馬保東，劉更海，黃國平

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣電站水輪機(jī)額定水頭和吸出高度的選擇與分析

馬保東，劉更海，黃國平

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

在張河灣抽水蓄能電站上、下水庫特征值不變的情況下，機(jī)組的額定水頭選擇305 m或300 m，從蓄能機(jī)組的穩(wěn)定性、效率和泥沙磨損方面進(jìn)行分析，運(yùn)用國外穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行論證，推薦了張河灣電站機(jī)組的額定水頭；用各廠家推薦的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算本電站的吸出高度，并與國外廠商提供的詢價(jià)資料進(jìn)行比較，確定其范圍；用水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式，對張河灣吸出高度分別取-46 m、-48 m和-50 m進(jìn)行計(jì)算，最后推薦電站的吸出高度值。對國內(nèi)外中、高水頭的抽水蓄能電站對國外穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線和水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了其可行性。

抽水蓄能；額定水頭；吸出高度；選擇

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)張河灣村附近，距石家莊市（負(fù)荷中心）僅53 km（直線距離）。電站裝機(jī)容量為1 000 WM，即4臺250 WM的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組。建成投產(chǎn)后，電站將以兩條500 kV線路接入冀南電網(wǎng)，承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)，起到十分重要的作用。

隨著抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的蓄能機(jī)組都在向高水頭、大容量發(fā)展，這樣不但可以提高機(jī)組綜合效率，而且可以提高電站的總體效益，但機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和水力機(jī)械的汽蝕磨損將成為一個限制因素。抽水蓄能電站機(jī)組額定水頭和吸出高度的合理選擇，對電站的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要意義。

張河灣項(xiàng)目用于比較的額定水頭為300 m和305 m，從規(guī)劃角度主要是機(jī)組的受阻出力、日滿發(fā)出力保證率等方面考慮，額定水頭取300 m較為有利。但由于近年來我國新投入運(yùn)行的一些大型抽水蓄能機(jī)組在運(yùn)行穩(wěn)定性方面不同程度地出現(xiàn)了問題，影響了蓄能電站的綜合效益；另外，抽水蓄能電站的水頭變幅較大，而且本電站的過機(jī)泥沙含量也很高，降低額定水頭對機(jī)組今后的運(yùn)行穩(wěn)定性和水力機(jī)械的汽蝕磨損可能產(chǎn)生不利影響，所以從機(jī)組本身的技術(shù)性能考慮，額定水頭取305m較為有利。因此，機(jī)組額定水頭和吸出高度的選擇要從整體綜合考慮。

2 額定水頭的選擇

設(shè)計(jì)水頭即額定水頭，是指水輪機(jī)發(fā)出額定出力的最低水頭，是水輪機(jī)的一個重要參數(shù)。對于抽水蓄能電站，額定水頭的選擇，對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行將有一定的影響。由于機(jī)組是可逆運(yùn)行，如要使機(jī)組能高效地穩(wěn)定運(yùn)行，需結(jié)合最大/小水頭（或揚(yáng)程）與流量的匹配、水頭變幅范圍、泥沙磨損等綜合考慮。

2.1 穩(wěn)定性分析

（1）兩種不同的額定水頭方案的水泵水輪機(jī)參數(shù)表見下頁表1，從中可以看出，兩種不同額定水頭下所對應(yīng)的水輪機(jī)流量是不同的。

（2）目前國內(nèi)外分析抽水蓄能機(jī)組穩(wěn)定性的方法，一般采用日本東芝公司提供的穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線判斷，該曲線反映出水泵水輪機(jī)的揚(yáng)程（水頭）與流量匹配的綜合特性。

東芝穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線參數(shù)見表2，東芝穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線見圖1。

表1 兩種不同額定水頭方案水泵水輪機(jī)參數(shù)表

表2 水泵水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線參數(shù)（東芝）

表2中，QT（d）——水輪機(jī)額定水頭下的流量，m3/s

QP（max）——水泵的最大流量，m3/s

HP（max）——水泵的最大揚(yáng)程，m

HT（min）——水輪機(jī)的最小水頭，m

圖1 水泵水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線圖（東芝）

為了驗(yàn)證該曲線的可行性，東芝公司對國內(nèi)外31座抽水蓄能電站的混流可逆式水泵水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出 QT（d）/QP（max）、HP（max）/HT（min）值，有90%的機(jī)組都適合該穩(wěn)定曲線，即在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，證明該穩(wěn)定區(qū)域曲線圖是可行的。

（3）張河灣機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行曲線圖的位置

對于張河灣機(jī)組，當(dāng)額定水頭取305 m時，

HP（max）/HT（min）=354/284.7=1.24

QT（d）/QP（max）=95.12/84.29=1.13

當(dāng)額定水頭取300 m時，

HP（max）/HT（min）=354/284.1=1.25

QT（d）/QP（max）=96.97/84.29=1.15

從圖1中可以看出，張河灣機(jī)組的額定水頭在305m時，已處于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域的邊界，如改為300m，則將處于穩(wěn)定區(qū)外，這將影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 效率分析

水泵水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量公式，可采用水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量公式，即：

n1，=nD1/H1/2

Q1，=Q/D12H1/2

張河灣機(jī)組：n=333.3 r/min

D1=4.8 m（按國外廠家推薦值）

得出：當(dāng)H=300 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3001/2=92.4 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=96.97/4.82×3001/2=0.24 m3/s

當(dāng)H=305 m，

n1，=nD1/H1/2=333.3×4.8/3051/2=91.6 r/min

Q1，=Q/D12H1/2=95.12/4.82×3051/2=0.236 m3/s

因現(xiàn)在還沒有水泵水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，參考水科院《水泵-水輪機(jī)（200米以上水頭段）轉(zhuǎn)輪及其流道的設(shè)計(jì)開發(fā)》中的水泵水輪機(jī)綜合特性曲線，可以看出，水泵水輪機(jī)的額定水頭由305 m變?yōu)?00 m，水輪機(jī)的效率將下降0.3%～0.5%左右。

2.3 水頭變幅

為了說明張河灣電站水頭變幅的水平，統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)大型抽水蓄能電站的水頭范圍及相應(yīng)的水頭變幅值，見表3。

表3 國內(nèi)大型抽水蓄能電站的水頭范圍及相應(yīng)的水頭變幅

從表3可以看出，張河灣電站水頭變幅為55 m，水頭變幅與最大水頭的比值達(dá)15.9%，是國內(nèi)幾個電站中最高的，因此水泵水輪機(jī)的制造難度要增大，同時也增大了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的難度。

2.4 泥沙磨損的影響

張河灣水庫處在多泥沙河流上，多年來水平均含沙量為11.1 kg/m3，泥沙模型試驗(yàn)結(jié)果表明：一般過機(jī)含沙量變化范圍為0～2.8 kg/m3，過機(jī)含沙量最大值為4.4 kg/m3。

國內(nèi)外試驗(yàn)和實(shí)踐均表明，水力機(jī)械通流部件的泥沙磨損率與其水流相對流速的3次方成正比。根據(jù)上海?？乒镜挠?jì)算，水力機(jī)械過流表面水流的相對速度在額定水頭300m時比額定水頭為305m時要大5.0%～7.4%，在相同的水道系統(tǒng)中，會導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件（如轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋等）的泥沙磨損增大，泥沙磨損與汽蝕損傷互相影響，這將加大機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的不利因素。

3 吸出高度的選擇

吸出高度的選擇對水泵水輪機(jī)的空蝕特性有至關(guān)重要的影響，從而影響機(jī)組的效率，特別是對各部位的壓力脈動。對于水頭/揚(yáng)程變幅較大和過機(jī)泥沙含量較大的大型抽水蓄能電站，選擇合適的吸出高度對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和機(jī)組效率都至關(guān)重要，因此，應(yīng)在充分分析研究的基礎(chǔ)上盡可能留有裕量。

3.1 確定吸出高度范圍

眾所周知，在同等條件下，水泵工況比水輪機(jī)工況更容易發(fā)生汽蝕，圖2示出了水泵水輪機(jī)汽蝕系數(shù)與流量的關(guān)系。

圖2 水泵水輪機(jī)汽蝕系數(shù)與流量的關(guān)系

從圖2看出，水泵工況汽蝕系數(shù)比水輪機(jī)工況大得多，即水泵工況比水輪機(jī)工況容易出現(xiàn)汽蝕，水泵工況的淹沒深度要比水輪機(jī)大，因此水泵水輪機(jī)的安裝高程是由水泵工況的汽蝕特性來決定的。

水泵的吸出高度Hs=HaHrσpHp

式中Ha——大氣壓力，為10 m高水柱

Hr——該處水的汽化壓力，為/900（為最低尾水位464 m）

σp——水泵汽蝕系數(shù)

Hp——水泵工況揚(yáng)程，m

根據(jù)Hs計(jì)算公式，參考各廠家為本電站提供的統(tǒng)計(jì)公式所得Hs值，見表4（水泵比轉(zhuǎn)速按42（m·m3/s）計(jì)算）。

從表4可以看出，Hs值在-42.31～-56.91 m之間。

從國外廠商給張河灣的初步詢價(jià)資料中看出，張河灣電站的吸出高度范圍為：-40～-68 m

根據(jù)吸出高度的計(jì)算和國外廠商的詢價(jià)資料，可以得出：張河灣電站的吸出高度取值范圍為：-40～-68 m。

3.2 對吸出高度合理性的判斷方法

為了防止機(jī)組的汽蝕，增加機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，取在上述范圍內(nèi)的吸出高度分別為-46、-48、-50 m進(jìn)行論證。目前國內(nèi)外判斷機(jī)組吸出高度合理性，一般采用水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速的方法，即

水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

ns在800以內(nèi)，則為安全區(qū)，如超過800，則機(jī)組運(yùn)行在汽蝕較嚴(yán)重區(qū)或不穩(wěn)定區(qū)。

對于水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速的判斷方法，統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外31個中、高水頭電站進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，約80%電站的水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速在800以內(nèi)，符合該公式，因此認(rèn)為，此判斷方法是可行的。

3.3 張河灣不同吸出高度的水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速

nSP=5.562×n×Q1/2/（Hs+10）3/4

式中n=333.3 r/min Q=84.29 m3/s

當(dāng)Hs=-46 m，得nSP=831

當(dāng)Hs=-48 m，得nSP=809

當(dāng)Hs=-50 m，得nSP=789

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)Hs取-48 m或-50 m，在安全區(qū)內(nèi)或接近安全區(qū)；當(dāng)Hs取-46 m，則較遠(yuǎn)離安全穩(wěn)定區(qū)。

但是在實(shí)際選擇電站的吸出高度時，還要考慮電站的地質(zhì)因素和電站的總體布置的要求，即在有

表4 各廠家統(tǒng)計(jì)公式應(yīng)用于本電站計(jì)算所得Hs值

關(guān)限制因素允許的前提下，機(jī)組的吸出高度應(yīng)選最接近穩(wěn)定區(qū)的值。最終選擇的吸出高度值應(yīng)在進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

4 額定水頭和吸出高度的建議值

水泵水輪機(jī)的技術(shù)參數(shù)選擇是以水泵工況的運(yùn)行要求為主兼顧水輪機(jī)工況的運(yùn)行要求為原則的，水輪的額定水頭除直接關(guān)系到機(jī)組尺寸外，還將主要影響到機(jī)組在運(yùn)行水頭/揚(yáng)程范圍內(nèi)的效率和二種工況的流量匹配，特別是在本電站的水頭/揚(yáng)程變幅較大的情況下，流量匹配的合理程度將對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。因此，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的條件下，考慮到機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要性，根據(jù)以上分析，建議機(jī)組的額定水頭取305 m，吸出高度取-48 m（如吸出高度取-50 m，考慮地質(zhì)因素，交通洞的坡度將超出規(guī)定值）。這將在有利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時，又不會因增加過多的廠房開挖量而增加太多的投資。

5 結(jié)語

近幾年來，特別是國內(nèi)幾座大型抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行以來，我們對抽水蓄能機(jī)組有了較深刻的認(rèn)識，在機(jī)組的招標(biāo)中，不宜過分追求機(jī)組的高效率和能量特性，而把機(jī)組的穩(wěn)定性放到了首位。

冀南電力系統(tǒng)基本是純火電電力系統(tǒng)，缺少快速高效的調(diào)峰手段。張河灣抽水蓄能電站裝機(jī)容量大，投入運(yùn)行后在冀南電網(wǎng)中具有無可替代的重要作用，機(jī)組穩(wěn)定性將成為評價(jià)機(jī)組性能的重要指標(biāo)。只有機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，才能更好地發(fā)揮抽水蓄能電站的作用，體現(xiàn)出在電網(wǎng)中的價(jià)值。國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組已充分證明了這一點(diǎn)。

額定水頭和吸出高度這兩個參數(shù)，直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，選擇合理的參數(shù)將使機(jī)組遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)，減緩汽蝕磨損的破壞，對抽水蓄能電站甚至冀南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將具有重要意義。本文中所采用的穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)曲線和水泵汽蝕比轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式有待在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]梅祖彥.抽水蓄能技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[3]水科院水力機(jī)電研究所.水泵—水輪機(jī)（200米以上水頭段）轉(zhuǎn)輪及其流道的設(shè)計(jì)開發(fā)[Z].

[4]北京勘測設(shè)計(jì)研究院.張河灣抽水蓄能電站可行性研究報(bào)告[Z].

TK734

A

1672-5387（2016）12-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.001

2016-08-29

馬保東（1986-），男，工程師，從事蓄能電站水工管理工作。