張 韜，高彥明

（1.哈動國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040；3.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 511400）

0 引言

新中國成立后，我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：

（1）經(jīng)濟(jì)落后階段。該階段我國的發(fā)電設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)能力不足，發(fā)電量較低，僅可滿足國家最基本生產(chǎn)生活需要。

（2）經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段。1980年后我國的科技研發(fā)能力迅速提高，發(fā)電設(shè)備包含水電、火電、核電等多種形式。尤其隨著第二、三產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，使得社會用電量迅速增加，電網(wǎng)用電量峰谷差逐漸顯現(xiàn)，日調(diào)節(jié)需求顯著提高，需要設(shè)備提供調(diào)峰填谷功能。此時，電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)形式以日調(diào)節(jié)為主，用電波峰波谷調(diào)節(jié)量基本穩(wěn)定，常規(guī)定速抽水蓄能機(jī)組作為具有調(diào)峰填谷功能的調(diào)節(jié)機(jī)組被廣泛投入電網(wǎng)。

（3）經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展階段。2010年后經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新階段，社會用電量進(jìn)一步增大，發(fā)電設(shè)備除火電、水電、核電外，大量新能源并網(wǎng)發(fā)電，豐富了電源形式，但風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源具有隨機(jī)性、波動性、間歇性等特點，在短時間內(nèi)會造成電網(wǎng)功率的大幅波動，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成極大挑戰(zhàn)。因此，具有功率快速調(diào)節(jié)功能的可變速抽水蓄能機(jī)組的大量應(yīng)用將是大勢所趨。

發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益是業(yè)內(nèi)研究和關(guān)注的重點課題，研究時通常將之融入電站效益一并探討。抽水蓄能電站的效益[1]可分為電網(wǎng)效益和社會效益，而電網(wǎng)效益又分為靜態(tài)效益和動態(tài)效益。其中，靜態(tài)效益可分為容量效益和能量轉(zhuǎn)換效益；動態(tài)效益包括調(diào)頻、負(fù)荷跟蹤、旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)相、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等[2]。學(xué)者對以上抽水蓄能電站的各種效益都進(jìn)行了大量的研究，其中以抽水蓄能電站對節(jié)能環(huán)保效益的分析[3]以及新能源與抽水蓄能電站協(xié)同作用效益的分析[4]最為重要，最能體現(xiàn)抽水蓄能電站在效益方面的價值。

本文研究的目標(biāo)是抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)換的“心臟”——水泵水輪機(jī)，分析定速水泵水輪機(jī)與可變速水泵水輪機(jī)各自的特點并進(jìn)行比較。同時，將可變速水泵水輪機(jī)由于機(jī)組轉(zhuǎn)速可變化而引起水泵工況和水輪機(jī)工況能量效益提升的特性進(jìn)行分析。

1 定速與可變速水泵水輪機(jī)的能量特性

定速水泵水輪機(jī)由于機(jī)組轉(zhuǎn)速固定不變，水泵工況一個揚(yáng)程只能對應(yīng)一個功率值。當(dāng)定速機(jī)組運(yùn)行到某一特定揚(yáng)程時，只能從電網(wǎng)吸收唯一的功率值，對于電網(wǎng)功率的短時、瞬時波動無法做出響應(yīng)，更無法調(diào)節(jié)、吸納電網(wǎng)多余功率。而可變速水泵水輪機(jī)在電站運(yùn)行范圍內(nèi)任何揚(yáng)程下都可以快速對電網(wǎng)的功率波動以及電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)需求做出一定量的響應(yīng)。這個功率響應(yīng)量也就是可變速水泵水輪機(jī)在某一揚(yáng)程下的功率調(diào)節(jié)范圍，該范圍的設(shè)計值需要在電站設(shè)計階段根據(jù)電站在電網(wǎng)中的作用進(jìn)行設(shè)定，然后通過水力設(shè)計達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

1.1 水泵工況能量特性

可變速水泵水輪機(jī)的選型非常重要，它直接影響機(jī)組功率調(diào)節(jié)范圍的大小、壓力脈動幅值等重要水力參數(shù)，文獻(xiàn)[5]中較為詳細(xì)地分析了可變速水泵水輪機(jī)水泵選型特點及方法，本文不再論述。

圖1為定速水泵水輪機(jī)水泵能量曲線，從圖中可知，對于定速機(jī)，一個揚(yáng)程只能對應(yīng)一個工況點（一個流量和一個功率），即工況點1。也就是說，在同一時刻，定速機(jī)的功率調(diào)節(jié)量是固定不變的，無法根據(jù)電網(wǎng)的功率波動調(diào)節(jié)需求做出響應(yīng)；而可變速水泵水輪機(jī)，在水泵運(yùn)行工況揚(yáng)程變化范圍內(nèi)，一個揚(yáng)程可以對應(yīng)一個功率調(diào)節(jié)范圍。從圖2可知，最小揚(yáng)程Hmin下，功率調(diào)節(jié)范圍在工況點3和工況點5之間，即功率調(diào)節(jié)范圍為（P3，P5）；最大揚(yáng)程Hmax下，功率調(diào)節(jié)范圍為（P4，P7）；在水泵運(yùn)行工況揚(yáng)程變化范圍內(nèi)，最大功率調(diào)節(jié)幅度為（Pmin，Pmax），功率調(diào)節(jié)量隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，由定速機(jī)的一條線變成了變速機(jī)的一個面，功率調(diào)節(jié)能力極大提高，調(diào)節(jié)量顯著增大。

圖1 定速水泵水輪機(jī)能量特性曲線Figure 1 The energy characteristic curve of the fixed speed pump-turbine

圖2 給出了水泵工況在流量—揚(yáng)程曲線，流量—功率曲線以及揚(yáng)程—功率曲線中的運(yùn)行區(qū)域（陰影區(qū)）。通過各特性曲線可知，可變速水泵水輪機(jī)水泵工況在高揚(yáng)程下，運(yùn)行范圍受到葉片水泵進(jìn)口二次流的限制；在低揚(yáng)程下，受到大流量轉(zhuǎn)輪葉片空化的限制；而在大流量區(qū)，則受到最大功率的限制[6][7]，因此形成了圖中陰影表示的運(yùn)行區(qū)域。

圖2 可變速水泵水輪機(jī)水泵能量特性曲線Figure 2 The energy characteristic curve of the variable speed pump-turbine

1.2 水輪機(jī)工況能量特性

在設(shè)計定速水泵水輪機(jī)時，必須首先滿足水泵工況的運(yùn)行，導(dǎo)致其水輪機(jī)工況的運(yùn)行范圍S1遠(yuǎn)離最優(yōu)區(qū)，進(jìn)而造成水輪機(jī)工況效率與穩(wěn)定性欠佳。由圖3可知，可變速水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況運(yùn)行時，可將機(jī)組轉(zhuǎn)速下調(diào)至水輪機(jī)運(yùn)行范圍合適的數(shù)值，如圖3中的S2。同時，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速的下降，使得最低水頭單位轉(zhuǎn)速隨之下降，最低水頭單位轉(zhuǎn)速與葉片正面脫流初生線的交點由原先約50%額定功率變?yōu)?0%～30%額定功率，即穩(wěn)定運(yùn)行的功率下限從定速時的50%額定功率下降到20%～30%額定功率，可穩(wěn)定運(yùn)行的功率范圍最大可增加60%。該運(yùn)行范圍基本覆蓋最優(yōu)區(qū)，效率及穩(wěn)定性更高，可穩(wěn)定運(yùn)行的功率范圍更寬。

圖3 模型水泵水輪機(jī)綜合特性曲線Figure 3 The comprehensive characteristic curve of model pump-turbine

2 可變速水泵水輪機(jī)的能量效益優(yōu)勢

2.1 水泵工況能量效益

定轉(zhuǎn)速抽水蓄能電站在調(diào)節(jié)新能源功率，降低棄風(fēng)、棄光率方面已有較大貢獻(xiàn)。例如，遼寧蒲石河抽水蓄能電站夜間利用電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電所發(fā)電力抽水儲能，白天再利用儲存的水能并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)能得到充分利用，降低了棄風(fēng)率。華東地區(qū)風(fēng)能和太陽能資源豐富，且用電量較大，當(dāng)?shù)爻樗钅茈娬緸榱顺浞掷眯履茉?，同時滿足吸收新能源發(fā)電功率的需求和當(dāng)?shù)赜秒娦枨?，通常一天之?nèi)多次抽水和發(fā)電，對降低棄風(fēng)、棄光率，節(jié)能減排具有不可替代的作用。

然而由于上一節(jié)所講的原因，定轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)不能靈活的調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率波動和需求，使得常規(guī)定速抽水蓄能電站的靜態(tài)效益和動態(tài)效益均大打折扣?？勺兯俪樗钅茈娬舅盟啓C(jī)的調(diào)節(jié)能力極大提高，可以增強(qiáng)吸納電網(wǎng)中隨機(jī)、波動、瞬時功率的靈活性，更加充分安全的利用新能源，進(jìn)一步降低棄風(fēng)、棄光率。

從水泵特性角度分析，由于定速水泵水輪機(jī)水泵功率調(diào)節(jié)形式為一維線段，而可變速水泵水輪機(jī)水泵功率調(diào)節(jié)范圍是由定速機(jī)的功率調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)展而得，形成一個二維平面，因此兩者水泵工況能量效益的關(guān)系可近似為：

式中：Evariable_p——可變速水泵水輪機(jī)水泵能量效益；

Econstant_p——定速水泵水輪機(jī)水泵能量效益；

k——定速與可變速水泵水輪機(jī)水泵能量效益關(guān)系系數(shù)。

綜上由式（1）可知，可變速水泵水輪機(jī)水泵工況的功率調(diào)節(jié)幅度，即能量效益，與定速機(jī)的平方成正比，能量效益顯著提高。

2.2 水輪機(jī)工況能量效益

由圖3可知，定速水泵水輪機(jī)工況運(yùn)行范圍遠(yuǎn)離最優(yōu)區(qū)，且受到轉(zhuǎn)輪葉片脫流初生線的限制，可安全穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)為S1，面積為A1；在變速的情況下，水輪機(jī)運(yùn)行范圍基本覆蓋最優(yōu)區(qū)，且運(yùn)行范圍S2向低負(fù)荷區(qū)有較大擴(kuò)展，面積為A2。水輪機(jī)的能量效益不僅體現(xiàn)在效率值上，還體現(xiàn)在運(yùn)行范圍的寬廣程度上，前者用加權(quán)平均效率表示，后者用運(yùn)行范圍的面積表示。

由于A2>A1且ηvariable_t_avg>ηconstant_t_avg，因此Evariable_t>Econstant_t。

3 某海水抽水蓄能電站可變速水泵水輪機(jī)的能量效益

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式[8][9]，在國家重點研發(fā)計劃《海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究》項目的研究中，以某具體擬建設(shè)的海島電站為研究目標(biāo)（相應(yīng)參數(shù)見表1），研究可變速水泵水輪機(jī)的選型方法、水力特性、控制策略等。

表1 目標(biāo)電站及機(jī)組參數(shù)Table 1 The target power plant and unit parameters

可變速水泵水輪機(jī)水泵選型特點和方案在文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)論述，優(yōu)化后其水泵能量特性流量—功率曲線示意圖如圖4所示。在最低揚(yáng)程下其功率調(diào)節(jié)幅度約為25.5%，在最高揚(yáng)程下其功率調(diào)節(jié)幅度約為18.2%，最大功率調(diào)節(jié)幅度約為32%；同時，其水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率，可變速與定速情況下相比，提高約1%，由此可見可變速水泵水輪機(jī)的能量效益優(yōu)勢明顯。

圖4 某海水抽水蓄能電站可變速水泵水輪機(jī)水泵能量特性Figure 4 The energy characteristics of the variable speed pump-turbine about one seawater pumped storage

4 結(jié)論

本文詳細(xì)討論了可變速水泵水輪機(jī)水泵工況和水輪機(jī)工況的能量特性，分析了其特性特點，并比較了可變速機(jī)與定速機(jī)能量特性的差異，給出了兩者能量效益的比較公式，最后簡要介紹了海蓄課題中研發(fā)設(shè)計的可變速水泵水輪機(jī)能量效益對比結(jié)果。研究可變速水泵水輪機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)較少，其中文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[10]對其特性均進(jìn)行了分析介紹，但文獻(xiàn)[5]側(cè)重水泵選型的原則和方法，文獻(xiàn)[10]對其進(jìn)行較為全面但不深入的介紹。本文針對可變速水泵水輪機(jī)水泵特性流量—揚(yáng)程曲線，流量—功率曲線、揚(yáng)程—功率曲線均進(jìn)行了詳細(xì)的分析，使讀者和設(shè)計者對可變速水泵水輪機(jī)水泵特性有更加充分清晰的認(rèn)識，具有較高的指導(dǎo)性和實用性。同時首次嘗試性的給出了定速和可變速水泵水輪機(jī)能量效益的關(guān)系公式，然而由于可變速能量效益統(tǒng)計數(shù)據(jù)欠缺，無法準(zhǔn)確表示其公式，還需有待完善。