劉德民，段昌德，趙永智，荀洪運

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽618000）

1 介紹

對于抽水蓄能電站而言，前期的選型設(shè)計直接影響著后續(xù)機(jī)組的研發(fā)設(shè)計，可以說一個好的選型參數(shù)方案將會為機(jī)組的設(shè)計帶來非常有利的輸入條件。對于水泵水輪機(jī)而言，它兼具水輪機(jī)和水泵兩個功能。但是它的屬性還是受水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和水泵比轉(zhuǎn)數(shù)的影響。目前機(jī)組的選型，特別是前期參數(shù)的選擇大多基于以往的經(jīng)驗進(jìn)行選擇。這里存在的問題就是，如果前期經(jīng)驗豐富，則機(jī)組選型的方案會比較好，反之則由于樣本點的缺乏，會導(dǎo)致選型方案有時會出現(xiàn)偏差。另外前期選型方案的制定，設(shè)計院的經(jīng)驗很重要，業(yè)主方從整體工程的角度考慮對機(jī)組參數(shù)方案的制定進(jìn)行決策。本文只限于從水力設(shè)計的角度對前期選型方案的制定提供一些建議。

2 比轉(zhuǎn)速的確定

比轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)是水泵水輪機(jī)的兩個重要參數(shù)，它直接決定著水泵水輪機(jī)的機(jī)組性能。水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速一般由設(shè)計點來決定，是設(shè)計水頭的函數(shù)，因此設(shè)計水頭的選擇對比轉(zhuǎn)速有比較大的影響。

水輪機(jī)工況比轉(zhuǎn)速計算公式為：

比速系數(shù)反映了水輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展，如圖1從全世界來看，比速系數(shù)不超過2 800，中國的設(shè)計水平最大不超過2 700。從工程運行的效果來看，基本上工程運行的都不錯，說明目前的選擇是很理性的。“十二五”和“十三五”期間，從建設(shè)高水頭水泵水輪機(jī)來看，比速系數(shù)在2 200～2 400之間。

圖1 比速系數(shù)的選擇

比速系數(shù)和設(shè)計水頭的關(guān)系如公式（3）所示：

對于水泵水輪機(jī)而言，比轉(zhuǎn)速基本上都是大于80 m·kW，如圖2。對于400～600 m水頭段的抽水蓄能電站而言，比轉(zhuǎn)速在90～120 m·kW。對于水頭600 m以上的抽水蓄能電站而言，比轉(zhuǎn)速在80～90 m·kW 之間。

比轉(zhuǎn)速和設(shè)計水頭的關(guān)系如公式（4）所示：

圖2 比轉(zhuǎn)速的選擇

在同樣的條件下，比轉(zhuǎn)速適當(dāng)選擇大一點對水力設(shè)計比較有利，可以作出性能更優(yōu)異的機(jī)組。但是需要同時兼顧發(fā)電機(jī)的性能，因此比轉(zhuǎn)速的高低以適中為原則，兼顧先進(jìn)性和穩(wěn)定性。

3 額定水頭的確定

通常來說，對于日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，額定水頭通常按算術(shù)平均水頭選擇，對于周或月調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，可選擇高于平均水頭的某個水頭。根據(jù)最大水頭Hmax與最小水頭Hmin之比及最大水頭Hmax與額定水頭Hr之比的統(tǒng)計經(jīng)驗，在400～700 m水頭段，Hmax/Hmin比值變化范圍約在1.10～1.20之間，Hmax/Hr比值多在1.03～1.11之間。這些統(tǒng)計規(guī)律具有一定的參考意義。

然而額定水頭的選定基本上是規(guī)劃部門在電站規(guī)劃設(shè)計的初期就確定的，盡管這一過程中通常會以復(fù)詢的方式咨詢一下機(jī)組廠家的經(jīng)驗。但是僅僅是咨詢而已，最后是否采用，則廠家的話語權(quán)非常低。

僅從水力設(shè)計的角度上看，它的選擇對水輪機(jī)運行的額定點位置有重要影響，選取高一點的額定水頭一般會伴隨著轉(zhuǎn)輪直徑減小，使其運行范圍向最優(yōu)工況靠近，有利于改善水輪機(jī)的加權(quán)平均效率，提高水力穩(wěn)定性。另外，額定水頭的合理選擇還可改善水輪機(jī)與水泵工況的參數(shù)匹配關(guān)系。所以額定水頭的選擇和機(jī)組的運行穩(wěn)定性密切相關(guān)，額定水頭的選擇最好能兼顧水力開發(fā)的特點進(jìn)行選擇。

下面通過一個例子看一下額定水頭的選擇對機(jī)組性能的影響。某一電站，初定額定水頭為545 m，如果該額定水頭提高10 m，定為555 m。會看到機(jī)組的整個運行范圍更接近最優(yōu)效率點。也就是說機(jī)組的運行范圍更接近高效運行區(qū)。這樣帶來的好處就是，在同一水力模型的基礎(chǔ)上，水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率提高，壓力脈動得到改善，特別是最低水頭所在的壓力脈動得到很大的改善，對于水輪機(jī)S形曲線的安全余量也得到了改善。同時，水泵工況的駝峰、壓力脈動和空化性能也不會受到影響。

圖3 額定水頭的選擇

4 額定轉(zhuǎn)速的確定

在電站特征水頭及機(jī)組出力已定的條件下，額定轉(zhuǎn)速的選擇實際上就是比轉(zhuǎn)速的選擇，而比轉(zhuǎn)速水平對水泵水輪機(jī)的能量、空化、水力穩(wěn)定性等主要水力性能乃至過流部件的幾何參數(shù)選擇都有重要影響。合理選取額定轉(zhuǎn)速對機(jī)組安全穩(wěn)定運行有重要意義。

對于比轉(zhuǎn)速希望選擇大一點，額定水頭的選擇希望高一點，這就帶來一定的矛盾，要提高比轉(zhuǎn)速只能依靠提高轉(zhuǎn)速和額定容量來實現(xiàn)。然而額定容量是由電力規(guī)劃部門確定的，不容易修改。并且電站業(yè)主的意愿上更愿意單機(jī)容量做大。在方案選擇時，就額定容量而言，尚留的挖潛余地并不大。因此提高比轉(zhuǎn)速的重任就落在了提高額定轉(zhuǎn)速上。

如某電站額定轉(zhuǎn)速為500 r/min和600 r/min兩檔。從比轉(zhuǎn)速角度而言，600 r/min的方案比轉(zhuǎn)速肯定高于500 r/min，這對水力設(shè)計的整體非常有利。如圖4比較的600 r/min的方案和500 r/min，可以看到600 r/min的最優(yōu)效率高于500 r/min最優(yōu)效率0.5%，并且最優(yōu)點的位置高0.5 r/min，因此可以提高加權(quán)平均效率。另外對機(jī)組的四象限曲線的形狀也有很大改善，即大開度的S形安全余量更大，對機(jī)組的過渡過程有利，如圖5。

圖4 額定轉(zhuǎn)速對運行范圍的影響

圖5 額定轉(zhuǎn)速對四象限曲線的影響

在帶來好處的同時，必須看到600 r/min的設(shè)計方案給電機(jī)的設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)。

5 水頭變幅

對于定速抽水蓄能機(jī)組而言，最大的軟肋就是水頭變幅過大后帶來的壓力脈動過大和不容易保證機(jī)組在全工況范圍內(nèi)無空化運行。因此定速抽水蓄能機(jī)組，適應(yīng)水頭變幅是在一定限度內(nèi)。

對于水頭變幅采用的比值有點區(qū)別，有的采用水輪機(jī)模型下的最高水頭HTmax/最低水頭HTmin，有的采用水泵模式下的最高揚程Hpmax/最低揚程HPmin。由于凈揚程和毛揚程存在著損失差，建議采用Hpmax/HTmin，這樣比較好的反應(yīng)機(jī)組特性，能體現(xiàn)機(jī)組最大承受的電站上游水位的變化。

瑞士EW建議Hpmax/HTmin≤1.2，最大不超過1.4。

美國墾務(wù)局R.S.stelzer建議抽水蓄能的水泵工況揚程變幅如表1所示。

表1 美國墾務(wù)局R.S.stelzer建議抽水蓄能的水泵工況揚程變幅

抽水蓄能設(shè)計導(dǎo)則建議抽水蓄能的水輪機(jī)工況水頭變幅如表2所示：

表2 導(dǎo)則建議抽水蓄能的水輪機(jī)工況水頭變幅

應(yīng)盡量減小Hmax/Hmin，國內(nèi)一般控制在1.2左右，目前600 m水頭以上多在1.13以下，日本神流川和葛野川均在1.1。中國西龍池、績溪、敦化、長龍山和陽江均在1.10～1.13。

當(dāng)然水頭變幅大的電站對于減少電站投資有利，如果追求過大的電站變幅和較好的經(jīng)濟(jì)效益，最好采用變速抽水蓄能機(jī)組。

6 吸出高度Hs

吸出高度是保證抽水蓄能電站無空化運行的根本條件，目前對抽水蓄能電站的空化要求σp/σi≥ 1.05。

最低的吸出高度由水泵的最高揚程控制，如圖6所示。一般抽水蓄能電站揚程變幅越大，要求的吸出高度Hs越大。

圖6 吸出高度的選擇

水輪機(jī)甩負(fù)荷時，會產(chǎn)生壓力下降，嚴(yán)重時會產(chǎn)生水柱分離，一定的吸出高度是保證不出現(xiàn)水柱分離的先決條件。日本采用公式（5）作為選擇吸出高度的準(zhǔn)則

在中國，根據(jù)抽水蓄能技術(shù)導(dǎo)則2014的規(guī)定，尾水管通過設(shè)置調(diào)壓井避免產(chǎn)生水柱分離條件為：

該公式由于歷史原因，量綱并不和諧，在該公式中增添重力加速度g項如公式（7），保證了量綱和諧。

高的吸出高度在壓氣調(diào)相運行時會產(chǎn)生劇烈的空化漩渦，導(dǎo)致尾水管水面產(chǎn)生擾動，會造成漏氣增加，增加尾水管的高度會減小漏氣損失，一般要求尾水管的高度不小于10 m。

如果單純從滿足抽水蓄能機(jī)組無空化運行的角度，吸出高度的要求并不高。但是由于目前的抽水蓄能機(jī)組越來越傾向于一管多機(jī)，運行的工況比較多，為了保證機(jī)組在實際運行時的過渡過程特性，因此需要比較大的吸出高度。

7 壓力脈動

壓力脈動是決定機(jī)組穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，其壓力脈動的特征頻率是清楚的，這就要求抽水蓄能電站在設(shè)計時土建廠房的固有頻率和水力頻率一定要有足夠的錯頻余量。另外壓力脈動的幅值一定要控制在合理的范圍內(nèi)。這對抽水蓄能機(jī)組而言尤為重要。對于抽水蓄能機(jī)組各部位的壓力脈動特點不同。

蝸殼進(jìn)口的壓力脈動，一般蝸殼本身內(nèi)的流動不會產(chǎn)生任何類型的壓力脈動，在其測量到的壓力脈動往往是其他部位傳遞而來。如尾水管內(nèi)水體共振傳來的壓力脈動，無葉區(qū)動靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動。

尾水管內(nèi)壓力脈動，分為同步和非同步壓力脈動，對機(jī)組的振動和擺度會產(chǎn)生影響。由于吸出高度很高，不會產(chǎn)生高部分負(fù)荷壓力脈動。

頂蓋壓力脈動，一般是轉(zhuǎn)輪上密封間隙壓力脈動和弓狀回旋引起的壓力脈動，頻率為一倍轉(zhuǎn)頻，與水力特性無關(guān)。通過優(yōu)化頂蓋結(jié)構(gòu)，控制頂蓋和轉(zhuǎn)輪上冠之間的距離以及軸系的穩(wěn)定性，同時盡量減弱無葉區(qū)壓力脈動傳遞到頂蓋區(qū)域，從而控制頂蓋內(nèi)的壓力脈動。

無葉區(qū)（導(dǎo)葉后和轉(zhuǎn)輪前）內(nèi)的壓力脈動，是水泵水輪機(jī)內(nèi)最重要的壓力脈動，主頻為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)通過頻率或者諧頻。是轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉出口不均勻流場相互干涉的結(jié)果，可在流場中向上下游傳播。

目前招標(biāo)條件中對無葉區(qū)壓力脈動的規(guī)定，有的采用分區(qū)的模式，即以額定水頭為界，最低水頭到額定水頭為一個分區(qū)，額定水頭到最高水頭為一個分區(qū)。

例如某電站的壓力脈動招標(biāo)條件劃分為，如表3所示，通過對水頭的劃分對抽水蓄能機(jī)組不同區(qū)域的壓力脈動提出要求?？梢哉f目前抽水蓄能機(jī)組在國內(nèi)實現(xiàn)了對全功率運行區(qū)壓力脈動的規(guī)定，無死角保證機(jī)組的穩(wěn)定性。

表3 招標(biāo)條件中對壓力脈動分區(qū)的劃分

8 加權(quán)因子

加權(quán)因子是影響機(jī)組性能的關(guān)鍵要素，尤其是高加權(quán)因子點的分布是影響機(jī)組設(shè)計的重要因素。對于常規(guī)機(jī)組而言，加權(quán)平均效率是影響電站經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。因此業(yè)主尤其希望加權(quán)平均效率高，可以獲得更多經(jīng)濟(jì)效益。然而對于目前的抽水蓄能電站而言，經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)電效率并不掛鉤。經(jīng)濟(jì)效益和保障電網(wǎng)的安全性掛鉤。就目前電站的加權(quán)因子分布而言，高加權(quán)因子的分布集中靠近額定點的80%以上負(fù)荷。而對電站的實際情況而言，為了保障電網(wǎng)的安全要求，抽水蓄能機(jī)組經(jīng)常運行在40%～70%的負(fù)荷區(qū)間。根據(jù)加權(quán)因子的分布，對于廠家水力設(shè)計而言，必須將機(jī)組的高效區(qū)靠近70%～100%負(fù)荷區(qū)間。然而從機(jī)組的實際運行而言，需要在40%～70%的負(fù)荷區(qū)間高頻率運行，而這一區(qū)域的壓力脈動、振動和噪音都比較大。

如表4和表5比較而言，就電站加權(quán)因子的分布來看，甲電站的加權(quán)因子分布有利于提高加權(quán)平均效率，乙電站的加權(quán)因子分布有利于改善部分負(fù)荷的壓力脈動。

表4 甲電站水輪機(jī)工況效率加權(quán)因子

表5 乙電站水輪機(jī)工況效率加權(quán)因子

目前對水泵工況的設(shè)計而言，對于超過700 m的超高水頭抽水蓄能電站而言，為了保障機(jī)組在水輪機(jī)工況的穩(wěn)定性，往往把水泵的最優(yōu)點位置放置在最低揚程附近，沒有集中在最高揚程和最低揚程的中間區(qū)域。這樣保證機(jī)組的安全穩(wěn)定。對于400 m水頭段的水泵最優(yōu)點是處于最高揚程和最低揚程之間的區(qū)域。從這個角度而言，表6的丙電站加權(quán)因子分布適合700 m水頭段的抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)計，表7適合400 m水頭段的抽水蓄能電站設(shè)計。

表6 丙電站水泵工況效率加權(quán)因子

表7 丁電站水泵工況效率加權(quán)因子

因此建議實際運行需要和電站的設(shè)計需要有機(jī)結(jié)合起來。使得加權(quán)因子在主要運行區(qū)分布的更合理，更便于保障機(jī)組的穩(wěn)定運行需求。

9 結(jié)論

本文從水力設(shè)計的角度，對機(jī)組初期選型的一些基本參數(shù)，提出了一些建議。參數(shù)的選擇是基于以往的工程數(shù)據(jù)和設(shè)計經(jīng)驗提出的，供業(yè)界參考。