張河灣抽水蓄能電站額定水頭的討論

谷振富，尤莉莎，吳 妍，宋旭翔，王立然

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)附近，距石家莊市（負(fù)荷中心）直線距離53 km，公路里程77 km，距井陘縣城45 km。有4臺(tái)250 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，是1座裝機(jī)容量為1 000 MW的日調(diào)節(jié)的抽水蓄能電站。電站以1條500 kV線路接入冀南電網(wǎng)，承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)。

張河灣電站設(shè)計(jì)之初，水泵水輪機(jī)的額定水頭定為Hr=305 m。1995年，應(yīng)水利水電規(guī)劃總院要求，進(jìn)一步分析論證水泵水輪機(jī)的額定水頭，將額定水頭降至Hr=300 m。

由于近幾年，國內(nèi)大型機(jī)組在穩(wěn)定性方面相繼出現(xiàn)了一些問題，考慮到張河灣電站作為抽水蓄能電站，水頭變幅比較大，尤其是當(dāng)電站水頭與揚(yáng)程比變幅大的情況，流量是否匹配，匹配到何種程度，都將影響機(jī)組的穩(wěn)定性。下面，我們就針對(duì)張河灣電站的具體情況，對(duì)電站額定水頭的確定展開分析。

2 分析認(rèn)證

2.1 Hpmax/Htmin比值

受水泵工況限制，單轉(zhuǎn)速混流式水泵水輪機(jī)的水頭和揚(yáng)程變幅不宜大。在水輪機(jī)工況運(yùn)行時(shí)單轉(zhuǎn)速機(jī)組的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)性能好，水頭變幅對(duì)其影響不大，但在水泵工況時(shí)，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的作用非常小，高效率區(qū)狹窄，揚(yáng)程變幅過大將導(dǎo)致機(jī)組抽水效率急劇降低，振動(dòng)強(qiáng)烈[1]。

混流式水泵水輪機(jī)的泵工況最大水頭和水輪機(jī)工況最小水頭比值Hpmax/Htmin以不超過1.2為宜，最多不能超過1.4。張河灣電站的Hpmax/Htmin比值約1.23。出于對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的擔(dān)心，提出該電站Hpmax/Htmin比值較大的問題。

美國墾務(wù)局曾建議單轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)最大與最小揚(yáng)程[2]比如表1。

表1 美國墾務(wù)局建議單轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)最大與最小揚(yáng)程比

隨著水力機(jī)械制造業(yè)尤其是數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，水泵水輪機(jī)的制造水平不斷升高，作為重要參數(shù)的水泵比轉(zhuǎn)速也在穩(wěn)步提升，一些抽水蓄能機(jī)組中有不少超過了表中的變幅。

2.2 額定水頭與機(jī)組穩(wěn)定性的關(guān)系

影響水泵水輪機(jī)穩(wěn)定性的因素相對(duì)復(fù)雜。作為典型水力機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)的重要原因之一，機(jī)組過流部件水壓脈動(dòng)也是機(jī)組穩(wěn)定性最主要的影響因素，所以轉(zhuǎn)輪的性能就至關(guān)重要。這里就必須要提到機(jī)組比轉(zhuǎn)速的選擇，它與機(jī)組的安全性、可靠性、穩(wěn)定性密不可分，是表征機(jī)組技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能的綜合指標(biāo)，它對(duì)機(jī)組的效率、淹沒深度、轉(zhuǎn)輪尺寸與重量等均有影響。當(dāng)比轉(zhuǎn)速提高時(shí)，機(jī)組的kp值增大，加大了水泵水輪機(jī)的制造難度，同時(shí)轉(zhuǎn)輪發(fā)生空蝕的風(fēng)險(xiǎn)加大，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。在張河灣電站建設(shè)前期，已經(jīng)確定了機(jī)組同步轉(zhuǎn)速333.3 r/min、比速系數(shù)（kp）約3 000，這就相當(dāng)于確定了機(jī)組比轉(zhuǎn)速。

由于水泵水輪機(jī)分為水輪機(jī)和水泵2種工況，其功能特殊，所以壓力脈動(dòng)在2種工況均有發(fā)生。水泵工況運(yùn)行時(shí)，如機(jī)組額定水頭不同，但水頭變幅一定，此時(shí)機(jī)組穩(wěn)定性是相同的。下面只要著重分析水輪機(jī)工況下機(jī)組的穩(wěn)定性即可。

借鑒同為抽水蓄能電站的其他電站模型試驗(yàn)結(jié)果及電站相關(guān)性試驗(yàn)，分析在水頭變幅一定的情況下，額定水頭發(fā)生變化，機(jī)組穩(wěn)定性的變化情況[3]，下面就以十三陵電站為例：

（1）導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間壓力脈動(dòng)與尾水管中相比明顯較大。

（2）十三陵電廠430 m與440 m相比，80%Nr、60%Nr和50%Nr時(shí)，ΔH/H增大約0.8%～1.05%，100%Nr時(shí)ΔH/H最大，增大約1.5%?？梢娝^越低，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間壓力脈動(dòng)越有增大趨勢(shì)。

（3）十三陵電站機(jī)組水頭變幅為47.6 m（最小水頭427.2 m、最大水頭474.8 m），假設(shè)將額定水頭增大10 m（由430 m提至440 m），是其水頭變幅的21%。同理，張河灣電站現(xiàn)將額定水頭增大5 m，由300 m提至305 m，而其水頭變幅約為59 m，也就是額定水頭提升了其水頭變幅的8.5%。按比例分析，機(jī)組導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間壓力脈動(dòng)可減至小于8‰。

2.3 額定水頭不同對(duì)機(jī)組其他方面的影響

通過多方位試驗(yàn)及向國際制造廠商咨詢，額定水頭不同時(shí)，對(duì)機(jī)組主要參數(shù)分析結(jié)果如下：

（1）當(dāng)水頭變幅不變時(shí)，水泵工況效率、水泵最大出力等各參數(shù)均不發(fā)生變化；

（2）水輪機(jī)額定工況點(diǎn)效率差值在0至0.89%；

（3）機(jī)組吸出高度值未發(fā)生變化；

（4）穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組主要過流部件的壓力脈動(dòng)與振動(dòng)值基本不變。

3 結(jié)論

通過上述的詳細(xì)分析，當(dāng)張河灣電站額定水頭由Hr=300 m提升至Hr=305 m時(shí)，得出如下結(jié)論：

（1）水泵水輪機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)的效率相差很?。?/p>

（2）壓力脈動(dòng)雙振幅值ΔH/H最大只有約8‰的變幅；

（3）機(jī)組吸出高度值完全相同；

（4）當(dāng)機(jī)組額定水頭Hr=300 m時(shí)，在額定工況運(yùn)行時(shí)，流量相對(duì)增加，所以泥沙磨損稍微加大；

（5）機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速和額定水頭甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速上升略有增大，但壓力上升與機(jī)組軸向水推力均不會(huì)有任何影響。

綜合以上分析得出結(jié)論：張河灣電站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性不會(huì)受到額定水頭從設(shè)計(jì)的Hr=305 m降至Hr=300 m的影響。