抽水蓄能變速機組抽水和發(fā)電工況運行范圍簡析

喻 冉，楊武星，孫文東，張清華，劉 蕊，張超群

（1．河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿族自治縣 068350；2．國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100761；3．中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能機組啟停迅速、運行靈活、工作可靠，其良好的調(diào)節(jié)性能為電力系統(tǒng)提供了堅強的保障。

抽水蓄能定速機組抽水和發(fā)電兩種工況的最高效率區(qū)不重合，通常按照抽水工況為基礎(chǔ)進行水力設(shè)計，以發(fā)電工況進行校核，因此，水輪機的運行范圍會偏離最優(yōu)工況區(qū)域。定速機組抽水工況以單一額定轉(zhuǎn)速運行，無法進行入力調(diào)節(jié)。[1-4]由于抽水蓄能定速機組水力開發(fā)時的種種限制，并且轉(zhuǎn)速無法改變，決定了定速機組的調(diào)節(jié)性能有限。

抽水蓄能變速機組在發(fā)電工況下可通過降低轉(zhuǎn)速向更優(yōu)工況運行，在運行效率、壓力脈動以及空化性能方面更具優(yōu)越性。變速機組在抽水工況下可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)入力和流量，保持最高效率，具有較好的調(diào)節(jié)性能。[5-7]

隨著變速機組的引進，抽水蓄能機組在發(fā)電工況運行時可通過降低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)向效率更高、壓力脈動更小、空化性能更優(yōu)的工況運行；在水泵工況運行時，通過改變轉(zhuǎn)速發(fā)揮更好的調(diào)節(jié)作用。[8-9]

1 發(fā)電工況運行范圍分析

根據(jù)水輪機的相似規(guī)律，可得水輪機的單位轉(zhuǎn)速：

式中：n11——單位轉(zhuǎn)速；

n——轉(zhuǎn)速；

D1——轉(zhuǎn)輪直徑；

H——水頭。

根據(jù)水輪機相似理論，同系列水輪機在相似工況下其單位轉(zhuǎn)速n11及單位流量Q11分別相等，同一組n11和Q11決定了一個相似工況。

因此，以n11、Q11為變量可表示出同系列水輪機在不同工況下效率η、空化系數(shù)σ及壓力脈動等的變化規(guī)律。在以n11為縱坐標、Q11為橫坐標的坐標系中，可描繪出等效率線、等空化系數(shù)線及等壓力脈動線等，稱為綜合特性曲線。

通過轉(zhuǎn)輪模型的綜合特性曲線可相似地表示出真機運行的規(guī)律，從而指導真機運行。

圖1為某定速抽水蓄能機組的綜合特性曲線示意圖，灰色山形曲線為其等效率曲線，紫色斜線為無葉區(qū)+X方向等壓力脈動曲線，紅色線條是其等臨界空化系數(shù)曲線，藍色框是其運行區(qū)域。從圖中可知，當100%出力時，右下角A點為最高效率點，效率約為91.6%；A點無葉區(qū)+X方向壓力脈動最小，約為0.8%；A點臨界空化系數(shù)最小，約為0.05，此點位于最高水頭處。A點為100%出力時效率最高、無葉區(qū)壓力脈動最小、空化性能最優(yōu)的運行工況。

圖1 某抽水蓄能定速機組綜合特性曲線示意圖Figure 1 Schematic diagram of comprehensive characteristic curve of a pumped storage constant speed unit

2 發(fā)電工況轉(zhuǎn)速與運行范圍的關(guān)系

由式（1）可知，單位轉(zhuǎn)速n11與轉(zhuǎn)速n成正比，即n越小，則n11越小。若降低轉(zhuǎn)速，單位轉(zhuǎn)速n11變小，圖1中運行區(qū)域整體向下，則意味著運行區(qū)域整體向低單位轉(zhuǎn)速區(qū)域移動。

機組轉(zhuǎn)速降低后，運行范圍將向低單位轉(zhuǎn)速區(qū)域移動，黑色框為變速機組運行范圍。從圖2可知，100%出力時，最優(yōu)工況由A點向B點移動，B點效率更高、無葉區(qū)壓力脈動更小、空化性能更佳。

圖2 變速機組運行范圍示意圖Figure 2 Schematic diagram of operating range of variable speed unit

在同樣出力情況下，降速運行后效率、壓力脈動、空化性能均有較大改善，機組的發(fā)電能力得以顯著提升。

水輪機工況常采用低轉(zhuǎn)速運行，這樣可使得水輪機在整個運行范圍內(nèi)循優(yōu)運行，水輪機運行在高效區(qū)，受空化性能和最優(yōu)運行范圍限制水輪機在一定范圍內(nèi)變速運行。[10]

水輪機的變速范圍在水泵變速范圍內(nèi)，河北豐寧抽水蓄能電站作為國內(nèi)第一個引用大型變速機組的項目，其水輪機工況的轉(zhuǎn)速變化范圍為-7%～-0.8%。

3 抽水工況運行分析

抽水蓄能機組抽水工況下，機組的入力是指轉(zhuǎn)輪軸端輸入的功率，用符號P表示，常用單位為kW。

根據(jù)水泵相似定律，幾何相似、運動相似、動力相似的兩臺水泵，符合以下關(guān)系：

式中：n1、n2——水泵1、水泵2的轉(zhuǎn)速；

Q1、Q2——水泵1、水泵2的流量；

D1、D2——水泵1、水泵2的葉片外徑；

H1、H2——水泵1、水泵2的揚程；

P1、P2——水泵1、水泵2的入力；

ρ1、ρ2——水的密度。

由式（2）～式（4）得，水泵抽水時，流量與轉(zhuǎn)速近似成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方近似成正比，入力與轉(zhuǎn)速的三次方近似成正比。

抽水蓄能機組水泵工況，通過轉(zhuǎn)速較小的改變就會帶來入力的較大改變。同時，轉(zhuǎn)速的改變會引起流量和揚程的變化，意味著機組泵水能力的變化。

如圖3所示，抽水蓄能定速機組水泵工況只能以額定轉(zhuǎn)速nr運行，其運行范圍在圖3紅色曲線所示的包絡(luò)線上，起止于最大和最小揚程；變速機組通過改變轉(zhuǎn)速實現(xiàn)水泵工況運行范圍的擴大，其運行范圍在圖3中灰色陰影區(qū)域。通過對比，可知變速機組水泵工況運行范圍得到較大拓展。

圖3 定速、變速機組水泵特性曲線對比示意圖Figure 3 Comparison diagram of water pump characteristic curves of constant speed and variable speed units

從圖4可知，抽水蓄能定速機組水泵工況以額定轉(zhuǎn)速nr運行，隨著水位的變化，揚程隨之變大，流量變小，機組入力隨之被動變小。通過變轉(zhuǎn)速，抽水蓄能機組水泵入力范圍、揚程范圍和流量范圍均得以拓寬。

圖4 定速、變速機組水泵入力與流量關(guān)系曲線對比示意圖Figure 4 Comparison diagram of pump inlet force and flow relationship curve of constant speed and variable speed units

變速機組則具備其獨有的入力和流量調(diào)節(jié)方式，在某一揚程下，通過改變轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)入力變化，機組的入力調(diào)節(jié)能力大大加強。同時，可通過降低轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量加大，機組的泵水能力加強，變速機組比定速機組具有更高的經(jīng)濟性能。[11]

抽水蓄能變速機組通過改變轉(zhuǎn)速，其揚程適應(yīng)范圍比定速機組更大，變速機組可適應(yīng)更大的揚程和流量變幅，運行范圍變大。變速機組通過改變轉(zhuǎn)速，其入力和流量調(diào)節(jié)能力較定速機組更加靈活，變速機組的調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟性能有力提升。[12]

由于在水泵工況，流量、揚程和入力分別與轉(zhuǎn)速的冪次方近似成正比，而流量、揚程和入力分別有各自的范圍，所以水泵轉(zhuǎn)速只能在一定范圍內(nèi)變化。受制于發(fā)電機容量，水泵水輪機入力不能無限制提高，水泵最大升速有一定限制。同時，由于水泵最小流量時，最小入力不能無限降低，水泵最大降速也有一定限制。

考慮到整個項目成本優(yōu)化，豐寧項目轉(zhuǎn)速變化范圍采用對稱設(shè)計，水泵工況轉(zhuǎn)速變化范圍為-7%～+7%。

4 結(jié)束語

通過對定速機組和變速機組綜合特性曲線分析，可知變速機組發(fā)電工況可通過降低轉(zhuǎn)速，使機組向更優(yōu)工況運行，提高機組綜合發(fā)電能力。變速機組抽水工況可通過改變轉(zhuǎn)速，使機組運行范圍顯著擴大，并使機組調(diào)節(jié)性能得到有力提升。

抽水蓄能變速機組是應(yīng)對電網(wǎng)中可再生能源間歇性問題的有效方案之一，隨著變速機組的引進，建議相關(guān)項目單位盡早開展運行方式研究，在最佳工況運行，發(fā)揮出最高經(jīng)濟性能。