数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法

2016-05-30孔凡瑞张树邦

水电站机电技术 2016年4期

关键词：数据统计

孔凡瑞，张树邦，王　威

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）

数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法

孔凡瑞，张树邦，王威

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：混流式水泵水轮机要在水泵和水轮机两个方向运行，电站前期论证工作中很难有恰好合适的转轮与给定电站参数完全匹配。通过对以往抽水蓄能电站机组参数的统计，归纳总结出系列公式，在未获得与电站参数相匹配模型转轮条件下给出机组主要参数合理范围，并为电站模型开发提供方向性保障。

关键词：混流式水泵水轮机；参数选择；数据统计

1　引言

随着国内电力系统发展到一定阶段，电力系统对电网的调节性能和品质要求越来越高，尤其是国内核电的发展，对电力系统中调峰调频、备用容量、削峰填谷容量等需求越来越大，而国内抽水蓄能机组容量在电力系统中所占比例却远没有达到推荐的合理范围。2000年后，我国开始加快了抽水蓄能电站建设速度，已经兴建了多个高水头、大容量混流式抽水蓄能电站，并有大量抽水蓄能电站进入可行性研究阶段，并陆续开工建设，如河北丰宁、吉林敦化、黑龙江荒沟、安徽金寨、山东沂蒙、河南天池等抽水蓄能电站，都已进入招标或即将进入招标阶段。因此，在抽水蓄能电站快速发展的当下，快速并准确得到机组主要参数对于设计和机组生产制造单位来说至关重要。

根据水泵水轮机自身技术特点知道，机组水泵工况和水轮机工况下机组各运行参数有较大差异。对于给定水头、机组容量和机组转速下特定电站，一般很难找到已有的模型与之相恰好匹配，需要根据电站实际参数重新开发新转轮模型。这就使电站机组选型工作非常困难，难以得到合理的机组参数。

通过大量以往电站参数统计，文中归纳和总结了混流式水泵水轮机机组主要参数的计算方法。一方面这些给定公式可以表征混流式水泵水轮机自身参数水平高低；另一方面，也可以帮助快速计算得到电站机组主要参数，为设计人员和制造单位提供了一种重要而又快捷的设计手段和辅助工具，使其可以快速确定电站机组主要参数。

2　水泵水轮机几个重要参数

水轮机和水泵行业中，常以水轮机比转速、水泵比转速、水轮机比速系数和水泵比速系数来表征机组参数水平和经济性的高低。其中，比速系数是反应机组参数水平和经济性的一项综合性指标；它一方面直接影响电站机电设备投资、电站土建投资等经济特性；另一方面，又影响机组模型转轮开发、真机机组加工制造、运输、安装和电站安全稳定运行等机组特性。

水泵水轮机比转速可以用水轮机工况的比转速表示，也可以用水泵工况比转速表示。

水轮机工况比转速的计算公式为：

式中：HT为水轮机水头；PT为水轮机出力；Hp为水泵扬程；Qp为水泵流量。

从上面公式可以看出，提高机组比转速最有效的方法是提高机组的转速。机组转速的提高可以有效减小水泵水轮机和水轮发电机尺寸，降低主机设备成本；也可以减小机组平面尺寸和高度，从而减小厂房尺寸，降低厂房造价；但另一方面，从技术角度来看，过高的机组转速又会使得水泵水轮机模型开发难度加大，真机生产制造难度增加，使机组水泵和水轮机工况空化性能变坏，提高了机组模型开发、制造难度和机组安全稳定运行风险。

所以，机组额定转速选择时即要考虑电站建设的经济性，又要兼顾机组设计、制造难度和机组运行的安全稳定性。机组额定转速决定了比转速的高低，而比转速高低有利有弊，需要综合考虑。因此，以往电站的参数统计对电站机组主要参数的选择显得尤其重要。表1、表2为部分国内、外水泵水轮机主要参数。

3　机组转速计算

机组转速的选择直接关系电站整体工程造价和电站实际技术参数水平和电站实际的安全稳定性。根据对一百多座电站的比转速的参数统计，归纳和给出水轮机和水泵两个方向下的回归曲线，在实际的转速选择过程中，可以根据统计曲线，结合电站实际容量和水头、扬程参数，快速给出合理的机组转速范围区间。

行业内一般以水轮机最大水头工况和水泵最低扬程工况下参数，来衡量水泵水轮机比转速和比速系数水平高低。从图1和图2看出，在电站水头参数机组单机容量确定情况下，机组水轮机工况下的比转速就会对应一个较为合理的参数区间，可以根据水泵和水轮机工况的比转速公式反算出其对应的合理转速范围值。根据以往电站经验，对于水轮机工况，其对应比速系数不宜超过2500，最高限制2 650，也很少有电站参数超过此参数水平。在水泵方向，其比速系数不宜超过3700，最高限制不应该超过4000。

图1　水轮机工况统计曲线

图2　水泵工况统计曲线

表1　部分国内混流式水泵水轮机主要参数

表2　部分国外混流式水泵水轮机主要参数

4　转轮直径计算

水泵水轮机有着其自身特性特点，与常规混流式水轮机不同，需同时兼顾水轮机和水泵的性能，特别是水泵的性能。水泵性能要在选定额定转速下考虑频率变化的驼峰区余量，一般要求驼峰区余量不小于最大扬程的1.5 %～3 %（各厂家对驼峰区余量要求略有不同），以保证水泵运行的稳定性；另外还要考虑水泵最大入力，水泵最大入力选择合理性关系到水泵运行时的流量，直接关系电站运行的抽水时间，关系到水泵水轮机的两个方向的电量平衡和运行综合效益。另外，应尽量控制使得水泵在高效区域内运行，在规定的扬程变化范围内平衡驼峰区余量和水泵高效运行之间关系。

水泵水轮机由于需要同时兼顾水泵工况和水轮机工况两个工况下的稳定运行，导致即使是相近水头段的电站，模型的通用性也很差。水泵水轮机转轮高压侧直径D1受到水泵最大扬程的限制，过大或过小会造成水泵运行范围的不合理，因此，准确的确定D1将为开发、设计工作奠定良好的基础，避免选型过程中发生方向性错误。图3为水泵最大扬程与额定转速和转轮高压侧直径D1的统计曲线。可以看出，其规律性较强，对初步确定转轮高压侧直径D1有较强指导意义。

图3　水泵最大扬程VS D1曲线

根据图3对统计曲线进行拟合，可以回归水泵出口转轮直径D1与水泵最高扬程公式如下：

其中：nr为机组额定转速（单位：r/min）；D1为水泵水轮机高压边直径（单位：m）；Hpmax为水泵工况最高净扬程（单位：m）。

根据以往电站统计计算，按照上面给定的统计公式计算出的出口直径值与转轮最终设计值具有较小的偏差（一般≤3 %），可以作为电站前期电站论证时的设计值。在转轮进口直径D1值选定后，可以根据统计中的转轮进出口直径间的关系统计曲线，计算得到转轮进口直径D2值，统计值如图4和图5，并根据统计值回归给出转轮进、出口直径关系公式：

其中：D2为转轮低压侧转轮直径（单位：m）。

图6则是对水轮机比转速和单位流量的统计，可以帮助在选择中给出较为合理的水轮机工况下的模型单位流量设计值，为合理的模型参数选定提供合理的参考范围。确定最终转轮进口直径D1时，可以结合以上两个公式取中间值。

图4　水轮机比转速VS进、出口直径曲线

图5　水轮机单位流量VS进/出口直径曲线

图6　水轮机比转速VS水轮机单位流量

5　机组吸出高度计算

水泵水轮机的吸出高度会对电站引水系统和厂房布置造成直接影响，较浅的挖深要求可以降低相应的电站土建成本；但也会增加水泵运行时的空化风险，所以，电站前期安装高程估算时的准确性显得十分重要。

在早期水泵水轮机应用过程中就发现，水泵工况运行时的转轮空化比水轮机工况下空化更加严重。在设计时一般认为如果水泵工况空化可以满足，则水轮机工况也是可以满足的。研究也表明，转轮首先空化区域一是其沿叶片表面的压力最低点，另外是叶片进口因脱流引起的局部低压区。水泵水轮机在水轮机工况时，转轮叶片低压区在叶片出口D2处，叶片进口脱流区在叶片进口D1处；水泵工况运行时叶片的低压区和叶片脱流区均在叶片进口D2处，形成了低压区叠加，叠加后叶片水轮机工况出口处压力较水轮机工况时更低，转轮更容易出现空化现象。图7为水轮机工况统计曲线。