低水頭可逆式抽水蓄能機(jī)組選型設(shè)計(jì)研究

摘要：為確定合適的機(jī)組型式、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，確保機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，針對(duì)湖北鐘祥抽水蓄能電站低水頭的特點(diǎn)，從國(guó)內(nèi)外工程案例、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行維護(hù)等方面進(jìn)行綜合分析，最終選用立軸、單級(jí)、單轉(zhuǎn)速混流可逆式水泵水輪機(jī)。通過(guò)對(duì)裝機(jī)臺(tái)數(shù)、額定水頭和額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比選，確定了機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)。研究成果可為同水頭段可逆式抽水蓄能機(jī)組選型設(shè)計(jì)以及同類(lèi)型中小型電站的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：低水頭； 選型分析； 混流可逆式水泵水輪機(jī)； 鐘祥抽水蓄能電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.007

文章編號(hào)：1006-0081（2024）12-0034-04

0 引 言

可逆式抽水蓄能機(jī)組是抽水蓄能電站的核心設(shè)備，其選型設(shè)計(jì)對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性有重要影響。目前，關(guān)于可逆式抽水蓄能機(jī)組選型設(shè)計(jì)的研究主要集中在水頭為200～700 m的中、高水頭段，針對(duì)200 m以下低水頭段的機(jī)組研究較少。

本文結(jié)合低水頭可逆式抽水蓄能電站特點(diǎn)，探討適合低水頭特點(diǎn)的機(jī)組類(lèi)型、結(jié)構(gòu)型式以及主要參數(shù)的選擇方法。通過(guò)對(duì)機(jī)組性能的深入分析和比較，為低水頭抽水蓄能電站的建設(shè)提供技術(shù)支持［1-3］。

1 工程概況

湖北鐘祥抽水蓄能電站位于湖北省鐘祥市冷水鎮(zhèn)孔艾村，地處湖北省西電東送電力走廊，具有建設(shè)抽水蓄能電站的良好地理?xiàng)l件。電站建成后向湖北

電網(wǎng)供電，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)，并促進(jìn)地區(qū)新能源開(kāi)發(fā)與消納。電站裝機(jī)容量200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h，擬220 kV接入麗山變電站。電站上、下水庫(kù)進(jìn)、出水口的水平距離約305 m，平均毛水頭差約106 m，距高比約2.9。電站的水位及動(dòng)能參數(shù)如表1所示。

2 機(jī)組型式選擇

抽水蓄能機(jī)組的型式應(yīng)根據(jù)電站水頭/揚(yáng)程、運(yùn)行特點(diǎn)及機(jī)組設(shè)計(jì)制造水平等各方面的因素，經(jīng)綜合比較后選定。根據(jù)目前的設(shè)計(jì)制造水平，電站工作水頭在50～800 m時(shí)，一般選擇單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)，其具有適用范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用［4］。

湖北鐘祥抽水蓄能電站水輪機(jī)工況水頭范圍89.50～118.80 m，水泵工況揚(yáng)程范圍94.90～120.30 m，最高抽水揚(yáng)程與最小發(fā)電水頭的比值為1.345。從水泵水輪機(jī)揚(yáng)程和水頭范圍而言，屬于單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)運(yùn)行的理想范圍，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外已建的同水頭段抽水蓄能電站工程實(shí)例與NB/T 10072-2018《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，該電站擬采用立軸、單級(jí)、單轉(zhuǎn)速混流式水泵水輪機(jī)［4］。

3 單機(jī)容量及裝機(jī)臺(tái)數(shù)選擇

基于電力系統(tǒng)需要、地形地質(zhì)條件、樞紐布置、機(jī)組設(shè)備運(yùn)行條件、水庫(kù)淹沒(méi)指標(biāo)、工程投資和經(jīng)濟(jì)、財(cái)務(wù)指標(biāo)等因素綜合考慮，確定該電站裝機(jī)容量為200 MW，連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)6 h。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外相近水頭段已經(jīng)投運(yùn)或者在建的抽水蓄能電站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外100 m左右水頭段抽水蓄能電站相對(duì)較少，且機(jī)組單機(jī)容量基本上在50～200 MW之間，其中，國(guó)內(nèi)與該工程水頭相近的抽水蓄能電站主要為吉林白山抽蓄電站（2×150 MW）、江蘇沙河抽蓄電站（2×50 MW）、潘家口抽水蓄能電站（3×90 MW）以及引漢濟(jì)渭三河口電站（2×12.5 MVA）［5-6］。

根據(jù)電站總裝機(jī)容量和水頭范圍，結(jié)合機(jī)組設(shè)計(jì)制造的可行性和運(yùn)行調(diào)度的靈活性，擬定2×100 MW（方案1）、3×66.7 MW（方案2）兩個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表2所示。兩個(gè)方案的技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較分析如下。

（1） 2臺(tái)機(jī)組方案和3臺(tái)機(jī)組方案水泵水輪機(jī)組制造難度與同水頭段已建電站水泵水輪機(jī)組制造難度相當(dāng)，設(shè)計(jì)、制造均不存在技術(shù)問(wèn)題。

（2） 裝機(jī)臺(tái)數(shù)越多，單機(jī)容量越小，電站調(diào)度運(yùn)行越靈活。因此，3臺(tái)機(jī)組方案較2臺(tái)機(jī)組方案運(yùn)行靈活性更高。

（3） 2臺(tái)機(jī)組方案較3臺(tái)機(jī)組方案主接線的接線方案簡(jiǎn)單，可靠性高。兩種裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案中其他電氣設(shè)備的選型配套均在現(xiàn)有工程范圍以?xún)?nèi)。

（4） 2臺(tái)機(jī)組方案大件運(yùn)輸尺寸及重量較3臺(tái)機(jī)組方案略有增加，根據(jù)現(xiàn)有資料，兩種方案大件運(yùn)輸均不存在制約因素。

（5） 單機(jī)容量越小，裝機(jī)臺(tái)數(shù)越多，總工期越長(zhǎng)。因此2臺(tái)機(jī)組方案總工期較短。

（6） 經(jīng)濟(jì)比較方面，3臺(tái)機(jī)組方案機(jī)電和金結(jié)工程量、土建工程量均高于2臺(tái)機(jī)組方案。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，湖北鐘祥抽水蓄能電站選定裝設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量100 MW的混流可逆式水泵水輪機(jī)組方案。

4 機(jī)組額定水頭的確定

水輪機(jī)工況額定水頭的選擇需考慮到電站的運(yùn)行方式、電網(wǎng)的調(diào)度要求、出力受阻、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、參數(shù)匹配，以及水頭變幅等問(wèn)題。湖北鐘祥抽水蓄能電站是日調(diào)節(jié)電站，主要任務(wù)是“削峰填谷”。一般而言，額定水頭選擇越高，水輪機(jī)工況的運(yùn)行范圍越接近最優(yōu)效率區(qū)，越有利于機(jī)組參數(shù)的優(yōu)化和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。但從電站運(yùn)行條件和在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷任務(wù)來(lái)看，水輪機(jī)在低于額定水頭的運(yùn)行區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)出力受阻。額定水頭越高，電站出力受阻時(shí)間和受阻容量增加，在一定程度上削弱電站在系統(tǒng)中承擔(dān)的調(diào)峰填谷能力，并對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生影響［7］。

湖北鐘祥抽水蓄能電站最大毛水頭118.80 m，最小水頭89.50 m，加權(quán)平均水頭100.55 m，算術(shù)平均水頭104.15 m。由于電站的水頭變幅Hpmax/Htmin較大（1.345），為了兼顧機(jī)組在高水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性，水泵水輪機(jī)的額定水頭應(yīng)高于平均水頭。綜上，初擬水泵水輪機(jī)額定水頭103.0，104.0，105.0 m三個(gè)方案進(jìn)行比選，結(jié)合機(jī)組參數(shù)、運(yùn)行穩(wěn)定性、水量平衡和動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表3所示。

（1） 從穩(wěn)定性對(duì)比分析來(lái)看，在電站正常運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，3個(gè)額定水頭方案水泵水輪機(jī)基本處于穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)，同時(shí)隨著額定水頭的提高，水泵水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性將向更優(yōu)的方向發(fā)展。

（2） 從水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)角度考慮，額定水頭比選方案需要考慮對(duì)電站運(yùn)行尤其是受阻情況的影響，其主要考察指標(biāo)之一即對(duì)電站消落深度系數(shù)K進(jìn)行分析，K=（Hr-Hmin）/（Hmax-Hmin）。國(guó)內(nèi)外已建蓄能電站K值大多在0.3～0.9之間，水頭變幅較大時(shí)取大值。該電站初擬的各額定水頭比選方案的K值分別為0.461，0.496，0.530，均處于已建電站的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，因此，各額定水頭方案水頭特征系數(shù)均較合適。

（3） 從電站發(fā)電運(yùn)行條件和在電力系統(tǒng)中承擔(dān)的調(diào)峰填谷任務(wù)來(lái)看，水輪機(jī)在額定水頭以下的低水頭區(qū)運(yùn)行，出力會(huì)出現(xiàn)受阻，額定水頭抬高，電站出力受阻時(shí)間和受阻容量增加。按承擔(dān)連續(xù)滿發(fā)運(yùn)行時(shí)間約3 h考慮，3個(gè)額定水頭方案在最高負(fù)荷運(yùn)行3 h時(shí)均不受阻；按承擔(dān)連續(xù)滿發(fā)運(yùn)行時(shí)間約5 h考慮，各方案電站受阻容量分別為12.38，14.52，16.78 MW。因此，在滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行條件下，額定水頭適當(dāng)?shù)鸵恍欣陔娋W(wǎng)靈活調(diào)度。

（4） 從水泵水輪機(jī)組的水力設(shè)計(jì)及運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，綜合國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)電站資料，Htmax/Hr不宜超過(guò)1.15［5］。擬定的3個(gè)額定水頭方案Htmax/Hr比值分別為1.151，1.14，1.13，由此可以看出，額定水頭103 m方案Htmax/Hr比值略微超過(guò)建議值；額定水頭104 m方案，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較好，且轉(zhuǎn)輪直徑較小，有利于節(jié)省工程投資。

（5） 從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，額定水頭105 m方案機(jī)組的可比投資最高，額定水頭103 m方案機(jī)組可比投資最低，但其差價(jià)與電站總投資和裝機(jī)規(guī)模相比，所占的比例很小。計(jì)入各方案電力電量的替代效益后，整個(gè)計(jì)算期以額定水頭104 m方案總費(fèi)用現(xiàn)值最小。因此，從經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果來(lái)看額定水頭104 m方案較為經(jīng)濟(jì)。

綜合考慮電力系統(tǒng)調(diào)峰需要、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性要求、總費(fèi)用現(xiàn)值及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等因素后，并考慮負(fù)荷特性等具有不確定性［8］，以及電站的運(yùn)行調(diào)度應(yīng)有一定裕度，電站選定額定水頭為104 m。

5 額定轉(zhuǎn)速選擇

根據(jù)擬定的水泵水輪機(jī)參數(shù)、單機(jī)容量以及發(fā)電機(jī)冷卻方式、對(duì)機(jī)組特性的影響等因素，綜合考慮擬定機(jī)組額定轉(zhuǎn)速［9］。擬定對(duì)187.5 r/min、200.0 r/min兩種轉(zhuǎn)速方案進(jìn)行方案比較，其主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表4所示。

（1） 考慮該電站水頭變幅較大，不宜采用較高參數(shù)水平方案。當(dāng)機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速選取為187.5 r/min，在整個(gè)運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，水輪機(jī)工況對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速、水泵工況最低揚(yáng)程對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)取值，與該電站水頭/揚(yáng)程接近的已投運(yùn)或在建的電站（如沙河、白山等）的參數(shù)水平接近。

（2） 從水泵水輪機(jī)空化特性來(lái)分析，隨著水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高，空化性能將下降。187.5，200 r/min兩種轉(zhuǎn)速方案的吸出高度分別為-20 m與-22 m。因此，如選擇額定轉(zhuǎn)速200 r/min方案，機(jī)組吸出高度需要加大，土建投資增加，電站投資較不經(jīng)濟(jì)。

（3） 從發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)分析，187.5 r/min與200r/min兩種轉(zhuǎn)速方案的發(fā)電電動(dòng)機(jī)綜合制造難度分別為3.12與3.33，每極容量分別為3.47 MVA與3.70 MVA。兩個(gè)方案發(fā)電電動(dòng)機(jī)綜合制造難度和每極容量差別較小，均在成熟工程案例統(tǒng)計(jì)范圍以?xún)?nèi)。

綜合考慮水泵水輪機(jī)參數(shù)與電站參數(shù)的優(yōu)化匹配，推薦本電站的額定轉(zhuǎn)速為187.5 r/min方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)低水頭抽水蓄能電站，需結(jié)合其獨(dú)特的水力特性和運(yùn)行需求，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)維護(hù)管理等多個(gè)維度進(jìn)行全面分析，通過(guò)綜合考量機(jī)組參數(shù)水平、加工制造能力、樞紐布置復(fù)雜度、工程投資成本以及后期運(yùn)維管理等因素，以確定機(jī)組型式、裝機(jī)臺(tái)數(shù)及轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，并進(jìn)一步分析確定機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，確保機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。本文所介紹的鐘祥抽水蓄能電站選型設(shè)計(jì)方法，為類(lèi)似電站的機(jī)組選型設(shè)計(jì)及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

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Study on selection design of low head reversible pumped storage unit

Abstract：

To ensure the long-term safety，stability，and efficiency of the unit，it is crucial to select an appropriate unit type，speed，and other characteristic parameters.Considering the low head characteristics of the Hubei Zhongxiang Pumped Storage Power Station，a comprehensive analysis was conducted，encompassing domestic and international project examples，technological feasibility，economic viability，operational stability，and maintenance requirements.Ultimately，the vertical shaft，single-stage，single-speed mixed-flow reversible pump turbine were chosen.By analyzing key parameters such as the number of installed units，rated water head，and rated speed，we had determined the critical specifications for the unit.The findings can serve as a reference for the selection and design of reversible pumped storage units within the same head range，as well as for ensuring the safe，stable，and efficient operation of similar small and medium-sized power stations.

Key words：

low water head； type selection analysis； mixed-flow reversible pump turbine； Zhongxiang Pumped Storage Power Station