抽水蓄能電站單機(jī)容量與機(jī)組轉(zhuǎn)速選擇

韓伶俐，王改會(huì)

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司，北京100120；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010)

為適應(yīng)風(fēng)力、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，以及電力系統(tǒng)峰谷差異，電網(wǎng)需要配套相應(yīng)的調(diào)節(jié)電源。抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電等聯(lián)合運(yùn)行效果最好。2022年，我國(guó)新核準(zhǔn)抽水蓄能電站48座，核準(zhǔn)總裝機(jī)規(guī)模6 889.6萬(wàn)kW[1]；截至2022年底，中國(guó)抽水蓄能電站已投產(chǎn)總裝機(jī)容量4 579萬(wàn)kW，已建、在建裝機(jī)規(guī)模1.6億kW，另有近2億kW的抽水蓄能電站正在開(kāi)展前期勘察設(shè)計(jì)工作。

要全面發(fā)揮抽水蓄能電站調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相等作用，抽水蓄能電站機(jī)組需長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組單機(jī)容量和額定轉(zhuǎn)速選擇是抽水蓄能電站前期設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，對(duì)其深入研究有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 蓄能機(jī)組發(fā)展概況

1.1 相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

日本葛野川(Kazunogawa)抽水蓄能電站裝設(shè)2臺(tái)定速機(jī)組和2臺(tái)變速機(jī)組，電站水泵水輪機(jī)使用水頭和最高揚(yáng)程在國(guó)外已投入運(yùn)行的單級(jí)混流式蓄能機(jī)組中為最高，其水輪機(jī)工況最大水頭728 m[2]、額定輸出功率412 MW，水泵工況最高揚(yáng)程782 m[3](變速工況)。日本神流川(Kannagawa)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的單機(jī)容量最大，在額定水頭653 m[4]時(shí)輸出功率為463 MW。2009年改造后的美國(guó)巴斯康蒂抽水蓄能電站水頭329.2 m，發(fā)電功率380 MW，最大水頭384 m[5]時(shí)出力為508 MW，機(jī)組轉(zhuǎn)速257 r/min，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑6.38 m。美國(guó)勒丁頓抽水蓄能電站水頭87～108 m，水輪機(jī)額定出力312 MW，最大出力343 MW，機(jī)組轉(zhuǎn)速112.5 r/min，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑8.23 m[6]，是目前世界上直徑最大的水泵水輪機(jī)。

國(guó)內(nèi)已建電站單機(jī)容量多數(shù)在300～400 MW。已建成的電站中，廣東陽(yáng)江抽水蓄能電站單機(jī)容量最大，達(dá)400 MW[7]。浙江長(zhǎng)龍山蓄能電站使用水頭最高，水輪機(jī)工況最大水頭750.73 m，水泵工況最高揚(yáng)程764.14 m，電站6臺(tái)機(jī)組中的4臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速為500 r/min，2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速為600 r/min。在建的浙江天臺(tái)蓄能電站的單機(jī)容量為425 MW、最大水頭761.5 m、最高揚(yáng)程777 m，水頭和單機(jī)容量均為國(guó)內(nèi)最大。

目前國(guó)內(nèi)外已建、在建抽水蓄能電站在單機(jī)容量、轉(zhuǎn)輪直徑或者參數(shù)水平等方面比較有特色的各水頭段部分電站主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外蓄能電站水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

1.2 比速系數(shù)

1.3 轉(zhuǎn)輪直徑

水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的高壓側(cè)直徑D1是水泵水輪機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的抽水蓄能電站中轉(zhuǎn)輪直徑最大的為白蓮河抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)5.26 m。前期設(shè)計(jì)中的緊水灘低水頭混合式抽水蓄能電站，其轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)到5.8 m。

2 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)選擇分析

與常規(guī)水輪機(jī)參數(shù)選擇一樣，水泵水輪機(jī)參數(shù)選擇關(guān)鍵在于如何根據(jù)抽水蓄能電站的實(shí)際運(yùn)行水頭和揚(yáng)程、單機(jī)容量等，使機(jī)組功率、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速、安裝高程等水泵水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到最佳配合。行業(yè)內(nèi)一般以水輪機(jī)額定水頭工況比轉(zhuǎn)速nst和水泵工況最低揚(yáng)程時(shí)的比轉(zhuǎn)速nq，來(lái)衡量水泵水輪機(jī)參數(shù)水平；也可使用比速系數(shù)K來(lái)衡量，此時(shí)能同時(shí)表征水頭和比轉(zhuǎn)速。本文選用水輪機(jī)額定水頭工況和水泵最低揚(yáng)程工況下比速系數(shù)評(píng)價(jià)蓄能機(jī)組參數(shù)。

2.1 比速系數(shù)

水泵水輪機(jī)水泵工況揚(yáng)程如要達(dá)到和水輪機(jī)工況同樣的水頭，水泵工況轉(zhuǎn)速應(yīng)比水輪機(jī)工況高約18%[8]。機(jī)組轉(zhuǎn)速選擇需綜合考慮水輪機(jī)工況和水泵工況運(yùn)行范圍。

通過(guò)導(dǎo)葉的合理調(diào)節(jié)，水輪機(jī)工況一般可以得到范圍較大的高效區(qū)和功率調(diào)節(jié)區(qū)，故通?？赡媸剿盟啓C(jī)的水力設(shè)計(jì)是以水泵工況設(shè)計(jì)、水輪機(jī)工況校核的方式進(jìn)行。由于水泵工況導(dǎo)葉調(diào)節(jié)對(duì)流量影響不明顯，定轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)水泵入力不可調(diào)，故其高效率范圍比較?。凰迷诖罅髁繀^(qū)(低揚(yáng)程)受空化特性限制，在小流量區(qū)(高揚(yáng)程)又需要留有一定的“駝峰”余量[11]。因此，水泵工況應(yīng)圍繞最優(yōu)效率附近運(yùn)行，其設(shè)計(jì)邊界在最高揚(yáng)程應(yīng)有一定的“駝峰”余量和較高的效率；在最低揚(yáng)程處以水泵最大入力為限，在滿足抽水量要求條件下，將空化控制在合理的范圍以內(nèi)。為首先滿足水泵工況的要求，水輪機(jī)工況的運(yùn)行范圍一般會(huì)偏離最優(yōu)運(yùn)行區(qū)且向高單位轉(zhuǎn)速方向偏，所以對(duì)定轉(zhuǎn)速的混流式水泵水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)工況的比速系數(shù)高于常規(guī)混流式水輪機(jī)。

對(duì)于水泵水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，比轉(zhuǎn)速過(guò)小，意味著轉(zhuǎn)輪流道相對(duì)加長(zhǎng)，寬度相對(duì)減小，流道內(nèi)摩擦阻力及轉(zhuǎn)輪外壁圓盤(pán)損失增加而使水力效率急劇下降，葉片流道的凈空太小也不利于加工制造。比轉(zhuǎn)速過(guò)大，可能會(huì)加劇水泵水輪機(jī)空蝕，且對(duì)于高水頭蓄能機(jī)組，大比轉(zhuǎn)速意味著高同步轉(zhuǎn)速，可能帶來(lái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造難度過(guò)大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇困難等。

根據(jù)目前的設(shè)計(jì)制造水平，水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速nq選在30～50范圍內(nèi)可以得到較高的水力效率；500 m級(jí)水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速nq一般在27左右，不宜低于25[8]，對(duì)于低揚(yáng)程水泵水輪機(jī)其水泵比轉(zhuǎn)速nq不宜超過(guò)82。水輪機(jī)工況比速系數(shù)一般不超2 500，最大不宜超2 650[12]；水泵工況比速系數(shù)一般不超3 700，最高不宜超4 000[13]。

2.2 轉(zhuǎn)輪直徑

水泵水輪機(jī)比速系數(shù)范圍確定后，機(jī)組轉(zhuǎn)速相應(yīng)選定，水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑根據(jù)最高揚(yáng)程及其“駝峰”余量計(jì)算確定。

轉(zhuǎn)輪直徑大小影響到加工焊接工藝及加工材料的選擇。當(dāng)直徑過(guò)大時(shí)，因?qū)ν饨煌ǖ纫蛩叵拗妻D(zhuǎn)輪不能整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑過(guò)小，則高水頭水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高壓邊的高度小，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空間狹小、焊接和加工困難，發(fā)生制造質(zhì)量或運(yùn)行缺陷需要修復(fù)時(shí)更是困難重重。

3 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

3.1 比速系數(shù)、轉(zhuǎn)輪直徑和單機(jī)容量

機(jī)組單機(jī)容量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑、吸出高度等參數(shù)的選擇直接影響整個(gè)廠區(qū)樞紐建筑物的布置。從技術(shù)角度考慮，目前的水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)手段、材料選擇和加工工藝可以大幅提高的地方不多。雖然提高轉(zhuǎn)速可以減小機(jī)組尺寸以及廠房尺寸、提升參數(shù)和工程經(jīng)濟(jì)性，但也可能導(dǎo)致吸出高度絕對(duì)值增大、空蝕現(xiàn)象加劇等。因此，水泵水輪機(jī)應(yīng)選擇合理的技術(shù)參數(shù)，不宜追求過(guò)高的比轉(zhuǎn)速，要把運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和良好的空化性能放在前面。對(duì)200 m以下或更低水頭、過(guò)機(jī)含沙量大的抽水蓄能電站，宜選用較低的比速系數(shù)。

在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位通常根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算出比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)，參照近期投運(yùn)的國(guó)內(nèi)外相近水頭段蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造水平，結(jié)合發(fā)電電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速及制造廠推薦的技術(shù)方案，綜合考慮機(jī)組效率和電站埋深，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定額定轉(zhuǎn)速。目前，對(duì)于大型水泵水輪機(jī)而言，額定轉(zhuǎn)速一般可選擇250、300、333.3、375、428.6、500 r/min等。

根據(jù)抽水蓄能電站發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合制造廠商技術(shù)方案建議、電站實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)值及國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，推薦不同水頭段定轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)比速系數(shù)、轉(zhuǎn)輪直徑、單機(jī)容量等主要參數(shù)限制值見(jiàn)表2。為方便查閱，本表中額定水頭200 m以上間隔50 m一檔，額定水頭200 m以下間隔40 m一檔。

表2 定轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)主要參數(shù)限制建議值

表2中額定水頭350 m、單機(jī)350 MW方案和額定水頭450 m、單機(jī)400 MW方案目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)制造業(yè)績(jī)。從表2可以看出，中間水頭段水輪機(jī)工況比速系數(shù)高，高水頭段和低水頭段水輪機(jī)工況比速系數(shù)低；水泵工況則是揚(yáng)程越高比速系數(shù)越高。這可以從比速系數(shù)公式看出來(lái)，水泵工況比速系數(shù)KP=nQ0.5，水輪機(jī)工況比速系數(shù)KT=nN0.5/H0.75=AnQ0.5/H0.25，其中A為一定值；高水頭時(shí)，KP變大，KT反而變小。低揚(yáng)程水泵水輪機(jī)水泵比轉(zhuǎn)速nq不宜超過(guò)82，其比速系數(shù)明顯下降。

3.2 單機(jī)容量、最小揚(yáng)程及額定轉(zhuǎn)速

根據(jù)表2推薦的定轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)比速系數(shù)限制值，針對(duì)常見(jiàn)的電站單機(jī)額定容量250、300、350、400、425 MW抽水蓄能機(jī)組，選擇不同額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行水泵水輪機(jī)最小揚(yáng)程的反算。根據(jù)反算結(jié)果，推薦常用的單機(jī)容量下不同的最小揚(yáng)程對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速見(jiàn)表3。

表3 不同單機(jī)容量及揚(yáng)程水泵水輪機(jī)對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速速查表

表2、3中數(shù)據(jù)為目前抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)水平的大體總結(jié)，在此范圍內(nèi)水泵水輪機(jī)水力研發(fā)易于滿足預(yù)期的效率、空化和壓力脈動(dòng)等性能指標(biāo)要求。表3中單機(jī)容量為300 MW、最小揚(yáng)程為200～240 m時(shí)，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為272.7 r/min較合適，但發(fā)電電動(dòng)機(jī)支路數(shù)及槽電流不好選擇，故推薦機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為250 r/min。

3.3 超常規(guī)水泵水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇

為了提高工程的經(jīng)濟(jì)性，部分蓄能電站機(jī)組轉(zhuǎn)速選擇可能偏高，對(duì)于此類突破現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的工程需要進(jìn)行深入的研究。從國(guó)內(nèi)某已建成投運(yùn)的抽水蓄能機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，機(jī)組運(yùn)行不久，轉(zhuǎn)輪低壓邊發(fā)生較為明顯的空蝕現(xiàn)象。還有幾個(gè)蓄能電站在下水庫(kù)低水位時(shí)不能抽水運(yùn)行，水泵水輪機(jī)的運(yùn)行揚(yáng)程特性未達(dá)到預(yù)期。因此，當(dāng)所選比速系數(shù)超過(guò)水頭和容量相當(dāng)、并已成功投運(yùn)的水泵水輪機(jī)的比速系數(shù)較多時(shí)，應(yīng)進(jìn)行充分研究。

當(dāng)單機(jī)容量、轉(zhuǎn)輪直徑、比速系數(shù)取值超過(guò)表2限制值時(shí)，宜在取得制造廠商水力設(shè)計(jì)分析研究成果基礎(chǔ)上，分析機(jī)組設(shè)計(jì)制造可行性、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)的合理性、電站水能參數(shù)選擇和樞紐工程為機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性采取的主要措施，以及降低機(jī)組性能指標(biāo)長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電站經(jīng)濟(jì)性的影響等。

目前，抽水蓄能電站前期機(jī)組選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，還有幾點(diǎn)應(yīng)引起重視：

(1)高水頭段某些單機(jī)容量存在同步轉(zhuǎn)速匹配比轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，單機(jī)容量350 MW、750 m水頭段的機(jī)組轉(zhuǎn)速選500 r/min時(shí)水泵水輪機(jī)參數(shù)明顯較低，選600 r/min時(shí)則偏高。

(2)配合風(fēng)電和光伏運(yùn)行的蓄能電站單機(jī)容量的選擇需考慮機(jī)組的啟停對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響，單機(jī)容量不宜過(guò)大。

(3)高海拔地區(qū)電站單機(jī)容量的選擇還需考慮發(fā)電電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)的修正。

(4)對(duì)于中低水頭過(guò)機(jī)泥沙含量較大的電站，宜選用低一檔的轉(zhuǎn)速。

(5)對(duì)于裝機(jī)容量較大的抽水蓄能電站，為了發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)較優(yōu)，宜根據(jù)水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，論證選擇合適的單機(jī)容量和機(jī)組轉(zhuǎn)速。

(6)對(duì)于具有兩個(gè)轉(zhuǎn)速可供選擇的水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，宜細(xì)致研究水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配。

(7)過(guò)分追求高比轉(zhuǎn)速可能使水泵水輪機(jī)空蝕加劇，水泵工況下轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間的壓力脈動(dòng)相對(duì)值和水輪機(jī)工況尾水管壓力脈動(dòng)相對(duì)值可能上升，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(8)機(jī)組埋深太大，導(dǎo)致上下游壓力更大，不利于設(shè)置自流排水洞，且在機(jī)組調(diào)相和水泵工況啟動(dòng)壓氣時(shí)需要更高的壓縮空氣壓力，此時(shí)應(yīng)選擇空轉(zhuǎn)軸入力和壓縮空氣流失量較少的尾水管，避免機(jī)組調(diào)相壓氣和水泵工況啟動(dòng)壓氣時(shí)空轉(zhuǎn)力矩、壓縮空氣流失量增加[14]。

(9)機(jī)組比速系數(shù)高或揚(yáng)程變幅較大時(shí)，其吸出高度絕對(duì)值宜相應(yīng)加大[15]，同時(shí)機(jī)組安裝高程的選擇還應(yīng)滿足電站水力過(guò)渡過(guò)程尾水管進(jìn)口真空度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)研究了如何更加方便的確定不同水頭、不同單機(jī)容量機(jī)組轉(zhuǎn)速。希望通過(guò)本文能使抽水蓄能電站設(shè)計(jì)人員在前期設(shè)計(jì)階段減少因不同設(shè)計(jì)理念造成的工作反復(fù)，提高抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的工作效率和成果質(zhì)量。