李永恒，馬經(jīng)童，李 哲，門(mén) 飛

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 引 言

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林縣境內(nèi)，交通方便。距蓮花壩址43 km。上水庫(kù)位于牡丹江支流三道河子右岸，無(wú)天然徑流；下水庫(kù)利用已建成的蓮花水電站水庫(kù)（不完全多年調(diào)節(jié)）。上、下水庫(kù)水平距離約2500 m。電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫(kù)、地面開(kāi)關(guān)站及副廠房系統(tǒng)組成。輸水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)、共二洞四機(jī)的布置方式，設(shè)有上、下游調(diào)壓井。

電站總裝機(jī)容量為4×300 MW，建成后承擔(dān)黑龍江省及東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

該電站為抽水蓄能電站，水輪機(jī)選用立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)。

2 電站基本參數(shù)

電站上水庫(kù)、下水庫(kù)的水位參數(shù)見(jiàn)表1；電站水頭、揚(yáng)程參數(shù)見(jiàn)表2。

3 選擇比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的一些原則

水泵工況比轉(zhuǎn)速nsp是水泵水輪機(jī)的一個(gè)重要水力參數(shù)，代表了水力機(jī)組的綜合特性，它綜合反映了轉(zhuǎn)輪的尺寸、形狀、流道過(guò)流能力、空化性能和能量指標(biāo)。選擇較高的比轉(zhuǎn)速就意味著機(jī)組轉(zhuǎn)速的提高，一般來(lái)說(shuō)這對(duì)于減少機(jī)組尺寸和重量、提高機(jī)組綜合效率、減小廠房尺寸、降低工程造價(jià)有利。但比轉(zhuǎn)速選擇也受到水泵水輪機(jī)制造難度、設(shè)計(jì)水平的限制，選擇過(guò)高的比轉(zhuǎn)速會(huì)使機(jī)組空化性能惡化，從而要求加大吸出高度，導(dǎo)致廠房埋入深度的增加，進(jìn)而增加廠房開(kāi)挖量，加大工程投資，同時(shí)也將對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。所以，必須根據(jù)電站的具體情況和水泵水輪機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展水平來(lái)確定比轉(zhuǎn)速。

表1 電站上水庫(kù)、下水庫(kù)的水位參數(shù)表

表2 電站水頭、揚(yáng)程及水泵水輪機(jī)主要參數(shù)表

為了表達(dá)水泵水輪機(jī)參數(shù)的水平，通常用水泵工況比速系數(shù)Kp＝nsp·H3/4來(lái)評(píng)定。世界各國(guó)大型水泵水輪機(jī)的制造廠商都致力于不斷提高水泵水輪機(jī)比速系數(shù)的研究，比速系數(shù)Kp值也越來(lái)越大。如70年代設(shè)計(jì)制造的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)的比速系數(shù)范圍為 Kp＝2500～3000，80年代以來(lái)Kp值已達(dá)2900～3812，日本東芝公司90年代提出高水頭水泵水輪機(jī)的Kp值上限為4000，日本小倉(cāng)電站達(dá)到4159，國(guó)內(nèi)廣蓄一期達(dá)約3969。

該電站下水庫(kù)為不完全多年調(diào)節(jié)的蓮花水電站水庫(kù)，考慮其沉排砂作用，泥沙特性不要求降低水泵工況比轉(zhuǎn)速nsp。但選擇比轉(zhuǎn)速時(shí)也應(yīng)考慮水泵水輪機(jī)制造難度幾埋深等各種因素的相互制約。同時(shí)，應(yīng)參考國(guó)內(nèi)外投運(yùn)的水泵水輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)并考慮電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的影響。

4 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的取值分析

1）國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投運(yùn)的300～500 m水頭段混流可逆式水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。該電站水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速選擇時(shí)，參考了大量國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投運(yùn)的水泵水輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)，表3中列出了部分國(guó)內(nèi)外可供參考的水泵水輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)。由表中可見(jiàn)，與本電站水頭、揚(yáng)程相近的（400～500 m水頭段）水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速范圍為：nsp＝27.70～43.50 m·m3/s，比速系數(shù)范圍為：Kp＝2123～3414。

2）國(guó)外廠商開(kāi)發(fā)的水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。初定本電站水泵水輪機(jī)參數(shù)之前，我公司向國(guó)外幾個(gè)廠商進(jìn)行了征詢，表4中列出的是國(guó)外廠商提供的已經(jīng)開(kāi)發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的資料。由表中可見(jiàn)，各公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速范圍為：nsp＝34.81～38.31 m·（m3/s），比速系數(shù)范圍為：Kp＝3295～3586。

3）水泵水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線。國(guó)內(nèi)外對(duì)單級(jí)單轉(zhuǎn)速可逆式水泵水輪機(jī)的水泵最高效率點(diǎn)動(dòng)揚(yáng)程與水泵比轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)行了很多統(tǒng)計(jì)工作。在初步選擇本電站水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)時(shí)，僅參考了目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的法國(guó)阿爾斯通公司最新的水泵水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線（圖略）。可見(jiàn)，與本電站水頭相近的水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速范圍為：nsp＝30～40 m·（m3/s）。

表3 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投運(yùn)的300～500 m水頭段水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)表

表4 國(guó)外廠商開(kāi)發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)表

4）按國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的各種統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于計(jì)算水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式仍有很大差別，計(jì)算結(jié)果也均不相同。

在初定本電站水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)時(shí)，為了使計(jì)算結(jié)果不受到某一統(tǒng)計(jì)公式的局限，計(jì)算時(shí)應(yīng)用了目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的多個(gè)統(tǒng)計(jì)公式，從而得出比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)的取值范圍。表5中列出了各計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果。

由表中計(jì)算結(jié)果可知，該電站水泵工況比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)值的范圍為：nsp＝28.7 ～42.5 m·m3/s，比速系數(shù)范圍為：Kp＝2701～3999。

5 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的初步選擇

根據(jù)以上分析，同時(shí)綜合考慮該電站工程投資、機(jī)組埋入深度對(duì)廠房開(kāi)挖量的影響、水泵水輪機(jī)制造難度等多種因素，并在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，初步選擇本電站水泵水輪機(jī)水泵工況的比轉(zhuǎn)速范圍為：nsp＝36～39 m·（m3/s），相應(yīng)的比速系數(shù)范圍為：Kp＝3400～3650。

表5 按不同統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算本電站水泵比轉(zhuǎn)速匯總表