张河湾电站水轮机额定水头和吸出高度的选择与分析

2017-01-17马保东刘更海黄国平

水电站机电技术 2016年12期

关键词：汽蚀河湾变幅

马保东，刘更海，黄国平

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

张河湾电站水轮机额定水头和吸出高度的选择与分析

马保东，刘更海，黄国平

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

在张河湾抽水蓄能电站上、下水库特征值不变的情况下，机组的额定水头选择305 m或300 m，从蓄能机组的稳定性、效率和泥沙磨损方面进行分析，运用国外稳定运行经验曲线进行论证，推荐了张河湾电站机组的额定水头；用各厂家推荐的统计公式计算本电站的吸出高度，并与国外厂商提供的询价资料进行比较，确定其范围；用水泵汽蚀比转速经验公式，对张河湾吸出高度分别取-46 m、-48 m和-50 m进行计算，最后推荐电站的吸出高度值。对国内外中、高水头的抽水蓄能电站对国外稳定运行经验曲线和水泵汽蚀比转速经验公式进行了验证，证实了其可行性。

抽水蓄能；额定水头；吸出高度；选择

1 概述

张河湾抽水蓄能电站位于石家庄市井陉县测鱼镇张河湾村附近，距石家庄市（负荷中心）仅53 km（直线距离）。电站装机容量为1 000 WM，即4台250 WM的单级混流可逆式水泵水轮机组。建成投产后，电站将以两条500 kV线路接入冀南电网，承担电网的调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务，起到十分重要的作用。

随着抽水蓄能技术的发展，国内外的蓄能机组都在向高水头、大容量发展，这样不但可以提高机组综合效率，而且可以提高电站的总体效益，但机组运行的稳定性和水力机械的汽蚀磨损将成为一个限制因素。抽水蓄能电站机组额定水头和吸出高度的合理选择，对电站的安全、稳定、高效运行具有重要意义。

张河湾项目用于比较的额定水头为300 m和305 m，从规划角度主要是机组的受阻出力、日满发出力保证率等方面考虑，额定水头取300 m较为有利。但由于近年来我国新投入运行的一些大型抽水蓄能机组在运行稳定性方面不同程度地出现了问题，影响了蓄能电站的综合效益；另外，抽水蓄能电站的水头变幅较大，而且本电站的过机泥沙含量也很高，降低额定水头对机组今后的运行稳定性和水力机械的汽蚀磨损可能产生不利影响，所以从机组本身的技术性能考虑，额定水头取305m较为有利。因此，机组额定水头和吸出高度的选择要从整体综合考虑。

2 额定水头的选择

设计水头即额定水头，是指水轮机发出额定出力的最低水头，是水轮机的一个重要参数。对于抽水蓄能电站，额定水头的选择，对机组的稳定运行将有一定的影响。由于机组是可逆运行，如要使机组能高效地稳定运行，需结合最大/小水头（或扬程）与流量的匹配、水头变幅范围、泥沙磨损等综合考虑。

2.1 稳定性分析

（1）两种不同的额定水头方案的水泵水轮机参数表见下页表1，从中可以看出，两种不同额定水头下所对应的水轮机流量是不同的。

（2）目前国内外分析抽水蓄能机组稳定性的方法，一般采用日本东芝公司提供的稳定运行经验曲线判断，该曲线反映出水泵水轮机的扬程（水头）与流量匹配的综合特性。

东芝稳定运行经验曲线参数见表2，东芝稳定运行经验曲线见图1。

表1 两种不同额定水头方案水泵水轮机参数表

表2 水泵水轮机稳定运行经验曲线参数（东芝）

表2中，QT（d）——水轮机额定水头下的流量，m3/s

QP（max）——水泵的最大流量，m3/s

HP（max）——水泵的最大扬程，m

HT（min）——水轮机的最小水头，m

图1 水泵水轮机稳定运行经验曲线图（东芝）

为了验证该曲线的可行性，东芝公司对国内外31座抽水蓄能电站的混流可逆式水泵水轮机参数进行了统计，并计算出 QT（d）/QP（max）、HP（max）/HT（min）值，有90%的机组都适合该稳定曲线，即在稳定运行区域内，证明该稳定区域曲线图是可行的。

（3）张河湾机组在稳定运行曲线图的位置

对于张河湾机组，当额定水头取305 m时，

HP（max）/HT（min）=354/284.7=1.24

QT（d）/QP（max）=95.12/84.29=1.13

当额定水头取300 m时，

HP（max）/HT（min）=354/284.1=1.25

QT（d）/QP（max）=96.97/84.29=1.15

从图1中可以看出，张河湾机组的额定水头在305m时，已处于稳定运行区域的边界，如改为300m，则将处于稳定区外，这将影响机组的稳定运行。

2.2 效率分析

水泵水轮机的单位转速和单位流量公式，可采用水轮机的单位转速和单位流量公式，即：

n1，=nD1/H1/2

Q1，=Q/D12H1/2

张河湾机组：n=333.3 r/min

D1=4.8 m（按国外厂家推荐值）

得出：当H=300 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3001/2=92.4 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=96.97/4.82×3001/2=0.24 m3/s

当H=305 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3051/2=91.6 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=95.12/4.82×3051/2=0.236 m3/s

因现在还没有水泵水轮机运转特性曲线，参考水科院《水泵-水轮机（200米以上水头段）转轮及其流道的设计开发》中的水泵水轮机综合特性曲线，可以看出，水泵水轮机的额定水头由305 m变为300 m，水轮机的效率将下降0.3%～0.5%左右。

2.3 水头变幅

为了说明张河湾电站水头变幅的水平，统计了国内大型抽水蓄能电站的水头范围及相应的水头变幅值，见表3。

表3 国内大型抽水蓄能电站的水头范围及相应的水头变幅

从表3可以看出，张河湾电站水头变幅为55 m，水头变幅与最大水头的比值达15.9%，是国内几个电站中最高的，因此水泵水轮机的制造难度要增大，同时也增大了机组运行稳定性的难度。

2.4 泥沙磨损的影响

张河湾水库处在多泥沙河流上，多年来水平均含沙量为11.1 kg/m3，泥沙模型试验结果表明：一般过机含沙量变化范围为0～2.8 kg/m3，过机含沙量最大值为4.4 kg/m3。

国内外试验和实践均表明，水力机械通流部件的泥沙磨损率与其水流相对流速的3次方成正比。根据上海希科公司的计算，水力机械过流表面水流的相对速度在额定水头300m时比额定水头为305m时要大5.0%～7.4%，在相同的水道系统中，会导致水轮机过流部件（如转轮、导叶、顶盖等）的泥沙磨损增大，泥沙磨损与汽蚀损伤互相影响，这将加大机组安全稳定运行的不利因素。

3 吸出高度的选择

吸出高度的选择对水泵水轮机的空蚀特性有至关重要的影响，从而影响机组的效率，特别是对各部位的压力脉动。对于水头/扬程变幅较大和过机泥沙含量较大的大型抽水蓄能电站，选择合适的吸出高度对机组的运行稳定性和机组效率都至关重要，因此，应在充分分析研究的基础上尽可能留有裕量。

3.1 确定吸出高度范围

众所周知，在同等条件下，水泵工况比水轮机工况更容易发生汽蚀，图2示出了水泵水轮机汽蚀系数与流量的关系。

图2 水泵水轮机汽蚀系数与流量的关系

从图2看出，水泵工况汽蚀系数比水轮机工况大得多，即水泵工况比水轮机工况容易出现汽蚀，水泵工况的淹没深度要比水轮机大，因此水泵水轮机的安装高程是由水泵工况的汽蚀特性来决定的。

水泵的吸出高度Hs=HaHrσpHp

式中Ha——大气压力，为10 m高水柱

Hr——该处水的汽化压力，为/900（为最低尾水位464 m）

σp——水泵汽蚀系数

Hp——水泵工况扬程，m

根据Hs计算公式，参考各厂家为本电站提供的统计公式所得Hs值，见表4（水泵比转速按42（m·m3/s）计算）。

从表4可以看出，Hs值在-42.31～-56.91 m之间。

从国外厂商给张河湾的初步询价资料中看出，张河湾电站的吸出高度范围为：-40～-68 m

根据吸出高度的计算和国外厂商的询价资料，可以得出：张河湾电站的吸出高度取值范围为：-40～-68 m。

3.2 对吸出高度合理性的判断方法

为了防止机组的汽蚀，增加机组的运行稳定性，取在上述范围内的吸出高度分别为-46、-48、-50 m进行论证。目前国内外判断机组吸出高度合理性，一般采用水泵汽蚀比转速的方法，即

水泵汽蚀比转速nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

ns在800以内，则为安全区，如超过800，则机组运行在汽蚀较严重区或不稳定区。

对于水泵汽蚀比转速的判断方法，统计了国内外31个中、高水头电站进行了验证，结果表明，约80%电站的水泵汽蚀比转速在800以内，符合该公式，因此认为，此判断方法是可行的。

3.3 张河湾不同吸出高度的水泵汽蚀比转速

nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

式中n=333.3 r/min Q=84.29 m3/s

当Hs=-46 m，得nSP=831

当Hs=-48 m，得nSP=809

当Hs=-50 m，得nSP=789

从计算结果可以看出，当Hs取-48 m或-50 m，在安全区内或接近安全区；当Hs取-46 m，则较远离安全稳定区。

但是在实际选择电站的吸出高度时，还要考虑电站的地质因素和电站的总体布置的要求，即在有

表4 各厂家统计公式应用于本电站计算所得Hs值

关限制因素允许的前提下，机组的吸出高度应选最接近稳定区的值。最终选择的吸出高度值应在进行综合的技术经济比较后确定。

4 额定水头和吸出高度的建议值

水泵水轮机的技术参数选择是以水泵工况的运行要求为主兼顾水轮机工况的运行要求为原则的，水轮的额定水头除直接关系到机组尺寸外，还将主要影响到机组在运行水头/扬程范围内的效率和二种工况的流量匹配，特别是在本电站的水头/扬程变幅较大的情况下，流量匹配的合理程度将对机组的运行稳定性产生很大影响。因此，在现有设计的条件下，考虑到机组安全、稳定运行的必要性，根据以上分析，建议机组的额定水头取305 m，吸出高度取-48 m（如吸出高度取-50 m，考虑地质因素，交通洞的坡度将超出规定值）。这将在有利于机组的安全稳定运行的同时，又不会因增加过多的厂房开挖量而增加太多的投资。