变速抽水蓄能机组水泵工况运行范围分析

2023-11-16李国凤郑津生倪晋兵邓祥平

水电站机电技术 2023年10期

邓磊，李国凤，郑津生，倪晋兵，邓祥平

（1. 国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100761；2. 东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000）

0 引言

抽水蓄能机组在电网中承担调峰、填谷、调频、调相等任务，是实现新能源大规模并网、构建以新能源为主体的新型电力系统的关键路径[1]。但传统的定速抽水蓄能机组水泵工况入力不可调节，水轮机工况运行范围远离最优区，而变速抽水蓄能机组转速在一定范围内可调，解决了定速机组水泵工况入力无法调节的问题，且其水轮机工况运行范围更靠近最优区，能量性能和稳定性能较好，同时，变速抽水蓄能机组具有更快的响应速度、更好的无功调节能力等特点，更加适合新型电力系统的需求。

水泵工况入力可调是变速抽水蓄能机组的主要优势之一，扩大水泵工况运行范围，提高入力调节能力，是变速水泵水轮机水力研发的关键目标。因此，研究变速抽水蓄能机组水泵工况运行范围的限制因素，分析相关参数变化对运行范围的影响具有重要意义。

目前国内外学者对变速抽蓄机组的控制策略优化[2-4]、响应特性[5-8]、结构设计[9]、效益[10]和运维成本[11]等方面已做了大量研究，而在变速抽水蓄能机组运行范围方面研究较少。张韬[12]分析了多个已投运变速水泵水轮机的运行范围的限制因素，并以某海水抽蓄为例比较了不同同步转速下的水泵工况运行范围，据此得出了最佳选型方案；喻冉[13]分析了变速水泵水轮机抽水和发电工况的运行范围，刘德民[14]、张宝勇[15]等分析了变速水泵水轮机运行范围的限制因素，并指出水力设计时需重点优化空化性能、提高驼峰裕量以扩大水泵工况运行范围。上述文献详细阐述了变速抽蓄机组水泵工况运行范围限制因素，但对于相关参数变化对水泵工况运行范围的影响方面还未有量化的分析。

本文以某300 MW 交流励磁变速水泵水轮机为例，分析了水泵工况运行范围限制因素及相关参数变化对运行范围、入力调节能力以及可用转速范围的影响，为后续变速抽水蓄能电站机组参数选择及变速水泵水轮机水力优化设计提供参考。

1 变速抽水蓄能机组水泵工况运行范围分析

本文所研究的300 MW 变速水泵水轮机属400 m 水头段的机组，吸出高度为-75 m，额定转速为428.6 r/min，转速变化范围建议为±7%nr，水泵最大入力限制为330 MW，驼峰裕量限制为2%，转轮直径为4.10 m 时水泵工况运行范围如图1 所示。

图1 某300 MW 变速水泵水轮机水泵工况运行范围

由图1 可见：变速水泵水轮机的水泵工况运行范围受转速、扬程范围、空化、驼峰和最大入力的限制；对于所研究的变速水泵水轮机，在最高扬程下，实际可应用的最小转速受驼峰限制为+0.7%nr（A点），最大转速受最大入力限制为6.0%nr（B 点），入力调节量为85.7 MW；在最低扬程下，实际可应用的最小转速受驼峰限制为-6.0%nr（D 点），最大转速受空化和最大入力限制为3.8%nr（C 点），入力调节量为131 MW；该变速水泵水轮机的水泵工况运行范围为ABCDA，实际可用的转速范围为（-6.0%~+6.0%）nr。

2 参数变化对水泵工况运行范围的影响

2.1 转速变化范围对水泵工况运行范围的影响

水泵的入力和转速的三次方成正比，理论上可以通过不断加大转速变化范围来提高水泵入力调节能力，但考虑变频器成本和水泵工况实际可应用的转速范围，目前已投运的交流励磁变速水泵水轮机转速变化范围大多在（±4%~±10%）nr之间[15]，因此，分析转速变化对水泵工况运行范围的影响可为机组转速变化范围的选择提供参考。图2 为转速变化范围分别为±5%nr、±6%nr、±7%nr对应的水泵工况运行范围，表1 为不同转速变化范围对应的水泵工况运行范围、入力调节量和实际可用的转速范围比较。

表1 不同转速变化范围对应的运行范围、入力调节量和实际可用转速范围比较

图2 不同转速变化范围对应的水泵工况运行范围

由图2 和表1 可见：

当转速变化范围为±5%nr时，水泵工况运行范围受转速限制：最低扬程最小转速工况点D1受转速-5%nr的限制，最大转速工况点C 受空化和最大入力限制；最高扬程最小转速工况点A 受驼峰限制，而最大转速工况点B1受转速+5%nr限制；运行范围为AB1B2CD1D2A，实际应用的转速范围为（-5%~+5%）nr，最高、最低扬程下的入力调节量分别为71 MW 和110.5 MW。

当转速变化范围为±6%nr时，水泵工况运行范围受转速限制：最低扬程最小转速工况点D 受驼峰和转速-6%nr的限制，最大转速工况点C 受空化和最大入力限制；最高扬程最小转速工况点A 受驼峰限制，而最大转速工况点B 受最大入力和转速+6.0%nr的限制；运行范围为ABCDA，实际应用的转速范围为（-6.0%~+6.0%）nr，水泵最高、最低扬程下的入力调节量分别为85.7 MW、131 MW，比转速变化±5%nr方案高14.7 MW、20.5 MW。

若机组的转速变化范围继续加大至±7%nr，转速将不再是限制水泵工况运行范围的因素：最低扬程最小转速工况点D 仅受驼峰限制，最大转速工况点C 受空化和最大入力限制；最高扬程最小转速工况点A 受驼峰限制，最大转速工况点B 受最大入力限制；水泵工况运行范围仍为ABCDA，实际应用的转速范围仍为（-6.0%~+6.0%）nr，最高、最低扬程下的入力调节量仍为85.7 MW 和131 MW。

由此可见，受水泵水轮机自身特性（空化和驼峰）、电站扬程范围和最大入力的限制，水泵工况实际可应用的转速范围有限，具体范围需根据机组特性通过选型确定，但大多不会超过±10%nr，因此，当转速变化范围大于水泵工况实际可用转速范围后，继续加大转速变化范围没有实际意义；在变速水泵水轮机实际可应用的转速范围内，转速变化范围越大，水泵工况运行范围越大；对于运行范围受转速限制的变速水泵水轮机，可适当加大转速变化范围以扩大水泵工况运行范围，提高入力调节能力。

2.2 扬程变幅对运行范围的影响

抽水蓄能电站的扬程/水头变幅对机组的稳定性能有重要影响，变幅越大对机组稳定性越不利。变速抽蓄机组水头/扬程变幅较大时，水轮机工况可采用寻优运行来提高机组的稳定性能，水泵工况则需分析最高扬程和最低扬程下的入力调节能力。图3 所示为不同扬程下的水泵工况运行范围，表2为不同扬程下的入力调节量和实际可用的转速范围比较。

表2 不同扬程对应的入力调节量和可用转速范围比较

图3 不同扬程对应的水泵工况运行范围

由图3 和表2 可见：

最低扬程工况：最低扬程为412 m 时，可用转速范围受驼峰和空化限制为（-6.0%~+3.5%）nr（DC1），入力调节量为130 MW；最低扬程为404 m 时，可用转速范围开始受限于最小转速、驼峰和空化限制，为（-7%~+3.0%）nr（EF），入力调节量为131 MW；若最低扬程继续减小，则最低扬程下的运行范围将仅受最低转速和叶片正面空化限制，入力调节能力随之减小；当最低扬程为319 m 时，仅能运行于-7.0%nr一个工况点G，入力调节量为0 MW。由此可见，最低扬程运行范围未受最低转速限制时，随着最低扬程的减小，入力调节能力可能会增加；若最低扬程运行范围受最低转速限制，随着最低扬程的减小，入力调节能力减小，最终的运行范围将缩小为一个工况点。

最高扬程工况：最高扬程为475 m 时，可用转速范围受驼峰和最大入力限制为（+0.7%~+5.8%）nr（AB1），入力调节量为85.7 MW；最高扬程为500 m 时，可用转速范围受驼峰、最大入力和最高转速限制为（+3.4%~+7.0%）nr（HI），入力调节量为68 MW；若最高扬程继续升高，则运行范围仅受最高转速和驼峰限制，入力调节能力继续减小；当最高扬程为535 m 时，仅能运行于+7.0%nr一个工况点J，入力调节量为0 MW。由此可见，随着最高扬程的增加，水泵入力调节能力减小，最终的运行范围将缩小为一个工况点。

综上可知：电站的扬程变幅对水泵工况运行范围有较大影响；扬程变幅越大，水泵工况的运行范围越大，但当扬程变幅过大时，最高和最低扬程附近的入力调节能力较小，因此，为了保证水泵工况具有较大的入力调节能力，变速抽水蓄能电站的扬程变幅不宜过大。

2.3 最大入力限制对变速范围的影响

当前水泵水轮机的最大入力限制值大多为机组容量的1.08~1.1 倍，对于变速抽水蓄能机组，最大入力限制取值可综合考虑电机容量及其对水泵工况入力调节能力的影响。图4 所示最大入力限制值为320 MW、330 MW、340 MW 对应的水泵工况运行范围，表3 为水泵不同最大入力限制值对应的运行范围、入力调节量及可用转速范围比较。

表3 不同入力限制值对应的运行范围、入力调节量及可用转速范围比较

图4 最大入力限制为320 MW、330 MW、340 MW 对应的水泵工况运行范围

由图4 和表3 可见：

最大入力限制为320 MW 时，水泵在整个扬程范围内均受最大入力限制，运行范围为AB1C1DA，最低扬程下可应用的转速范围为（-6.0%~+3.1%）nr（DC1），入力调节量为121 MW；最高扬程下可应用的转速范围为（+0.7%~+5.4%）nr（AB1），对应的入力调节量为75.7 MW。

最大入力限制为330 MW 时，水泵在整个扬程范围内均受最大入力限制，运行范围为ABCDA，最低扬程下可应用的转速范围为（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力调节量为131 MW；最高扬程下可应用的转速范围为（+0.7%~+6%）nr（AB），入力调节量为85.7 MW。

最大入力限制为340 MW 时，扬程高于438 m 的运行范围将受最大入力限制，运行范围为AB2ECDA，最低扬程下可应用的转速范围为（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力调节量为131 MW；最高扬程下可应用的转速范围（+0.7%~+6.8%）nr（AB2），入力调节量为95.7 MW。

由此可见，最大入力限制仅影响水泵工况高转速下的运行范围，通常来说，最大入力限制值越大，运行范围越大；对于变速水泵水轮机，可以适当选择较大的最大入力值，以扩大水泵工况的运行范围。

2.4 吸出高度对运行范围的影响

抽水蓄能电站吸出高度的选择既要考虑工程投资，又要考虑机组过渡过程及水泵工况空化问题，若电站安装变速机组，则还需考虑吸出高度对水泵工况运行范围的影响。图5 所示为吸出高度为-75 m和-70 m 对应的水泵工况运行范围，表4 为不同吸出高度对应的运行范围、入力调节量和实际可用的转速范围比较。

表4 不同吸出高度对应的运行范围、入力调节量和可用转速范围比较

图5 吸出高度为-75 m 和-70 m 对应的水泵运行范围

由图5 和表4 可见：

在小流量区域，吸出高度为-70 m 和-75 m 时，叶片背面空化限制线均在驼峰限制线左侧，水泵最高、最低扬程下实际可应用的最小转速受驼峰限制为+0.7%nr（A）、-6.0%nr（D），因此吸出高度为-70 m或-75 m 对水泵工况小流量区域基本无影响，若吸出高度继续减小，使得叶片背面空化限制线在驼峰限制线右侧，则水泵小流量区域的运行范围将随着吸出高度的减小而减小；在大流量区域，最高扬程运行范围仅受最大入力限制（B），而最低扬程运行范围受叶片正面空化限制：吸出高度为-75 m 时，最低扬程可应用的最大转速受最大入力和叶片正面空化限制为+3.8%nr（C），吸出高度为-70 m 时，最低扬程可应用的最大转速仅受叶片正面空化限制为+3.5%nr（C2），对应的入力调节量减小了5.3 MW。因此，对于该变速水泵水轮机，吸出高度的变化主要影响低扬程、大流量区域的运行范围，吸出高度变化5 m 将引起5 MW 左右的入力调节量变化，而当吸出高度过小时，吸出高度的变化也将影响小流量区域的运行范围。

由此可见：电站吸出高度越大，水泵水轮机自身空化性能越好，变速抽蓄机组水泵工况的运行范围受空化限制越小，对应的运行范围和入力调节能力越大；吸出高度（空化性能）主要影响水泵工况小流量区域以及低扬程大流量区域的运行范围，对高扬程大流量区域的运行范围基本无影响；对于水泵工况运行范围受空化限制的变速水泵水轮机，在水力设计方面可提高水泵水轮机的空化性能，在电站参数方面可选择较大的吸出高度，以扩大水泵工况的运行范围。

2.5 驼峰裕量对变速范围的影响

通常来说，1%~2%的驼峰裕量已足够保证水泵水轮机高扬程工况的运行稳定性，从国内外已投运的抽水蓄能电站运行情况来看，也没有出现因驼峰裕量不足而引发的水泵高扬程工况的稳定性问题。图6 所示为驼峰裕量按2%和1%考核时的水泵工况运行范围，表5 为不同驼峰裕量考核值对应的水泵工况运行范围、入力调节量及可用转速范围比较。

表5 不同驼峰裕量考核值对应的运行范围、入力调节量和可用转速范围比较

图6 驼峰裕量按2%和1%考核时的水泵工况运行范围

由图6 和表5 可见：

对于该水泵水轮机，由于叶片背面空化限制线在驼峰限制线外侧，所以最低扬程至最高扬程实际可应用的最小转速均受驼峰限制。驼峰裕量限制为2%时，水泵工况运行范围为ABCDA，最低扬程下可应用的转速范围为（-6.0%~+3.8%）nr（DC）；最高扬程下可应用的转速范围为（+0.7%~+6.0%）nr（AB）。驼峰裕量按1%考核时，水泵运行范围扩大为A1BCD1A1，最低扬程下可应用的转速范围为（-6.4%~+3.8%）nr（D1C）；最高扬程下可应用的转速范围为（+0.2%~+6.0%）nr（A1B）；最低、最高扬程下的入力调节量分别为139.1 MW、95.5 MW，比驼峰裕量按2%考核时增加了8.1 MW、9.8 MW。

由此可见，当水泵工况变速范围受驼峰限制时，驼峰裕量的变化对水泵工况实际应用的最小转速有影响；水泵水轮机自身驼峰裕量越大、驼峰裕量考核指标越小，则水泵工况运行范围越大；对于水泵运行范围受驼峰限制的变速水泵水轮机，为了扩大水泵工况的运行范围，一方面可在水力设计时提高水泵工况的驼峰裕量，另一方面，可适当降低驼峰裕量考核指标。

2.6 转轮直径变化对运行范围的影响

变速抽水蓄能机组转轮直径选择时需综合考虑能量性能、稳定性能和空化性能，并保证水泵工况具有较大的入力调节能力。图7 所示为转轮直径4.15 m对应的水泵工况运行范围，表6 为直径4.15 m 和4.10 m 对应的入力调节量和可用转速范围比较。

表6 不同直径对应的入力调节量和可用转速范围比较

图7 转轮直径为4.15 m 对应的水泵运行范围

由图1、图7和表6可见：直径为4.10 m时，最高、最低扬程下转速变化范围分别为(+0.7%~+6.0%)nr、(-6.0%~+3.8%)nr，对应的入力调节量分别为85.7 M和131 MW，实际应用的转速范围为(-6%~+6.0%)nr；直径为4.15 m 时，最高、最低扬程下的转速变化范围分别为(-0.5%~+4.2%)nr、 (-7%~+1.9%)nr，对应的入力调节量分别为80 M 和123 MW，比直径4.10 m方案分别减小了5.7 MW 和8 MW，实际应用的转速范围为(-7%~+4.2%)nr。

由此可见，真机转轮直径大小对水泵工况运行范围和入力调节能力有较大影响，因此，在变速机组选型阶段，应分析不同转轮直径下的水泵工况运行范围、入力调节能力以及机组的能量性能和稳定性能，据此确定出可使综合性能最优的转轮直径。目前国内外安装变速机组的抽水蓄能电站均同时安装有定速机组，考虑电站建设以及机组制造、安装、维护便利及成本等问题，定速和变速机组可采用同一水力模型、同一转轮直径，但在转轮直径选择时则需综合评判定速和变速水泵水轮机的水力性能参数，以此确定出使定速和变速水泵水轮机均具有较高综合性能的转轮直径。