寧波梅山港抽水蓄能電站機(jī)組選型分析

摘要：寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭高、裝機(jī)容量較小，機(jī)組參數(shù)的選擇直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電站的經(jīng)濟(jì)性。為了確定該電站機(jī)組的主要性能參數(shù)，在電站裝機(jī)臺數(shù)和單機(jī)容量比選的基礎(chǔ)上，開展了抽蓄機(jī)組選型分析研究。通過對額定水頭、比轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速、吸出高度等機(jī)組參數(shù)進(jìn)行比選論證，最終推薦電站裝設(shè)2臺單機(jī)容量80 MW水泵水輪機(jī)組、額定水頭為321.0 m、額定轉(zhuǎn)速為600 r/min、吸出高度為-65 m。研究成果可為中高水頭、中小容量抽蓄機(jī)組選型設(shè)計(jì)以及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：抽蓄機(jī)組； 機(jī)組選型； 參數(shù)選擇； 梅山港抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV734.1""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.008

文章編號：1006-0081（2024）08-0052-07

抽水蓄能機(jī)組額定水頭、額定轉(zhuǎn)速、吸出高度等主要性能參數(shù)的合理選擇會直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行與電站的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)的中高水頭、中小容量的抽水蓄能電站工程案例較少，可供借鑒的中小抽蓄機(jī)組選型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限。根據(jù)電站運(yùn)行特點(diǎn)及國內(nèi)外抽蓄機(jī)組的選型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［1-3］，針對寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭較高、裝機(jī)容量較小的特點(diǎn)，本文開展該電站機(jī)組選型分析研究，通過對裝機(jī)臺數(shù)、額定水頭、比轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速、吸出高度等的比選論證，確定了機(jī)組各項(xiàng)主要性能參數(shù)，研究成果可為中高水頭、中小容量抽蓄機(jī)組選型以及機(jī)組安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

寧波北侖梅山港抽水蓄能電站位于浙江省寧波市北侖區(qū)福泉山，距寧波市中心約69 km。電站裝機(jī)容量為160 MW，電站裝機(jī)連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)為 5 h。電站建成后，主要承擔(dān)寧波市電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。

2 電站基本參數(shù)

2.1 上下游水位

電站上下游水位相關(guān)參數(shù)如下（P為洪水頻率）。

上水庫校核洪水位（P=0.33%）" 375.21 m

上水庫設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）375.03 m

上水庫正常蓄水位374.6 m

上水庫死水位350.0 m

下水庫校核洪水位（P=0.5%）46.18 m

下水庫設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）45.93 m

下水庫正常蓄水位44.70 m

下水庫抽蓄最低運(yùn)行水位25.50 m

下水庫死水位6.50 m

2.2 水頭（揚(yáng)程）

電站上下游水頭（揚(yáng)程）相關(guān)參數(shù)如下。

最大水頭（單臺機(jī)組空載）348.97 m

最大水頭（單臺機(jī)組滿發(fā)）346.02 m

最小水頭298.44 m

算術(shù)平均水頭322.23 m

最大揚(yáng)程352.68 m

最小揚(yáng)程307.98 m

最大揚(yáng)程/最小水頭1.182

3 機(jī)組型式選擇

寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭為300～400 m，電站水頭變幅處于規(guī)范要求范圍之內(nèi)，推薦水泵水輪機(jī)采用單級立軸單轉(zhuǎn)速混流可逆式水泵水輪機(jī)。

4 單機(jī)容量及裝機(jī)臺數(shù)選擇

在考慮機(jī)組設(shè)計(jì)、制造難度和水平的基礎(chǔ)上，盡可能選擇單機(jī)容量大、臺數(shù)少的方案，有利于降低電站工程投資，同時(shí)還要兼顧考慮電力系統(tǒng)的技術(shù)要求、電站建設(shè)條件、電站運(yùn)行方式、樞紐布置、大件運(yùn)輸條件、電氣設(shè)備選擇、運(yùn)行調(diào)度靈活性、施工工期等因素［4-6］。

根據(jù)電力電量平衡計(jì)算、動能經(jīng)濟(jì)分析和綜合比較結(jié)果，擬定該電站裝機(jī)容量為160 MW。遵循NB/T 10878-2021《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》中“在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相當(dāng)?shù)那闆r下，宜采用較大容量的機(jī)組，機(jī)組臺數(shù)一般不少于兩臺”的設(shè)計(jì)要求，考慮該電站的實(shí)際特點(diǎn)和將來在系統(tǒng)中的作用，基于經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、運(yùn)行靈活、安全穩(wěn)定的原則，擬定2×80 MW、3×53.3 MW、4×40 MW這3個(gè)單機(jī)容量與機(jī)組臺數(shù)比選方案。4×40 MW方案單機(jī)容量很小，機(jī)組臺數(shù)較多，明顯不經(jīng)濟(jì)，所以不選用此

方案。再對擬定裝機(jī)2×80 MW方案（方案1）、3×53.3 MW方案（方案2）進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，不同單機(jī)容量及裝機(jī)臺數(shù)的機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)以及機(jī)組造價(jià)、土建投資對比如表1所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1） 參數(shù)水平。寧波北侖梅山港抽水蓄能電站不同裝機(jī)臺數(shù)方案水輪機(jī)工況額定水頭對應(yīng)比速系數(shù)Kt均為2 300左右，水泵工況最小揚(yáng)程對應(yīng)比速系數(shù)Kp均為3 000。兩方案參數(shù)水平（比速系數(shù)）相當(dāng)，水輪機(jī)工況和水泵工況參數(shù)均在同水頭段類似電站的統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)，與同水頭段部分已投運(yùn)、在建的電站參數(shù)水平相當(dāng)。

（2） 制造難度及可行性分析。國內(nèi)部分抽水蓄能電站機(jī)組制造難度系數(shù)如表2所示。

從機(jī)組制造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，國內(nèi)300～400 m水頭段抽蓄機(jī)組單機(jī)容量多為200～300 MW，本電站2個(gè)裝機(jī)臺數(shù)方案的水泵水輪機(jī)制造難度系數(shù)（Hpmax×D21/1 000）分別為2.57，1.71，發(fā)電電動機(jī)綜合制造難度系數(shù)（Sn×nr/10 000）分別為5.33，444，均處于該水頭段已建電站水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動機(jī)制造難度系數(shù)統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。為此，機(jī)組設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制作均不存在制約性因素，但是方案2轉(zhuǎn)速高達(dá)750 r/min，機(jī)組容量小，發(fā)電電動機(jī)尺寸小，發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)設(shè)計(jì)存在一定難度。

（3） 輸水系統(tǒng)布置分析。方案1輸水系統(tǒng)采用“一洞兩機(jī)”布置型式，輸水系統(tǒng)可采用國內(nèi)典型的抽水蓄能電站布置型式，有利于簡化施工方案和縮短工期。方案2輸水系統(tǒng)采用“一洞三機(jī)”的布置型式，較方案1而言，調(diào)節(jié)保證計(jì)算工況相對復(fù)雜。

（4） 大件運(yùn)輸。經(jīng)咨詢設(shè)備廠家，方案1和方案2主要機(jī)電設(shè)備尺寸、重量均較小，市內(nèi)及場內(nèi)交通均滿足要求，大件運(yùn)輸均不存在制約性因素。

（5） 工期分析。方案1與方案2相比，首臺機(jī)發(fā)電工期基本相同，方案2由于裝機(jī)臺數(shù)多，總工期比方案1長3個(gè)月。

（6） 工程投資。經(jīng)過計(jì)算分析，方案2主要機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的投資比方案1要多約1 378萬元，方案2建筑工程投資比方案1要多約5 431萬元，方案2靜態(tài)總投資比方案1要多約8 986萬元。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案1、方案2技術(shù)上均可行，方案1經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)，為此推薦寧波北侖梅山港抽水蓄能電站采用裝設(shè)2臺單機(jī)容量80 MW水泵水輪機(jī)組方案。

5 額定水頭選擇

額定水頭的選擇，需考慮到電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式和系統(tǒng)需求的實(shí)際情況，充分發(fā)揮抽水蓄能電站的容量效益。同時(shí)，要考慮水泵水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行特性，保證水泵水輪機(jī)在全部運(yùn)行范圍內(nèi)能穩(wěn)定運(yùn)行，并獲得較高的加權(quán)平均效率［7-8］。

根據(jù)國內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從水力機(jī)械專業(yè)角度考慮，對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)工程實(shí)例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，額定水頭選用的合理性可用消落深度系數(shù)K來判斷：

K=Htr-HtminHtmax-Htmin

式中：Htr為額定水頭，Htmax為最大水頭，Htmin為最小水頭。

根據(jù)工程實(shí)例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出國內(nèi)已建和在建的300～400 m水頭段部分抽水蓄能電站水頭參數(shù)，如表3所示?？梢钥闯?，國內(nèi)已建和在建的300～400 m水頭段抽水蓄能電站機(jī)組消落深度系數(shù)K值在033～0.55之間，機(jī)組最大水頭與額定水頭的比值Htmax/Htr在1.07～1.12之間。

抽水蓄能電站在系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用任務(wù)，系統(tǒng)對抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性要求也越來越高，額定水頭的適當(dāng)提高可使機(jī)組運(yùn)行范圍更加靠近高效率區(qū)，有利于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和平均效率的提高。若水輪機(jī)工況額定水頭選得偏低，高水頭部分負(fù)荷小開度時(shí)，進(jìn)口沖角較大，易產(chǎn)生葉道渦，不利于水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定［9-10］。經(jīng)咨詢國內(nèi)外相關(guān)機(jī)組廠家，廠家建議該水頭段機(jī)組最大水頭與額定水頭的比值不宜高于110，寧波北侖梅山港抽水蓄能電站最大水頭為34897 m，為此額定水頭不宜低于318.0 m，滿足要求。

隨著國內(nèi)電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，光伏、風(fēng)電等新能源在電網(wǎng)中的占比不斷上升，電網(wǎng)系統(tǒng)對抽水蓄能電站的依賴性越來越強(qiáng)，在選擇電站額定水頭時(shí)通常需注重容量效益，盡可能降低額定水頭來減少出力受阻，為此額定水頭值不宜選取過高。同時(shí)，該電站算術(shù)平均水頭為322.23 m，而水頭變幅最大揚(yáng)程/最小水頭（Hpmax/Htmin）=1.182相對較小，因此，額定水頭的選取略低于算數(shù)平均水頭。

通過以上因素綜合考慮，本文選取了318.0（方案1），321.0 m（方案2）和324.0 m（方案3）共3個(gè)額定水頭方案進(jìn)行比較分析，各方案水泵水輪機(jī)主要參數(shù)如表4所示。

參照類似電站水泵水輪機(jī)全特性曲線，繪制各額定水頭方案在全特性曲線所處的位置，如圖1所示。由圖1可知，額定水頭越高，在水泵水輪機(jī)全特性曲線上表現(xiàn)為其額定點(diǎn)離“S”區(qū)越遠(yuǎn)，不易進(jìn)入反水泵區(qū)，穩(wěn)定性會更好。因此，選取較高的額定水頭有利于提高水泵水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

此外，對寧波北侖梅山港抽水蓄能電站各額定水頭方案進(jìn)行分層計(jì)算，得到各額定水頭方案容量受阻情況如表5所示。

由表5可見，Htr=318.0 m、321.0 m、324.0 m這3個(gè)額定水頭比選方案可分別保證電站日調(diào)節(jié)連續(xù)運(yùn)行2.1 h、1.5 h和0.9 h左右出力不受阻。綜合考慮電站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、效率和電站容量效益等因素，本文推薦方案2，水輪機(jī)工況額定水頭為321.0 m。

6 額定轉(zhuǎn)速選擇

機(jī)組額定轉(zhuǎn)速主要根據(jù)擬定的水泵水輪機(jī)參數(shù)、單機(jī)容量以及對機(jī)組特性的影響等來綜合考慮選定，水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速的高低將直接影響到機(jī)組尺寸、重量、效率、空化及運(yùn)行穩(wěn)定性［11-12］。

參照統(tǒng)計(jì)的最近已投入電站的參數(shù)水平，適合該電站的機(jī)組轉(zhuǎn)速有600 r/min、750 r/min兩種方案，主要技術(shù)參數(shù)對比如表6所示。

國內(nèi)外已建和在建的300～400 m水頭段部分抽蓄機(jī)組水輪機(jī)工況、水泵工況比轉(zhuǎn)速與水頭關(guān)系曲線如圖2，3所示。

由表6以及圖2、圖3可見，不同額定轉(zhuǎn)速方案，水輪機(jī)參數(shù)水平不同，其中，750 r/min轉(zhuǎn)速方案比速系數(shù)水平要高出600 r/min轉(zhuǎn)速方案約25%。600 r/min轉(zhuǎn)速方案，水泵水輪機(jī)參數(shù)在該水頭段統(tǒng)計(jì)的電站水泵水輪機(jī)參數(shù)水平范圍之內(nèi)。750 r/min 轉(zhuǎn)速方案，水輪機(jī)工況額定水頭對應(yīng)比速系數(shù)Kt高達(dá)2 829，水泵工況最低揚(yáng)程對應(yīng)比速系數(shù)Kp高達(dá)3 737，水泵水輪機(jī)參數(shù)處于該水頭段統(tǒng)計(jì)的電站水泵水輪機(jī)參數(shù)的中等偏上水平。

隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速提高，機(jī)組尺寸及重量減小，但機(jī)組所需淹沒深度加大，機(jī)組空化性能變差，半地下廠房土建開挖深度加深，橋機(jī)起吊高度和難度增加，發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)等設(shè)計(jì)難度增加。與此同時(shí)，國內(nèi)只有回龍抽水蓄能電站的機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到750 r/min，其他所有抽水蓄能電站機(jī)組轉(zhuǎn)速均低于750 r/min，可供借鑒的高轉(zhuǎn)速抽蓄機(jī)組的工程案例少。

因此，從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)省土建工程量、參數(shù)優(yōu)化匹配等角度綜合考慮，并咨詢各機(jī)組制造廠家，推薦寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為600 r/min。

7 吸出高度及安裝高程

水泵水輪機(jī)水泵工況時(shí)進(jìn)口撞擊和低壓區(qū)都發(fā)生在葉片進(jìn)口處，因之動壓降較大，空化性能較差；而水輪機(jī)工況水流撞擊多發(fā)生在葉片進(jìn)口邊，葉片低壓區(qū)在出口附近，因之動壓降較小，空化性能較好。因此，水泵水輪機(jī)主要以水泵工況的空化特性作為限制條件。根據(jù)國內(nèi)外不同的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算出該電站的吸出高度范圍為-31～-51 m。同時(shí)，考慮到本電站上、下游均不設(shè)置調(diào)壓室，調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，尾水管進(jìn)口最小壓力等指標(biāo)需滿足規(guī)范要求，各機(jī)組制造廠家推薦的該電站吸出高度范圍為-55～-70 m。結(jié)合調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，本文選取最大揚(yáng)程下機(jī)組的吸出高度Hs=-65 m，對應(yīng)機(jī)組安裝高程為-39.50 m。

8 機(jī)組推薦參數(shù)

結(jié)合上述裝機(jī)臺數(shù)、額定水頭、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)比選，并經(jīng)咨詢有關(guān)機(jī)組制造廠家，寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)詳見表7。

9 結(jié) 語

在抽水蓄能電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合電站特有的水力特性和運(yùn)行要求等具體特點(diǎn)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行維護(hù)管理等各方面進(jìn)行分析，并進(jìn)一步通過機(jī)組參數(shù)水平、加工制造能力、樞紐布置、工程投資、綜合效益等各方面進(jìn)行綜合比選，以確定機(jī)組裝機(jī)臺數(shù)、額定水頭、轉(zhuǎn)速、吸出高度機(jī)組各項(xiàng)特征參數(shù)，確保機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文所闡述的寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機(jī)組相關(guān)的選型設(shè)計(jì)方法，可以為類似水頭較高、容量較小的抽水蓄能電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 胡建根，蔡錦華，王以軍.沙河抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)參數(shù)研究［J］.水力發(fā)電，2004，30（5）：49-51.

［2］ 李志武.溪口抽水蓄能電站及其技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.中國農(nóng)村水電及電氣化，2005（12）：51-54.

［3］ 宮讓勤，高欣.回龍抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2011（6）：43-46.

［4］ 劉德民，段昌德，趙永智，等.抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組選型思考［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2019，42（7）：13-17.

［5］ 周躍武.抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)吸出高度選擇［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2006，29（4）：12-15.

［6］ 陳銳，田婭娟，王鑫，等.超寬水頭變幅水泵水輪機(jī)參數(shù)選擇及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.水利水電技術(shù)，2016，47（1）：85-89.

［7］ 曾威，楊建東，劉艷娜.水泵水輪機(jī)特征參數(shù)的非線性統(tǒng)計(jì)分析［J］.大電機(jī)技術(shù)，2014（2）：44-48，52.

［8］ 孔凡瑞，張樹邦，王威.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)下的混流式水泵水輪機(jī)主要參數(shù)計(jì)算方法［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2016，39（4）：1-5.

［9］ 蘇艷意.某抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選擇［J］.水電與新能源，2020，34（4）：10-12，19.

［10］ 劉林元.呼和浩特抽水蓄能電站機(jī)組主要動能參數(shù)比選［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（2）：8-10.

［11］ 方杰，曾春建，方曉紅，等.白鶴灘水電站水輪機(jī)主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇研究［J］.人民長江，2022，53（1）：137-141.

曾艷梅，向明，鄭建興.黑麋峰抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)參數(shù)選擇及評價(jià)分析［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2016，39（增2）：1-4，22.

［12］ 黃剛，章勛，桂紹波，等.金沙水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（7）：72-77.

編輯：李 慧

Lectotype analysis of pumped-storage unit for Ningbo Meishan Port Pumped Storage Power Station

ZHANG Xun1，MOU Biao2，SHI Xiaoxiao1，MAO Xinying1，WANG Fen1，LI Yingzhou1

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China；

2.Xinjiang Fukang Pumped Storage Co.，Ltd.，F(xiàn)ukang 831500，China）

Abstract：

The characteristics of Ningbo Beilun Meishan Port Pumped Storage Power Station has the characteristics of high water head and small installed capacity. Therefore，the selection of unit parameters directly affects the safety and stability of the unit and the economy of the power station. To determine the main performance parameters of the pumped-storage unit of Ningbo Beilun Meishan Port Pumped Storage Power Station，a research on the lectotype analysis of the pumped-storage unit for the power station was conducted based on the comparison and selection of different unit capacity and installed number of the power station. The main performance parameters of the pumped-storage unit，including the unit capacity of 80 MW，the installed number of two，the rated head of 321.0 m，the rated speed of 600 r/min，and the suction height of -65 m ，etc.，were determined through the comparison and demonstration of the rated head，specific speed，rated speed，suction height，etc. The research results can provide a reference for the selection and design of medium to high head，small and medium-sized capacity pumped-storage units，as well as safe and stable operation.

Key words：

pumped-storage unit；unit lectotype selection；parameters selection； Meishan Port Pumped Storage Power Station

作者簡介：章 勛，男，工程師，主要從事水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。E-mail：hhuzhangxun@163.com

引用格式：章勛，牟飆，師小小，等.寧波梅山港抽水蓄能電站機(jī)組選型分析［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（8）：52-58.