馬新紅 齊慧卿 李繼承 毋飛翔 邢侃侃

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東濟(jì)南 250000)

抽水蓄能電站建設(shè)水平逐步提高，高水頭大容量的特征顯現(xiàn)，配套輸水系統(tǒng)管徑的控制直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效果和電站投資。管徑選擇是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，需要考慮電量價(jià)格、水頭損失、水擊壓力等多項(xiàng)因素，應(yīng)盡可能地以統(tǒng)籌兼顧的理念進(jìn)行管徑的合理化選擇。管徑偏小，成本降低，但輸水系統(tǒng)水頭損失現(xiàn)象異常明顯，輸水系統(tǒng)工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性不足，抽水蓄能泵站欠缺靈活性；管徑過大，有利于輸水系統(tǒng)乃至抽水蓄能泵站的整體運(yùn)行，但成本投入高，缺乏經(jīng)濟(jì)效益。因此，經(jīng)濟(jì)管徑的合理選擇至關(guān)重要，需要在此方面做定量分析，確定最具可行性的管徑，保證基礎(chǔ)設(shè)施的有效運(yùn)行和成本的強(qiáng)化控制效果，提升綜合效益。

1 項(xiàng)目概況

某抽水蓄能電站，機(jī)組額定水頭為640 m，配置的是300 MW豎軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組。輸水系統(tǒng)總長約1 850 m，在距廠房約54 m 處規(guī)劃高壓岔管，引水系統(tǒng)供水方式為“一管兩機(jī)”。尾水隧洞“一機(jī)一洞”，立面布置上、下兩處斜井，各自與水平面夾角分別為56°、60°[1]。斜井、高壓管道與尾水隧洞的上平段施工均采用后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，除其他結(jié)構(gòu)外以鋼板為基礎(chǔ)材料建設(shè)成型。

2 抽水蓄能電站的特點(diǎn)

（1）以日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)的方式居多，對(duì)水源的需求量較少，因此在選址時(shí)無須過多地考慮水源供應(yīng)問題。由于選址的制約條件減少，易尋找到水頭較高的站址。

（2）可逆式蓄能機(jī)組適用的水頭范圍較大，適應(yīng)能力強(qiáng)。電站輸水管道及機(jī)電設(shè)備的成本得到有效控制。隨著應(yīng)用水頭的提高，單位千瓦的蓄能電站建造成本降低，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢突出。因此，從成本控制的角度來看，蓄能電站將逐步朝著高水頭方向發(fā)展[2]。

（3）大直徑、高水頭的輸水道建設(shè)方式多樣化，常見有平整襯砌、預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌等方法，根據(jù)實(shí)際建設(shè)條件做合理的選擇，有效減少高水頭輸水道的建設(shè)成本。

（4）電力系統(tǒng)的輸電電壓達(dá)到500 kV 乃至更大，電能向較遠(yuǎn)用戶輸送過程中的線路損耗較小，資源浪費(fèi)量較少。因此，若由于條件限制而缺乏適宜的站址時(shí)，可以考慮在距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)區(qū)域修筑蓄能電站的方法。

（5）蓄能機(jī)組需有足夠的淹沒深度，普遍達(dá)-70 m，地面廠房施工的難度增加，在此建設(shè)環(huán)境下，抽水蓄能電站更多的是采用地下廠房。

（6）抽水蓄能電站的庫水位變化頻繁，通常以山頂開挖的方式形成上水庫，使用過程中可能有滲漏現(xiàn)象。

3 抽水蓄能電站的關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)電站規(guī)模、建設(shè)期等帶來影響的參數(shù)均是抽水蓄能電站參數(shù)分析的重點(diǎn)考慮對(duì)象。抽水蓄能電站無徑流電能，主要根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)裝機(jī)容量的要求確定電站規(guī)模，并選擇合適的位置進(jìn)行引水系統(tǒng)和抽水蓄能電站的修建，確保建設(shè)成型的電站同時(shí)滿足裝機(jī)容量、水庫庫容等方面的要求。

上水庫和下水庫是抽水蓄能電站的重要組成部分。上水庫的特征水位：一是正常蓄水位，指的是正常狀態(tài)下蓄水的最高水位；二是死水位，即水庫水位消落的極限值，兩者的高程差則指的是水庫深度，水位間的庫容為蓄能庫容。對(duì)于下水庫，絕大部分情況下也存在正常蓄水位和死水位兩種特征水位，部分下水庫采用的是大規(guī)模的湖泊，水位雖然有所變化但幅度較小，因此可將水位視為常數(shù)，不特定區(qū)分蓄水位和死水位[3]。

抽水蓄能電站關(guān)鍵參數(shù)的選擇是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，所需考慮的因素豐富，需要富有條理地進(jìn)行分析，例如考慮主次關(guān)系，針對(duì)確定的參數(shù)做精細(xì)化的修正，最終確定合適的參數(shù)方案。

（1）上水庫正常蓄水位和死水位的變化范圍根據(jù)建筑物的布置形式、現(xiàn)場地形、地質(zhì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素而定，即設(shè)定正常極限正常蓄水位和極限死水位，在此基礎(chǔ)上確定最大可能蓄能庫容值。同理，也需明確下水位的極限正常蓄水位和極限死水位。在確定上、下水庫的兩項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)后，協(xié)調(diào)各自的庫容值、極限正常蓄水位值，目的在于使蓄能庫容基本保持一致。

（2）特征水頭值按照以下思路確定：最小毛水頭，上水庫極限死水位與下水庫正常蓄水位的差值；最大毛水頭，上水庫正常蓄水位與下水庫極限死水位的差值。在確定兩個(gè)特征水頭后，進(jìn)一步明確平均水頭。雙向水流的水力損失根據(jù)初步規(guī)劃的水道系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定水泵水輪機(jī)的工作水頭。

（3）在明確蓄能庫容值和平均水頭后，計(jì)算最大可能蓄能量Es。從日負(fù)荷圖低谷中確定最大抽水容量值，以保證抽水蓄能功能的正常實(shí)現(xiàn)。

4 輸水系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的評(píng)價(jià)

在電網(wǎng)中，抽水蓄能電站的功能包含填谷、調(diào)峰、調(diào)頻等，電站的經(jīng)濟(jì)性主要受到自身運(yùn)行能力和建設(shè)階段投資兩項(xiàng)因素的影響，其中運(yùn)行能力著重指的是在電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)電站所具備的響應(yīng)性能。水泵水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是適應(yīng)不同工況的方式，要求調(diào)節(jié)具有穩(wěn)定性，而達(dá)到此效果的關(guān)鍵在于保證輸水系統(tǒng)布置方式、機(jī)組特性等的合理性[4]。

評(píng)價(jià)輸水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能至關(guān)重要，基本思路是確定高壓管道中水擊壓力允許值和導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts，根據(jù)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行判斷。常規(guī)電站水頭通常在200 m以內(nèi)，按照如下公式計(jì)算，確定未相水擊壓力（hm）：

基于式（1）、式（2），確定慣性時(shí)間常數(shù)Tw。

水輪機(jī)甩負(fù)荷工況是決定抽水蓄能電站最高水擊壓力的關(guān)鍵因素，過渡過程計(jì)算可采用與常規(guī)電站一致的方法。抽水蓄能電站的水頭較高，從成本控制的角度來看，經(jīng)濟(jì)水頭通常達(dá)到300～400 m，輸水系統(tǒng)水擊類型以第一相水擊居多，有如下公式：

式（4）中：h1為第一相水擊壓力相對(duì)值；a為水擊波波速；τ0為導(dǎo)葉的起始相對(duì)開度。

按公式（6）計(jì)算，確定慣性時(shí)間常數(shù)Tw：

μτ0＜1 時(shí)為未相水擊，μτ0＞1 時(shí)為第一相水擊，μτ0＝1時(shí)兩相水擊壓力一致。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間相同時(shí)，水擊壓力保持一致，Tw值由于水擊類型的不同而發(fā)生變化，具有第一相水擊的Tw低于未相的特點(diǎn)。換言之，蓄能電站輸水系統(tǒng)必須具有突出的調(diào)節(jié)性能，為之增設(shè)的調(diào)壓井穩(wěn)定可靠，在此方面比常規(guī)電站的配置方式更加嚴(yán)格。

電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化后，抽水蓄能電站需根據(jù)當(dāng)前工況及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，需根據(jù)輸水系統(tǒng)、機(jī)組與控制設(shè)備參數(shù)選擇進(jìn)行迅速響應(yīng)能力的控制。為保證響應(yīng)的及時(shí)性和有效性，著重做好機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta和Tw兩項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)工作[5]。參考《水電站調(diào)壓井規(guī)范》，根據(jù)規(guī)范給出的調(diào)速性能推薦區(qū)間和工程項(xiàng)目的具體狀況進(jìn)行合理的參數(shù)取值，但調(diào)節(jié)性能的控制必須比常規(guī)電站更加嚴(yán)格，以保證調(diào)節(jié)的有效性。在設(shè)定輸水系統(tǒng)的參數(shù)后，需要保證輸水系統(tǒng)具備優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能[6]。

根據(jù)工程類比和機(jī)組技術(shù)咨詢資料確定機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta，參考《水電站調(diào)壓井規(guī)范》推薦的調(diào)速性能控制區(qū)間，經(jīng)過對(duì)比分析后合理設(shè)定調(diào)壓井間的[Tw]，再基于此設(shè)定結(jié)構(gòu)計(jì)算初擬管徑方案的Tw，對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)做對(duì)比分析，若具備Tw＜[Tw]的關(guān)系，表明方案具有可行性，否則加以調(diào)整，直至達(dá)到Tw＜[Tw]的要求為止。

5 輸水系統(tǒng)管徑方案的擬定思路

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的水頭較高，為保證成本控制效果，在設(shè)計(jì)高壓管道時(shí)通常采用的是多種管徑相組合的方案。綜合考慮輸水系統(tǒng)的布置、地質(zhì)條件、長度、對(duì)過渡過程適應(yīng)性等因素，確定合適的管徑變化次數(shù)，協(xié)調(diào)好每次管徑變化的位置。經(jīng)驗(yàn)表明：變徑次數(shù)為2～4次較為可行。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初擬管徑，按照電站設(shè)計(jì)水頭的2%～5%控制輸水系統(tǒng)水頭損失，確保建設(shè)成型后的輸水系統(tǒng)的實(shí)際水頭損失不超過該區(qū)間。在獲得初擬管徑的參數(shù)后，生成多組管徑方案，供對(duì)比分析使用。

6 經(jīng)濟(jì)管徑的對(duì)比分析

不同管徑方案的配置方式存在差異，各自的水頭損失不盡相同。具體至抽水用電量、發(fā)電量、土建費(fèi)用各項(xiàng)細(xì)分指標(biāo)方面，也存在一定程度的差異。計(jì)算各方案的費(fèi)用限值，從電站綜合效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、輸水系統(tǒng)水頭損失多方面做對(duì)比分析，經(jīng)過優(yōu)中選優(yōu)后確定最為合適的方案。在可行性研究階段，對(duì)輸水系統(tǒng)做劃分處理，以便針對(duì)各部分做出相應(yīng)分析（上平段、尾水隧洞及上下斜井）。經(jīng)過管段劃分后，分別擬定各管段的管徑方案，根據(jù)綜合應(yīng)用效果最佳化的原則進(jìn)行組合應(yīng)用，確定最佳的方案。各方案的具體情況見表1。

表1 輸水系統(tǒng)管徑組合方案表

圍繞表1展開分析，從成本控制的角度來看，可直觀發(fā)現(xiàn)方案3 的費(fèi)用現(xiàn)值最低。同時(shí)，還可明確的內(nèi)容具體敘述如下。

（1）相比電站設(shè)計(jì)水頭，方案3 的水頭損失占6%（38 m），電站的綜合效率為0.7。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水頭損失通?？刂圃陔娬驹O(shè)計(jì)水頭的2%～5%區(qū)間內(nèi)，而方案3的水頭損失達(dá)到6%，超過該區(qū)間，因此認(rèn)為方案3 存在明顯的水頭損失問題，電站的綜合效率較低。

（2）在工程類比的基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)交流成果，認(rèn)為Ta=8.3 s 較為合適。根據(jù)《水電站調(diào)壓井規(guī)范》的調(diào)速性能區(qū)間做對(duì)比分析，若輸水系統(tǒng)處于推薦的區(qū)間內(nèi)，則Tw不宜超過2.5 s，具體至方案3 中，有Tw=2.7 s，超出規(guī)范規(guī)定的調(diào)速性能良好區(qū)間，因此從Tw指標(biāo)來看方案3 也缺乏可行性，并非本抽水蓄能電站的優(yōu)質(zhì)方案。

經(jīng)過對(duì)各項(xiàng)方案的依次分析后，認(rèn)為方案1、2、3、10、11、19缺乏可行性。從費(fèi)用現(xiàn)值的角度來看，方案6 最具可行性，此方案下的輸水系統(tǒng)水頭損失占電站設(shè)計(jì)水頭的3.6%（22.43 m），綜合效率為0.7，慣性時(shí)間常數(shù)Tw=2.3 s＜2.5 s，在具備優(yōu)良調(diào)節(jié)性能的同時(shí)還彰顯出良好的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。因此，無論從性能還是成本控制的角度來看，方案6 均是較為合適的抽水蓄能電站管徑方案。

抽水蓄能電站的鋼板襯砌厚度較大，最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓在10 MPa 以上，為減小高壓管道的PD 值以及降低高壓鋼管的建造難度，在方案6的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化。將直徑為3.8 m 的下斜井劃分為上、下兩段，各段直徑分別為4.2 m、3.5 m，在此優(yōu)化方式下，相比方案6可減少的建造成本達(dá)到52 萬元；水頭損失由原本的22.3 m減小至20 m，在此方面有一定的改善；電站綜合效率增加至0.8，Tw=2.0 s，PD值降低；不僅于此，在此優(yōu)化方式下，高壓鋼管的設(shè)計(jì)、制造及安裝難度均降低，對(duì)工程施工較為友好。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，上平段及上斜井為4.7 m，下斜井下段及下平段為3.5 m，中平段及下斜井上段為4.2 m，尾水隧洞4.3 m，高壓支管2.5 m。經(jīng)過對(duì)輸水系統(tǒng)管徑的復(fù)核后，僅將上平段由原本的4.7 m管徑調(diào)整至5.2 m，除其他部位外并未發(fā)生改變，仍采用的是可行性研究階段的成果。輸水系統(tǒng)過渡過程分析結(jié)果顯示，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速、最大水擊壓力的上升率分別為43%、26%，均在許可范圍內(nèi)，方案具有可行性。

6 結(jié)論

經(jīng)過文章的分析，做如下總結(jié)。

（1）相比于常規(guī)電站，抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能要求更高。在控制調(diào)速性能時(shí)，需要參考《水電站調(diào)壓井規(guī)范》，保證建成的抽水蓄能電站的調(diào)速性能穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)。抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)水頭超過700 m 時(shí)，輸水系統(tǒng)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪的適應(yīng)性較好，雖然建造成本有所增加，但若工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)條件允許，電站總體性能將達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，建設(shè)和運(yùn)行期間輸水系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的制約作用減弱，機(jī)組的性能優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

（2）經(jīng)濟(jì)管徑的設(shè)定是抽水蓄能泵站設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)考慮對(duì)象，在擬定經(jīng)濟(jì)管徑方案后，對(duì)比分析各自的調(diào)節(jié)性能，根據(jù)此方面的性能評(píng)價(jià)方案的可行性。Ta和Tw是重點(diǎn)考慮指標(biāo)，需加以計(jì)算，再進(jìn)行過渡過程分析。輸水系統(tǒng)的調(diào)速性能必須合理，根據(jù)《水電站調(diào)壓井規(guī)范》予以控制，保證調(diào)速性能在合理的區(qū)間內(nèi)。同時(shí)，在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)管徑方案的可行性時(shí)，也可以將調(diào)速性能作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，判斷是否在《水電站調(diào)壓井規(guī)范》推薦的區(qū)間內(nèi)。

（3）抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)管徑對(duì)比分析是一項(xiàng)復(fù)雜度較高的工作，需要以保證裝置性能穩(wěn)定、可靠為前提進(jìn)行，強(qiáng)化成本控制，以便取得突出的綜合應(yīng)用效果。