可变转速水泵水轮机主要参数选择浅析

张宝勇，沈剑初

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

近些年来，我国核电、风电以及光伏等各类新能源蓬勃发展。随着这些新能源占供电系统的比例逐步增高，风力及太阳能等受自然条件影响较大的能源增加了电网频率管理的难度。针对这种情况，若能在电网内建设一定数量的变速抽水蓄能电站，对提高电网安全稳定运行水平、提高各种能源的综合利用率、减小新能源电源对系统的冲击等均有较大的好处。

抽水蓄能变转速机组具有抽水工况可进行自动频率控制、瞬时有功功率和无功功率的高速调节的特点，发电工况时效率更高、交流励磁装置可代替SFC装置实现自启动，拥有更宽更优的水轮机运行范围等优点，从而能够更好地服务于电网，可以成为重要的电网调节与控制手段[1]。变速机组在国际上部分国家和地区得到了越来越广泛的重视和建设，为国内变速机组的建设、运行和维护提供了经验。本文以某400 m水头段变转速水泵水轮机主要参数选择为例，介绍了可变转速水泵水轮机主要参数选择需要注意的一些问题。

2 可变转速水泵水轮机主要参数选择

2.1 电站概况

本电站为日调节纯抽水蓄能电站，在电网中主要承担调峰、填谷任务，同时还具有调频、调相及紧急事故备用等功能。枢纽工程主要建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等组成。电站拟安装2台单机容量为300 MW的可变速抽水蓄能机组。水泵水轮机最大扬程为505.1 m，最小水头为422.2 m，最大扬程最小水头比为1.196。

2.2 可变转速机组容量的选择

对于可变转速机组，水轮机工况可通过降低转速使机组运行范围靠向最优工况区，从而获得更高效率和更好的稳定性。水泵工况可以通过调节转速来改变水泵输入功率，从而满足电网调度要求。变转速机组的发电机和电动机容量选择原则上与定转速机组的选择方式一致，通常情况下，变转速机组的水泵工况最大输入功率的选择可与定速机组的水泵水轮机最大输入功率一致，从而使可变转速机组及其附属设备可以更好的与主变、发电电动机出口电气设备、机组辅助系统等的设计、布置相协调，避免不必要的跳档等经济性较差的方案。

在选择变转速机组水泵最大输入功率时，由于机组可以进行转速调节，水泵最大输入功率可不考虑由于电网频率的偏差裕量，仅考虑模型换算至原型时产生的偏差。综合考虑上述几个因素，本电站变转速机组的水泵最大输入功率选择为330 MW，与国内其他相同容量的定转速抽水蓄能机组相当。

2.3 可变转速机组转速变化范围的选择

常规抽水蓄能机组由于转速是不可调节的，所以在水泵工况下不能调节输入功率，因此无法在抽水时实现对电网频率的自动控制，电网只能调用固定的机组输入功率。而水泵输入功率与转速3次方成正比，因而变转速机组转速的少量变化就会使输入功率有大幅度改变。可变速抽水蓄能机组在抽水工况下通过输入功率的可调节特性使得频率的快速调节成为可能，相应地对电网负荷变化的响应速度也更迅捷。

水泵水轮机的水力设计以水泵工况为基准，通常情况下，水轮机工况运行区域远离最优效率区。通过机组转速的调整可以使水轮机工况运行范围向最优效率区平移，从而获得更高的运行效率，尤其在部分负荷区域效率提高更为显著。同时变速机组还能减小机组稳定运行的最低负荷，增大机组稳定运行范围，较为优秀的变转速机组的最低运行负荷可达35%的额定负荷。

图1为变转速水泵水轮机组输入功率与水泵扬程曲线，从图1中可以看出，水泵的输入功率调节范围受多个参数的影响，包括机组的扬程范围、空化特性、驼峰余量以及转速变化范围等[2]。理论上较大的转速变化范围可以获得更为广阔的机组输入功率调节范围，但同时要兼顾空化特性、驼峰余量的因素。较大的转速变化范围需要较大容量的变频设备，增大了设备投资；较小的转速变化范围，虽会使机组获得的功率可调节范围偏小，但是相应的变频电气设备的投资也较小。

图1 变转速水泵水轮机组输入功率——水泵扬程

从图2、图3中可以看出，随着转速变化范围的缩小，无论是±5%，还是±7%的转速变幅情况下，水泵的最大输入功率均能达到330 MW。如果电站在高扬程侧的大轴入力区域或者低扬程侧的小轴入力区域运行的时间少或基本不会使用的话，综合经济性因素，适当缩小变速范围是可行的。

图2 水泵工况转速变化为±7%时的运行范围

图3 水泵工况转速变化为±5%时的运行范围

常规抽水蓄能机组常采用定子外接变频器或背靠背启动方式，通常将变频启动作为主启动方式，背靠背作为备用方式[3]。变频启动需要设置一套专用变频器（SFC），而背靠背启动方式也需依靠其他机组，且不能启动最后一台机组，而交流励磁变速抽水蓄能机组则能实现自启动。在水泵工况启动前，先通过隔离开关将定子回路短路，为了提高启动转矩，定子回路中串联一个电阻，启动原理类似于感应电动机，在这种情况下定子回路是短路的，转子回路相当于感应电动机的定子。由于机组启动时，交流励磁系统的输出频率逐渐变化，故能实现平滑启动。通常情况下，交流励磁设备的转速变化范围大于±5%时，机组能够实现自启动。

表1统计了目前世界上已建、在建抽水蓄能电站可变转速机组容量与变速范围参数，从表1中可以看出，各可变转速机组转速调节范围从±4%到±10%。

表1 已建、在建抽水蓄能电站可变转速机组容量与变速范围参数表

有的主机厂家认为，机组在招标过程中不应该限制机组的转速变化范围，而应只规定机组的输入功率调节范围，由厂家自行确定机组的转速变化范围，并匹配相应的交流励磁变频设备，以获得最优的机组运行性能。由于交流励磁变频设备尺寸非常大，无节制的增大机组的转速变化范围将导致厂房的开挖尺寸大幅增加，且不同厂家不同的转速变化范围会对机组评标工作造成较大影响，因此建议招标阶段采取同时限定水泵输入功率变化范围和机组转速变化范围的方式。

针对本电站，通过咨询国内外主要机组厂家，各厂家建议的机组转速变化范围和输入功率变化范围见表2。

表2 机组转速变化范围和输入功率变化范围表

本电站水头变幅不大，机组水泵工况启动采用自行启动方式，参考各主机厂推荐的数值，同时考虑在合理的范围内节省投资，转速调节范围不宜选得过高和过低，初步选择转速调节范围为±7%，即机组速度变化范围为398.6～458.6 r/min；机组水泵工况输入功率的最大调节范围控制在120 MW之内，即水泵输入功率在210～330 MW之间可调，不同的扬程下的输入功率调节范围可适当调整。

2.4 水泵水轮机主要参数的选择

从国内外水泵水轮机制造厂商为本抽水蓄能电站提供的水泵水轮机主要参数可知，大部分厂家接受变速±7%，个别厂家希望放开采用不对称变速，以更好地适应其优质基础转轮。主机厂技术资料表明，变转速机组水泵水轮机的转轮直径略小于定转速机组的转轮直径，加权平均效率有所提高。综合考虑各方面因素，变转速机组的预期主要参数详见表3。

表3 变转速机组水泵水轮机预期主要参数表

2.5 变转速机组水轮机和水泵工况的运行范围

变转速机组在水轮机工况运行时，可以通过改变机组的转速（通常是降低转速）来改变机组在水轮机模型曲线上的运行区域，选择高效率、高稳定性、低空化的运行区域，有效的改善机组的压力脉动和空化性能，特别是部分负荷时的性能，扩大发电运行范围。从图4中可以看出，通常在水轮机工况下，机组要想获得最高的效率和稳定性，其运行范围需接近最优效率点，即机组运行在可能的最低转速下，获得靠近最优点的最小的单位转速[7]。当在最低转速下的机组效率不是最优或者稳定性不好时，可以通过增加转速寻找更好的工况点，最终得到水头、输出功率与转速的函数关系，从而得到最优的水轮机工作策略。

图4 定速和变转速机组水轮机工况范围比较参考图

变转速机组在水泵工况运行时，可以通过调整机组转速来控制机组的输入功率或者调节电网频率，满足电网的需求。变转速机组水泵工况的最大入力一般不超过相同单机容量的定速机组，水泵的水力设计一般将机组的最大输入功率控制在最大转速附近，这样可以在有限制的转速变化范围内得到最大的输入功率调节范围。从图1中可以看出，可变转速机组的水泵运行范围由最高扬程、最低扬程、最大输入功率以及最低转速下的输入功率等曲线包围构成，随着转速的可变幅度增大，水泵抽水工况的运行范围也随之增大，但运行范围受到下面两点限制：一为水泵驼峰限制，当机组在靠近这条限制线的高扬程小输入功率条件下运行时，会进入驼峰区，伴随产生较大的振动和水压脉动，机组要尽量避免在此区域运行，设计时一般会取一定的驼峰余量作为输入功率的运行下限；二为空化性能对机组的影响，为了避免空化性能的限制，除了改善模型空化性能外，电站水位条件的合理选择也很关键。

2.6 变转速机组的稳定性

变转速机组通过改变转速能较好地适应不同工况下的运行水头，规避不好的运行工况，改善水泵水轮机的水力性能，减少机组振动、空蚀和泥沙磨损，增强机组的运行稳定性。但变转速机组的水力设计在机组研发阶段必须引起足够重视，这是保证机组稳定运行的前提。在泵工况下，当降低转速，调整水泵输入功率时，水泵运行工况将有可能向接近驼峰区移动，驼峰区的位置将直接影响最高扬程水泵输入功率的变化范围，因此，变转速机组水力设计避开驼峰区是至关重要的。变转速机组高扬程运行工况减小水泵输入功率时还将受到低流量空化限制，相比于定速机组变转速机组对空化性能要求更高。

定性分析变转速机组的驼峰区和空化范围变化见图5。

图5 变转速机组的驼峰区和空化范围变化示意图

从图6水泵水轮机四象限特性曲线上可以看出，在机组转速降低后，S区能够获得更大的裕量，机组空载稳定性大大提高。

图6 水泵水轮机四象限特性曲线

2.7 吸出高度和安装高程

对水泵水轮机而言，水泵工况的空化性能比水轮机工况差，在高扬程、小流量区域，叶片的背面负压区容易出现气泡产生空化；在低扬程、大流量区域，叶片的正面正压区容易出现气泡产生空化。从图7中可以看出，期望的水泵入力变化范围越广，扬程覆盖范围越广，对空化性能要求越高，需要的安装高程也越深。综合考虑统计公式和厂家推荐的吸出高度，本变转速机组确选择的吸出高度为-75 m。

图7 变速机组空化范围变化示意图

3 结语

本文简述了可变转速水泵水轮机机组容量、机组转速变化范围的选择方法，水泵工况和水轮机工况机组运行的运行特点和选择注意要点，以及水泵水轮机稳定运行的特点和吸出高度与定速机组的异同。

近年来国内常规定速抽水蓄能机组的发展很快，截至2018年底，我国已建成投运抽水蓄能电站约31座，总装机容量约2 652万kW，在建约23座，总装机容量约3 195万kW。目前我国还没有可变速大型抽水蓄能机组投运，仅在建的丰宁二期抽水蓄能电站有两台机组采用变速机组。因此研究可变转速抽水蓄能机组特性和设计、生产、安装，从而掌握该项技术，意义重大[8]。