nSP=809

當Hs=-50 m，得nSP=789

從計算結果可以看出，當Hs取-48 m或-50 m，在安全區(qū)內或接近安全區(qū)；當Hs取-46 m，則較遠離安全穩(wěn)定區(qū)。

但是在實際選擇電站的吸出高度時，還要考慮電站的地質因素和電站的總體布置的要求，即在有

表4 各廠家統(tǒng)計公式應用于本電站計算所得Hs值

關限制因素允許的前提下，機組的吸出高度應選最接近穩(wěn)定區(qū)的值。最終選擇的吸出高度值應在進行綜合的技術經濟比較后確定。

4 額定水頭和吸出高度的建議值

水泵水輪機的技術參數(shù)選擇是以水泵工況的運行要求為主兼顧水輪機工況的運行要求為原則的，水輪的額定水頭除直接關系到機組尺寸外，還將主要影響到機組在運行水頭/揚程范圍內的效率和二種工況的流量匹配，特別是在本電站的水頭/揚程變幅較大的情況下，流量匹配的合理程度將對機組的運行穩(wěn)定性產生很大影響。因此，在現(xiàn)有設計的條件下，考慮到機組安全、穩(wěn)定運行的必要性，根據(jù)以上分析，建議機組的額定水頭取305 m，吸出高度取-48 m（如吸出高度取-50 m，考慮地質因素，交通洞的坡度將超出規(guī)定值）。這將在有利于機組的安全穩(wěn)定運行的同時，又不會因增加過多的廠房開挖量而增加太多的投資。

5 結語

近幾年來，特別是國內幾座大型抽水蓄能電站機組運行以來，我們對抽水蓄能機組有了較深刻的認識，在機組的招標中，不宜過分追求機組的高效率和能量特性，而把機組的穩(wěn)定性放到了首位。

冀南電力系統(tǒng)基本是純火電電力系統(tǒng)，缺少快速高效的調峰手段。張河灣抽水蓄能電站裝機容量大，投入運行后在冀南電網中具有無可替代的重要作用，機組穩(wěn)定性將成為評價機組性能的重要指標。只有機組的穩(wěn)定運行，才能更好地發(fā)揮抽水蓄能電站的作用，體現(xiàn)出在電網中的價值。國內抽水蓄能機組已充分證明了這一點。

額定水頭和吸出高度這兩個參數(shù)，直接影響著機組的安全穩(wěn)定運行，選擇合理的參數(shù)將使機組遠離不穩(wěn)定區(qū)，減緩汽蝕磨損的破壞，對抽水蓄能電站甚至冀南電網的安全穩(wěn)定運行將具有重要意義。本文中所采用的穩(wěn)定運行經驗曲線和水泵汽蝕比轉速經驗公式有待在實踐中進一步驗證。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]梅祖彥.抽水蓄能技術[M].北京：清華大學出版社，1988.

[3]水科院水力機電研究所.水泵—水輪機（200米以上水頭段）轉輪及其流道的設計開發(fā)[Z].

[4]北京勘測設計研究院.張河灣抽水蓄能電站可行性研究報告[Z].

TK734

A

1672-5387（2016）12-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.001

2016-08-29

馬保東（1986-），男，工程師，從事蓄能電站水工管理工作。