洛寧抽水蓄能電站額定水頭比選研究

宋 敏，劉 霞

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南省長沙市 410014）

0 引言

抽水蓄能電站額定水頭的確定直接關(guān)系到電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，而它的選擇與常規(guī)電站水輪機(jī)額定水頭的確定既有相似之處、又有不同之處[1-3]。因此，充分考慮各方面的制約因素，正確擬定比選方案，全方位進(jìn)行比選對(duì)于額定水頭的選擇至關(guān)重要[4，5]。

洛寧抽水蓄能電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1400MW，電站具有日調(diào)節(jié)性能，水庫按連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6h設(shè)計(jì)，上水庫正常蓄水位1230.00m、死水位1204.00m，調(diào)節(jié)庫容634萬m3；下水庫正常蓄水位620.00m、死水位588.00m，調(diào)節(jié)庫容639萬m3。水頭運(yùn)行范圍為570.00~641.90m，算數(shù)平均水頭為605.95m。本文分析了該電站額定水頭方案擬定的制約因素，擬定了5種額定水頭方案，從多方面對(duì)方案進(jìn)行了比選，比選結(jié)果為其他類似抽水蓄能電站額定水頭的選擇提供了一定的參考。

1 額定水頭方案擬定

1.1 電力系統(tǒng)需求

河南電網(wǎng)裝機(jī)容量控制月份為7月份，調(diào)峰問題最為突出，從2025年河南電力系統(tǒng)模擬運(yùn)行的情況來看，7月份洛寧抽水蓄能電站在早晚兩個(gè)高峰時(shí)段均要進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行，日連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)約為4h。從滿足洛寧抽水蓄能電站在系統(tǒng)尖峰時(shí)段容量效益充分發(fā)揮的角度考慮，額定水頭選取在裝機(jī)滿發(fā)4h左右對(duì)應(yīng)的水頭附近較為合適（約593m）。因此，本階段額定水頭比選以592m為額定水頭下限方案。

1.2 機(jī)組穩(wěn)定性及運(yùn)行效率要求

從水力機(jī)械專業(yè)角度考慮，對(duì)于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術(shù)平均水頭；對(duì)于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權(quán)平均水頭和算術(shù)平均水頭。根據(jù)國內(nèi)外工程實(shí)例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出了機(jī)組額定水頭Htr與消落深度系數(shù)K之間的關(guān)系見式（1）：

式中K——消落深度系數(shù)；

Htr——額定水頭；

Htmax、Htmin——發(fā)電工況最大、最小水頭。

當(dāng)K＞0.5時(shí)，表示額定水頭高于電站算術(shù)平均水頭；當(dāng)K＜0.5時(shí)，表示額定水頭低于電站算術(shù)平均水頭。600m水頭段類似電站水頭參數(shù)及K值的統(tǒng)計(jì)值見表1。

從表1可以看出，國外抽水蓄能電站額定水頭選取普遍較高，600m水頭段K值為0.55~0.78，在滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的條件下，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行因素考慮更多些。國內(nèi)抽水蓄能電站的建設(shè)由于起步較晚，電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力較大，系統(tǒng)調(diào)度對(duì)抽水蓄能電站的依賴性強(qiáng)，電站在選擇額定水頭時(shí)通常更注重其容量效益，盡可能減少出力受阻，因此其額定水頭的選擇與國外電站相比通常偏低。但通過對(duì)國內(nèi)近期在建和擬建600m水頭段抽水蓄能K值統(tǒng)計(jì)，已呈現(xiàn)出逐步提高的趨勢，如績溪、陽江和平江抽水蓄能電站，K值均在0.5左右選取。

從機(jī)組運(yùn)行方面考慮，根據(jù)日本制造廠介紹的經(jīng)驗(yàn)，盡可能使Htr/Htmax值在0.9以上為宜，由于本電站的水頭變幅范圍較大（Htmax/Htmin=1.14），在國內(nèi)外所有已建及在建600m水頭段抽水蓄能電站中屬較高的，因此額定水頭不宜取得太低。從此角度，本階段額定水頭比選時(shí)以608m方案為額定水頭上限方案。

表1 600m水頭段類似電站水頭參數(shù)及K值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Parameters and K value statistics for similar power station with water head at around 600m

1.3 額定水頭方案擬定

本階段結(jié)合本電站日運(yùn)行特性，兼顧水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，擬定了592m、596m、600m、604m、608m共5個(gè)額定水頭方案進(jìn)行比較，各額定水頭方案機(jī)組參數(shù)見表2。

表2 各額定水頭方案機(jī)組參數(shù)表Table 2 Unit Parameters for each water head scheme

續(xù)表

2 方案比選分析

2.1 容量受阻計(jì)算分析

對(duì)洛寧抽水蓄能電站各額定水頭方案進(jìn)行連續(xù)滿發(fā)6h分層計(jì)算，以分析不同額定水頭方案的容量受阻差別。

根據(jù)河南電網(wǎng)典型日負(fù)荷特性，日內(nèi)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間一般在3~6h。因此，以滿發(fā)第3~6h的時(shí)段末受阻容量來分析各額定水頭方案的容量效益差別。各額定水頭方案容量受阻情況見表3。

由表3可見，額定水頭592m方案、596m方案、600m方案、604m方案和608m方案可分別保證電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行4h、3.6h、3.2h、2.8h和2.4h不受阻。方案1~方案5連續(xù)滿發(fā)第3h末受阻容量分別為0MW、0MW、0MW、6.6MW、20.6MW，第4h末受阻容量分別為0MW、10.8MW、24.9MW、39.2MW、52.3MW，第5h末受阻容量分別為30.6MW、44MW、57.3MW、71.4MW、83.7MW，第6h末受阻容量分別為64.9MW、77.1MW、89.7MW、103.5MW、115MW。

表3 各額定水頭方案受阻容量表（單位：MW）Table 3 Capacity obstruction for each water head scheme

2.2 系統(tǒng)裝機(jī)控制月份高峰負(fù)荷時(shí)段末發(fā)電水頭分析

河南電網(wǎng)裝機(jī)容量控制月份為7月份，根據(jù)河南電網(wǎng)設(shè)計(jì)水平年2025年洛寧抽水蓄能電站7月典型日模擬運(yùn)行發(fā)電出力過程，求得7月份高峰負(fù)荷時(shí)段末洛寧抽水蓄能電站的發(fā)電水頭，計(jì)算成果見表4。

可見，7月份最末高峰負(fù)荷出現(xiàn)在20：00點(diǎn)，對(duì)應(yīng)出力為1105.3MW，時(shí)段末水頭為603.73m，因此，為了保證控制月份7月份最高負(fù)荷時(shí)段容量效益能充分發(fā)揮，額定水頭不宜高于603.73m。

2.3 額定水頭對(duì)水泵水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響

常規(guī)電站定義的額定水頭，是水輪機(jī)發(fā)滿額定出力的最小水頭，額定水頭一旦確定，轉(zhuǎn)輪直徑也就基本確定。抽水蓄能電站額定水頭關(guān)系到水輪機(jī)和水泵兩種工況的運(yùn)行特性。常規(guī)水輪機(jī)額定水頭一般在平均水頭以下選擇，而抽水蓄能電站的額定水頭希望對(duì)應(yīng)到水泵工況偏向小流量方向（即高水頭區(qū)），以獲得較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。從水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性方面來看，以選取較高的額定水頭有利。

2.4 額定水頭對(duì)水泵水輪機(jī)加權(quán)平均效率的影響

基于水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)原理，水輪機(jī)效率在靠近高水頭范圍效率變化一般比較平緩，額定水頭的提高，其運(yùn)行區(qū)域也相應(yīng)向最優(yōu)效率區(qū)靠近，可以獲得較高的加權(quán)平均效率。

表4 7月份典型日洛寧抽水蓄能電站水頭過程表Table 4 Typical heading process of the Luoning pumped storage power station in July

參照績溪抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，根據(jù)不同的額定水頭方案繪制水輪機(jī)工況運(yùn)行范圍（見圖1）。

根據(jù)圖1，初步估算各額定水頭方案加權(quán)平均效率，592m、596m、600m、604m及608m方案水泵水輪機(jī)初估加權(quán)平均效率分別為89.9%、90.03%、90.1%、90.2%及90.3%?？梢婎~定水頭提高時(shí)，水泵水輪機(jī)的加權(quán)平均效率亦有所提高。

圖1 各額定水頭方案水輪機(jī)工況運(yùn)行范圍Figure 1 Turbine operating range of each rated head scheme

2.5 方案經(jīng)濟(jì)比較

各方案在同等滿足系統(tǒng)電力需求的前提下，按年費(fèi)用法進(jìn)行比較。

各方案費(fèi)用包括設(shè)計(jì)電站、補(bǔ)充電站的投資和運(yùn)行費(fèi)用。各方案容量效益差由燃煤火電替代補(bǔ)充，火電投資取為4100元/kW，設(shè)計(jì)抽水蓄能電站、補(bǔ)充火電（不含燃料費(fèi)）年經(jīng)營成本分別按其固定資產(chǎn)投資的2.5%、4.5%計(jì)；計(jì)算期取37年，其中建設(shè)期7年，正常運(yùn)行期30年，社會(huì)折現(xiàn)率為8%。

各額定水頭方案經(jīng)濟(jì)比較成果見表5。

額定水頭越高，年費(fèi)用越高，經(jīng)濟(jì)性越差。方案5相較于方案1，年費(fèi)用增加了1521萬元，方案4增加了1132萬元，方案3增加732萬元，方案2增加了322萬元。

3 額定水頭選擇

從電站運(yùn)行效益來看，抽水蓄能電站以提供調(diào)峰容量效益為主。因此，額定水頭的選擇應(yīng)在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，盡可能減少電站的受阻容量。根據(jù)各額定水頭方案滿裝機(jī)連續(xù)發(fā)電模擬計(jì)算成果，額定水頭592m、596m、600m、604m、608m方案可分別保證電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行4h、3.6h、3.2h、2.8h和2.4h不受阻，額定水頭越低，電站容量效益越大。608m水頭方案僅能滿足滿裝機(jī)發(fā)電2.4h，容量效益較差。另外，從電網(wǎng)裝機(jī)容量控制月份高峰負(fù)荷時(shí)段末發(fā)電水頭分析，為了保證控制月份7月份最高負(fù)荷時(shí)段容量效益能充分發(fā)揮，額定水頭不宜高于603.73m。因此，608m方案相較于其他方案明顯較差。

從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，對(duì)于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術(shù)平均水頭；對(duì)于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權(quán)平均水頭和算術(shù)平均水頭。洛寧抽水蓄能電站的算術(shù)平均水頭為605.95m，從水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性方面來看，本電站額定水頭宜在算術(shù)平均水頭605.95m附近選取。592m方案和596m方案額定水頭相較于算數(shù)平均水頭偏小較多，對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性不利。另外，從機(jī)組運(yùn)行效率角度考慮，額定水頭越高，加權(quán)平均效率越高。因此，從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行效率角度考慮，592m和596m方案相對(duì)較差。

從經(jīng)濟(jì)性分析，隨著額定水頭的抬高，主要水機(jī)設(shè)備投資減少，額定水頭600m方案和604m方案相比，后者投資減少638萬元；但隨著額定水頭的抬高，年費(fèi)用呈遞增趨勢，額定水頭604m方案年費(fèi)用比600m方案增加400萬元。

4 結(jié)束語

綜上所述，從電站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、容量效益、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析，額定水頭在600~604m之間較為合適，從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定角度考慮，本階段推薦高方案，即額定水頭604m方案，相應(yīng)發(fā)電工況時(shí)水輪機(jī)工作水頭范圍為570.93~641.89m，水泵工況抽水揚(yáng)程范圍587.95~649.38m。

表5 各額定水頭方案經(jīng)濟(jì)比較成果表Table 5 Economic comparison of rated head scheme