楊 昭，郭樹良，蘇建峰，趙 妍，姚 虎，程禮彬

（1.國家電投集團陜西新能源有限公司，陜西 西安 710000；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 電站技術(shù)參數(shù)

曹坪抽水蓄能電站位于陜西省商洛市柞水縣曹坪鎮(zhèn)境內(nèi)，地處西北電網(wǎng)負荷中心區(qū)域附近。電站總裝機1 400 MW，具備日調(diào)節(jié)性能，電站建成后將主要承擔陜西電網(wǎng)調(diào)峰填谷、儲能、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等任務(wù)[1-3]。

電站樞紐主要由上水庫、 下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面出線站等建筑物組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)引水和尾水系統(tǒng)均采用一洞兩機布置，地下廠房采用尾部布置方案。

（1）水位

上水庫正常蓄水位 1 415.00 m

上水庫死水位 1 388.00 m

下水庫正常蓄水位 992.00 m

下水庫死水位 963.00 m

（2） 水頭

額定水頭 413.00 m

最大毛水頭 452.00 m

平均毛水頭 424.00 m

最小毛水頭 396.00 m

本電站毛水頭為 396.00~452.00 m，根據(jù)規(guī)范及國內(nèi)外抽水蓄能電站的統(tǒng)計分析，本電站選擇單級混流式水泵水輪機。電站裝機容量1 400 MW，采用4臺單機容量為350 MW的立軸、單級、單轉(zhuǎn)速混流可逆式機組。

2 水泵水輪機主要參數(shù)選擇

2.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的選擇

比轉(zhuǎn)速是描述水泵水輪機性能參數(shù)和幾何形狀等方面的綜合性參數(shù)，它綜合反映了轉(zhuǎn)輪的尺寸、形狀、流道過流能力、空蝕性能和能量指標。

（1）統(tǒng)計公式計算比轉(zhuǎn)速

國內(nèi)外對水泵水輪機的特性參數(shù)選擇作了很多統(tǒng)計，用不同統(tǒng)計公式分別計算得到的曹坪抽水蓄能電站水輪機工況額定水頭比轉(zhuǎn)速范圍為87.0~109.2 m·kW；水泵工況最低揚程比轉(zhuǎn)速為31.8~42.7 m·m3/s。這些統(tǒng)計公式的計算結(jié)果代表不同年代投產(chǎn)的水泵水輪機參數(shù)平均水平，參數(shù)水平分布較廣；曹坪抽水蓄能電站水泵水輪機比轉(zhuǎn)速的選擇將更多地參照近期國內(nèi)外投入運行類似水頭段的水泵水輪機的設(shè)計和制造水平，并結(jié)合發(fā)電電動機同步轉(zhuǎn)速來選定。

（2）統(tǒng)計曲線法分析比轉(zhuǎn)速參數(shù)

為了了解可逆式水泵水輪機的設(shè)計制造水平，我們統(tǒng)計了國內(nèi)部分該水頭段的抽水蓄能電站水泵水輪機的主要參數(shù)、Hp~nq、Ht~ns關(guān)系曲線，見圖1、圖2。國內(nèi)外已投運相近水頭段抽水蓄能電站水輪機額定工況下比速系數(shù)大部分處于1 940~2 644之間，水泵工況最低揚程下比速系數(shù)大部分處于2 769~3 624之間。

圖1 水輪機比轉(zhuǎn)速與水頭關(guān)系曲線

圖2 水泵比轉(zhuǎn)速和揚程關(guān)系曲線

綜合分析，本階段同時參考了類似電站參數(shù)和制造廠提供的技術(shù)參數(shù)進行比較分析，水輪機額定工況下比速系數(shù)Kt擬在2 100~2 550之間選擇，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns在103.3~125.5 m·kW之間；水泵工況最低揚程下比速系數(shù)Kp擬在3 000~3 600之間選擇，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速nq在33.5~40.1 m·m3/s之間。

2.2 額定轉(zhuǎn)速方案比選

從水泵水輪機可選取的比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)以及發(fā)電電動機同步轉(zhuǎn)速檔次來看，本電站機組可選擇的額定轉(zhuǎn)速方案有333.3 r/min和375 r/min,兩種轉(zhuǎn)速方案的詳細經(jīng)濟性比較結(jié)果見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速方案參數(shù)水平比較表

轉(zhuǎn)速為375 r/min時，參數(shù)水平略低于同水頭段的周寧抽水蓄能電站水泵水輪機，在該水頭段參數(shù)中處于中等偏上水平；轉(zhuǎn)速為333.3 r/min時，參數(shù)在該水頭段處于相對偏低的參數(shù)水平，同時機組尺寸和廠房較大，投資相應(yīng)較大。隨著機組額定轉(zhuǎn)速的提高，機組尺寸減小、重量減輕，機組造價相應(yīng)減少，同時廠房尺寸相應(yīng)縮小，土建投資降低。與375 r/min轉(zhuǎn)速方案相比，333.3 r/min轉(zhuǎn)速方案機組設(shè)備直接投資需增加12 400萬元。

針對曹坪抽水蓄能電站，就主機參數(shù)向國內(nèi)主機制造廠家進行咨詢，各主機制造廠家均推薦額定轉(zhuǎn)速375 r/min方案。

考慮到本電站多年平均過機含沙量為0.034 kg/m3，水質(zhì)較好，從技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、制造廠設(shè)計制造經(jīng)驗等方面綜合考慮，曹坪電站本階段選擇額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。

2.3 吸出高度及安裝高程的確定

水泵水輪機水泵工況時進口撞擊和低壓區(qū)都發(fā)生在葉片進口處，因之動壓降較大，空化性能較差；而水輪機工況水流撞擊多發(fā)生在葉片進口邊，葉片低壓區(qū)在出口附近，因之動壓降較小，空化性能較好。因此，水泵水輪機主要以水泵工況的空化特性作為限制條件。

通過吸出高度的統(tǒng)計公式[4]和與本電站水頭相近的電站裝置空蝕系數(shù)及吸出高度得出，各統(tǒng)計公式計算的最低揚程Hs值在-50.81~-62.07 m之間。參考部分廠家為本電站所做的初步方案，Hs值為-60~-75 m。綜合分析，考慮地下廠房吸出高度的選擇對電站造價影響較小，留有一定裕量，取吸出高度Hs=-75.0 m，確定機組安裝高程888.0 m。

根據(jù)選擇的安裝高程和下游尾水位特性，按照相關(guān)標準擬定的組合工況進行過渡過程計算，在相關(guān)的控制工況下，尾水進口最小壓力計算值均大于過渡過程計算控制值，滿足調(diào)保計算要求。

2.4 水泵水輪機的預(yù)期效率

根據(jù)制造廠家建議效率參數(shù)，并參考已建、在建電站相似水頭段水泵水輪機的效率保證值，本階段用于計算機組參數(shù)的機組各工況效率[5]取值如表2所示。

表2 水泵水輪機各點效率表

2.5 推薦的水泵水輪機主要參數(shù)

綜合分析，本階段推薦的水泵水輪機主要參數(shù)見表3。

表3 水泵水輪機主要技術(shù)參數(shù)表

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 調(diào)節(jié)保證設(shè)計

3.1.1 水力過渡過程計算控制值

本階段委托兩家單位進行了過渡過程計算，兩家單位分別采用梅州和清原抽水蓄能電站真機模型全特性曲線來進行抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》，并結(jié)合本電站的特點，本階段對大波動水力過渡過程確定的控制值如下：

（1）機組蝸殼允許最大壓力升高相對值ζ≤30%，取蝸殼允許最大壓力Hcmax≤685.1 m?H2O；

（2）機組最大轉(zhuǎn)速升高率βmax≤45%；

（3）尾水管最小壓力設(shè)計工況不小于22 m?H2O，校核工況不小于14 m?H2O；

（4）輸水系統(tǒng)沿線洞頂最小內(nèi)水壓力Hamin≥2 m?H2O。

3.1.2 水力過渡過程計算主要成果

匯總兩家計算成果后，兩家大波動過渡過程控制性參數(shù)計算值均能滿足控制標準，結(jié)論見表4。

表4 水力過渡過程計算主要成果

3.1.3 調(diào)節(jié)保證設(shè)計值

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》，調(diào)節(jié)保證設(shè)計值應(yīng)在水力過渡過程計算值的基礎(chǔ)上考慮計算誤差、壓力脈動的影響并進行修正后確定。陜西曹坪抽水蓄能電站過渡過程計算結(jié)果可知：

（1）蝸殼末端最大壓力值為684.61 m，綜合國內(nèi)外主機廠家對壓力脈動的估算及部分電站水力機械過渡過程的實測值分析，建議所有工況下，蝸殼末端最大壓力調(diào)節(jié)保證設(shè)計值為760 m·H2O。

（2）調(diào)節(jié)保證設(shè)計值中尾水管最小壓力考慮海拔修正，修正值為0.99 m·H2O。

（3）建議機組轉(zhuǎn)速上升的保證值為145%額定轉(zhuǎn)速，即544 r/min。

3.2 設(shè)計制造可行性分析

對水泵水輪機來說，過大的Hpmax/Htmin值可能會引起水力性能設(shè)計困難和運行不穩(wěn)定，空蝕、振動、噪聲等情況加重，曹坪抽水蓄能電站Hpmax/Htmin值為1.196，水頭變幅與本電站水頭相近的周寧電站基本相當，處于相近水頭段電站、制造廠設(shè)計制造經(jīng)驗和國內(nèi)外設(shè)計選型經(jīng)驗之內(nèi)；另外，本抽蓄電站單機350 MW，額定水頭413 m，額定水頭下比轉(zhuǎn)速120.4 m·kW，最低揚程401.4 m，最低揚程下比轉(zhuǎn)速38.3 m·m3/s，國內(nèi)主機廠家均有一批同水頭段參數(shù)水平相似且已成功投運的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，如周寧、沂蒙、豐寧、荒溝、仙游等，預(yù)期水力開發(fā)難度可控。曹坪抽蓄電站推薦轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑為4.8 m,水泵水輪機制造難度系數(shù)僅為10.56，未超出國內(nèi)水泵水輪機現(xiàn)有設(shè)計、制造水平，且轉(zhuǎn)輪、球閥整體運輸均無制約因素。

曹坪電站水頭變幅在技術(shù)上是可行的，預(yù)期水泵水輪機可穩(wěn)定運行，水泵水輪機設(shè)計、制造無制約因素，但考慮到本水頭段國內(nèi)無單機350 MW的已投運機組，招標階段應(yīng)與相關(guān)主機廠家展開充分的技術(shù)交流，合理確定水泵水輪機的主要性能參數(shù)。

3.3 泥沙研究

曹坪電站多年平均過機含沙量為0.034 kg/m3，水輪機、水泵的實際泥沙磨損破壞程度與水輪機出口相對速度和水泵出口線速度有明顯的相關(guān)關(guān)系，機組額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，水泵出口線速度vu約為94.25 m/s；水輪機工況轉(zhuǎn)輪出口圓周速度vr約為51 m/s。本電站與已投運和在建的仙游、周寧、永泰、仙居等電站轉(zhuǎn)輪水輪機出口相對速度和水泵出口線速度較為接近，對照類似電站參數(shù)，本電站處于較為合理的水平，初步判斷本電站水泵水輪機受泥沙磨損的影響輕微。

3.4 拆卸方式

隨著水泵水輪機技術(shù)的不斷發(fā)展，抽水蓄能機組的大修周期得到延長，越來越多的抽蓄機組均采用上拆方式，且從本階段與國內(nèi)各制造廠家征詢的情況看，各制造廠家均推薦上拆，考慮本電站布置特點和機組結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合近年投產(chǎn)和在建的類似電站的拆卸方式，推薦本電站水泵水輪機拆卸方式為上拆方式。

4 結(jié)論

（1）曹坪抽水蓄能電站采用單級混流式水泵水輪機。

（2）曹坪抽水蓄能電站更多的參照近期國內(nèi)外投入運行類似水頭段的水泵水輪機的設(shè)計和制造水平，并結(jié)合發(fā)電電動機同步轉(zhuǎn)速來確定，水輪機額定工況下比速系數(shù)在2 100~2 550之間選擇，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速在103.3~125.5 m·kW之間；水泵工況最低揚程下比速系數(shù)在3 000~3 600之間選擇，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速在33.5~40.1 m?m3/s之間。

（3）通過對水泵水輪機效率、技術(shù)參數(shù)比較、電站淹沒深度、制造經(jīng)驗、泥沙磨損、壓力脈動特性、發(fā)電電動機設(shè)計問題等技術(shù)和經(jīng)濟指標的綜合分析，并結(jié)合制造廠家推薦，曹坪電站選擇額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。

（4）曹坪抽水蓄能電站吸出高度Hs=-75.0 m，確定機組安裝高程888.0 m。

（5）曹坪抽水蓄能電站各工況效率取值見表2。

（6）通過對曹坪抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了本電站可研階段的調(diào)節(jié)保證設(shè)計值、泥沙研究的結(jié)論及機組的拆卸方式。

本文通過簡要論述曹坪抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數(shù)選擇，并結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的研究，為下階段發(fā)包及施工階段工作奠定了堅實基礎(chǔ)。