某抽水蓄能电站水泵水轮机关键技术参数选择

苏艳意

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

某抽水蓄能电站装有6台单机容量为300 MW的可逆式水轮发电机组，年平均发电量34.24亿kW·h，年抽水用电量为45.65亿kW·h，以500 kV电压等级出线接入系统，在京津唐电网系统中承担调峰、调频、调相和事故备用任务。本工程属一等大(1)型工程，主要建筑物按1级建筑物设计。枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、电站厂房、开关站等组成。

电站水库水位为：上库正常蓄水位1 505 m，上库死水位1 460 m，下库正常蓄水位1 061 m，下库死水位1 042 m；相对应的水头和扬程分别为：最大水头463 m，额定水头425 m，最小水头399 m，最高扬程469 m，最低扬程403 m。

1 比转速和比速系数的选取

比转速ns及比速系数k是表征水泵水轮机性能参数和几何形状等方面的综合技术经济水平的重要特征参数之一，在相同水头下，比转速的高低可以反映机组的参数水平和经济性[1]。水泵水轮机比转速可以用其水轮机工况的比转速nst表示，也可以用水泵工况的比转速nsp表示，国内外对水泵水轮机的比转速开展了很多研究[2]。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的参数，来衡量水泵水轮机比转速和比速系数水平的高低[3]。该电站水轮机最大水头工况下比转速及比速系数见表1，水泵最低扬程工况下比转速及比速系数见表2。

表1 水轮机工况比转速与比速系数经验公式统计表

表2 水泵工况比转速与比速系数经验公式统计表

由表1和表2可知，根据经验公式计算可得，水轮机最大水头工况下比转速范围为91.4～103 m·kW，比转速系数范围为1 967～2 216；水泵最低扬程工况下比转速范围为29.2～37.3 m·m3/s，比转速系数范围为2 631～3 361。以上经验公式的计算结果代表不同年代水泵水轮机参数的平均水平，具有一定的代表性。

参照近年来国内外投入运行的水泵水轮机设计和制造水平，在此基础上做出统计回归曲线，该曲线可在一定程度上可以反映比转速的当前水平。图1给出了水泵水轮机比转速与水头变化关系的关系曲线，该曲线是对近年来国内外几十座抽蓄电站的统计结果，对新建抽蓄电站的水轮机比转速选取有较强的指导意义。

图1 水泵水轮机比转速与水头变化关系图

由图1可知，随着现代水泵水轮机水力设计和制造水平的提高，水泵水轮机的比转速总的来说是在提高，而提高机组比转速最有效的方法就是提高机组的转速，机组转速与比转速之间关系式如下。

水轮机工况比转速的计算公式为：

水泵工况的比转速的计算公式为：

式中：n11为单位转速；Q11为单位流量；η为水轮机效率；nr为额定转速；HT为水轮机水头；PT为水轮机出力；Qp为水泵流量；Hp为水泵扬程。

将该电站的额定转速暂取为428.6 r/min，在最大水头463 m下，计算得比转速为110.4 m·kW，比速系数为2 375；在最低扬程403 m下，计算得水泵比转速为40.1 m·m3/s，比速系数为3 606。

结合表1、表2和图1可以知，该电站的额定转速为428.6 r/min时，其比转速数值符合统计规律，参数水平的选取既先进又安全可靠，为电站安全稳定运行奠定良好的基础。

2 吸出高度的选取

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。混流式水泵水轮机吸出高度的选取主要参考两个原则：一是应按照水泵工况无空化的条件进行；二是机组在相继甩负荷过渡过程中，整个输水系统内不能发生水柱分离。根据经验统计公式[4]计算得到的相应空化系数和吸出高度值见表3。

表3 吸出高度经验公式计算表

由表3可知，用经验公式计算本电站在最高扬程下所需的吸出高度在-41.5～-69.3 m之间；在最低扬程下所需的吸出高度在-48.6～-71.7 m之间。

对近年来国内外已投入运行电站的设计和运行数据进行统计，得到水轮机工况下比转速与装置空化系数之间关系曲线，见图2。抽水蓄能电站吸出高度选择时都是按照可以满足机组最危险工况条件下确定的，因此按照水轮机比转速统计出的电站装置空化系数也是较为安全的，并且可以被新建电站吸出高度选择采用。

图2 水轮机比转速与装置空化系数关系曲线图

通常比转速与转轮的空化系数成正比，随着比转速的增大，转轮的空化系数也增大，空化性能下降。对于该电站来说，通过前面的分析，水轮机的比转速已经确定，从而空化系数也基本确定，从图2回归曲线可知，在最大水头463 m，比转速为110.4 m·kW时，查图可知相应的装置空化系数在0.16～0.18之间，吸出高度在-65～-75 m范围内。将电站的吸出高度暂取为-75 m，进行机组相继甩负荷过渡过程计算，得到

尾水管真空度计算值为4.0 m[5]。

结合吸出高度经验计算值和最危险过渡过程工况下尾水管真空度计算值，同时考虑到在尽量节约土建开挖量的前提下，使得机组有足够的淹没深度，以保证机组安全稳定运行，最后确定电站的吸出高度为-75 m。

3 结 语

选择合理的水泵水轮机参数可为抽水蓄能电站机组的长期安全稳定运行提供技术保障。本文从经验公式与数据统计相结合的角度，对蓄能电站的关键技术参数进行了选取，此研究方法可为类似电站在前期论证阶段，快速而又较为准确地得到机组主要参数，起到一定的指导作用。