荒沟抽水蓄能电站机组额定水头的选择

2011-05-31王云宽张亚迅

东北水利水电 2011年11期

王云宽，张亚迅，于洋

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；2.南水北调中线干线工程建设管理局河北直管建管部，河北石家庄050035)

1 概况

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内。电站距牡丹江市130 km，距莲花坝址43 km。电站由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站及副厂房系统组成。电站总装机容量为1 200 MW，年发电1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承担黑龙江省及东北电网的调峰、填谷、调频和事故备用任务。

1）水轮机工况净水头：最大水头为445.6 m；额定水头为410.0 m；最小水头为405.3 m。

2）水泵工况动扬程。最大扬程为454.7 m；最优效率点扬程为428.0 m；最小扬程为418.6 m。

2 确定水轮机工况额定水头的因素

抽水蓄能电站的水泵水轮机既要作水轮机运行、又要作水泵运行，由于水道系统和机组本身流道引起一定的水头损失，使得水泵工况下水泵扬程必然大于上下库的静水位差，而发电时水轮机发电水头小于静水位差，这样，单转速水泵水轮机不可能同时满足两种工况的最优转速条件。由于水泵工况无法通过控制导水叶开度来调节流量和输入功率，水泵的高效区较窄，所以总是先以水泵工况为主进行水泵水轮机的水力设计，再用水轮机工况校核。由于水泵水轮机特性和引水系统水力损失的原因，造成水轮机工况总是偏离最优效率区运行，即处于最优效率区以下的运行水头范围。一般来说，水泵水轮机的额定水头选得越高，水轮机工况的高出力运行范围就越靠近最优效率区，也就越有利于机组参数的优化和稳定性的提高。

根据对国外102座抽水蓄能电站的统计，有66座抽水蓄能电站的额定水头高于算数平均水头，17座抽水蓄能电站额定水头与算数平均水头相同，19座抽水蓄能电站额定水头低于算数平均水头。而低于算数平均水头的抽水蓄能电站都是水头变幅较小的。按照水利水电动能设计规范，一般情况下，抽水蓄能机组的发电水头可按满发额定容量时最小的上、下水库水位差减去相应的水头损失确定。

合理地选择水泵水轮机水轮机工况额定水头，应根据电站的水头特性，以加权平均水头为基础，从保证机组稳定运行出发，拟定不同方案，分析计算电站预想出力降低对电力系统的影响及机组参数的变化对电站投资的影响，通过技术经济比较后确定。因此，水泵水轮机水轮机工况额定水头的选择，是一项涉及到多个方面的综合性工作，一般来讲，需要考虑以下几方面的内容：电站的运行方式、在系统中的作用和电力系统对机组运行性能的要求；在电站正常运行范围内，水泵水轮机要有较高的综合效率；水泵水轮机的水力设计合理，水轮机工况和水泵工况参数能合理匹配；水轮机工况在低水头和部分负荷条件下应能够稳定运行，并能稳定地并入电网；在一个工作周期内，发电工况和抽水工况基本上达到水量平衡。

3 国内外抽水蓄能电站额定水头的选取情况

我国水利水电动能设计规范对额定水头的选取作了如下原则性的规定：“抽水蓄能机组额定水头、额定扬程选择应根据上、下库水位变幅、水头损失及电站运行方式分析确定”。因为用电负荷特性和电站在系统中的作用不同，电站运行方式会有很大差异，所以在确定该值时具有较大的灵活性。

日本关于额定水头的选择方法是按电站日满发利用1 h的上下游水位差减去相应的水头损失，故额定水头一般处于电站运行水头段接近高水头1/3处。

从收集到的其他国家电站资料来看，额定水头一般多在算术平均水头附近。国内外抽水蓄能电站最高水头与额定水头的比值一般小于等于1.1（即Hmax/Hr）。

4 荒沟抽水蓄能电站水轮机工况额定水头的选择

荒沟电站为纯抽水蓄能电站，水头变幅并不大（Hpmax/Htmin=1.12），从电站的运行效益看，在系统中运行应以容量效益为主，水轮机工况额定水头的选择应在保证机组安全稳定运行的前提下，尽可能减少电站容量的受阻。

根据上述考虑因素和国内外抽水蓄能电站额定水头选取情况，拟定3个额定水头的方案（即额定水头414.5，410.0，405.3 m）进行比较。计算结果详见表1。

表1 额定水头比较-水泵水轮机参数汇总表

从表1中数据分析：

1）对水轮机综合效率的影响：随着额定水头降低，额定水头至最小水头各最大负荷区间附近的效率有所下降。但由于3个方案额定工况的单位参数变化不大，引起的水轮机工作范围变化不大，故对水轮机效率的影响也不大

2）对机组运行稳定性的影响：随着额定水头降低，水轮机部分工况更加靠近不稳定区域。但由于水头变幅较小，3个方案的差距并不明显，距离不稳定区域都有一定的安全余量。

从已建和在建工程的抽水蓄能机组水轮机工况电站水头特征系数K=(Hr-Hmin)/(Hmax-Hmin)的分布趋势看，国内电站大多在K=0.2～0.5，额定水头均在算术平均水头以下；国外电站K值较高，额定水头选择较高。当机组额定水头提高时，机组在额定点发额定出力时导叶开度相对较小，转轮出口水流均匀分布，在最优单位转速时水流为法相出口，压力脉动最小。如果水泵水轮机的实际运行水头比最优工况水头低，水轮机的单位转速比最优单位转速大，此时转轮出口有正的速度矩，会产生尾水管涡带。当水轮机工况运行在低水头时，尾水管的压力脉动加大。提高水轮机的额定水头后，水轮机工作点向最优单位转速方向偏移，这可以降低水轮机在最小水头运行时尾水管振动大的危险性。所以，在一定范围内提高额定水头对机组运行稳定性有一定好处。