摘要：為確定合適的機(jī)組型式、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，確保機(jī)組長期安全穩(wěn)定高效運行，針對湖北鐘祥抽水蓄能電站低水頭的特點，從國內(nèi)外工程案例、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運行穩(wěn)定性和運行維護(hù)等方面進(jìn)行綜合分析，最終選用立軸、單級、單轉(zhuǎn)速混流可逆式水泵水輪機(jī)。通過對裝機(jī)臺數(shù)、額定水頭和額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比選，確定了機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)。研究成果可為同水頭段可逆式抽水蓄能機(jī)組選型設(shè)計以及同類型中小型電站的安全穩(wěn)定高效運行提供參考。

關(guān)鍵詞：低水頭； 選型分析； 混流可逆式水泵水輪機(jī)； 鐘祥抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.007

文章編號：1006-0081（2024）12-0034-04

0 引 言

可逆式抽水蓄能機(jī)組是抽水蓄能電站的核心設(shè)備，其選型設(shè)計對電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運行可靠性及穩(wěn)定性有重要影響。目前，關(guān)于可逆式抽水蓄能機(jī)組選型設(shè)計的研究主要集中在水頭為200～700 m的中、高水頭段，針對200 m以下低水頭段的機(jī)組研究較少。

本文結(jié)合低水頭可逆式抽水蓄能電站特點，探討適合低水頭特點的機(jī)組類型、結(jié)構(gòu)型式以及主要參數(shù)的選擇方法。通過對機(jī)組性能的深入分析和比較，為低水頭抽水蓄能電站的建設(shè)提供技術(shù)支持［1-3］。

1 工程概況

湖北鐘祥抽水蓄能電站位于湖北省鐘祥市冷水鎮(zhèn)孔艾村，地處湖北省西電東送電力走廊，具有建設(shè)抽水蓄能電站的良好地理條件。電站建成后向湖北

電網(wǎng)供電，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)，并促進(jìn)地區(qū)新能源開發(fā)與消納。電站裝機(jī)容量200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h，擬220 kV接入麗山變電站。電站上、下水庫進(jìn)、出水口的水平距離約305 m，平均毛水頭差約106 m，距高比約2.9。電站的水位及動能參數(shù)如表1所示。

2 機(jī)組型式選擇

抽水蓄能機(jī)組的型式應(yīng)根據(jù)電站水頭/揚(yáng)程、運行特點及機(jī)組設(shè)計制造水平等各方面的因素，經(jīng)綜合比較后選定。根據(jù)目前的設(shè)計制造水平，電站工作水頭在50～800 m時，一般選擇單級混流式水泵水輪機(jī)，其具有適用范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、運行維護(hù)方便等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用［4］。

湖北鐘祥抽水蓄能電站水輪機(jī)工況水頭范圍89.50～118.80 m，水泵工況揚(yáng)程范圍94.90～120.30 m，最高抽水揚(yáng)程與最小發(fā)電水頭的比值為1.345。從水泵水輪機(jī)揚(yáng)程和水頭范圍而言，屬于單級混流式水泵水輪機(jī)運行的理想范圍，同時參考國內(nèi)外已建的同水頭段抽水蓄能電站工程實例與NB/T 10072-2018《抽水蓄能電站設(shè)計規(guī)范》，該電站擬采用立軸、單級、單轉(zhuǎn)速混流式水泵水輪機(jī)［4］。

3 單機(jī)容量及裝機(jī)臺數(shù)選擇

基于電力系統(tǒng)需要、地形地質(zhì)條件、樞紐布置、機(jī)組設(shè)備運行條件、水庫淹沒指標(biāo)、工程投資和經(jīng)濟(jì)、財務(wù)指標(biāo)等因素綜合考慮，確定該電站裝機(jī)容量為200 MW，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h。結(jié)合目前國內(nèi)外相近水頭段已經(jīng)投運或者在建的抽水蓄能電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段國內(nèi)外100 m左右水頭段抽水蓄能電站相對較少，且機(jī)組單機(jī)容量基本上在50～200 MW之間，其中，國內(nèi)與該工程水頭相近的抽水蓄能電站主要為吉林白山抽蓄電站（2×150 MW）、江蘇沙河抽蓄電站（2×50 MW）、潘家口抽水蓄能電站（3×90 MW）以及引漢濟(jì)渭三河口電站（2×12.5 MVA）［5-6］。

根據(jù)電站總裝機(jī)容量和水頭范圍，結(jié)合機(jī)組設(shè)計制造的可行性和運行調(diào)度的靈活性，擬定2×100 MW（方案1）、3×66.7 MW（方案2）兩個方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表2所示。兩個方案的技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較分析如下。

（1） 2臺機(jī)組方案和3臺機(jī)組方案水泵水輪機(jī)組制造難度與同水頭段已建電站水泵水輪機(jī)組制造難度相當(dāng)，設(shè)計、制造均不存在技術(shù)問題。

（2） 裝機(jī)臺數(shù)越多，單機(jī)容量越小，電站調(diào)度運行越靈活。因此，3臺機(jī)組方案較2臺機(jī)組方案運行靈活性更高。

（3） 2臺機(jī)組方案較3臺機(jī)組方案主接線的接線方案簡單，可靠性高。兩種裝機(jī)臺數(shù)方案中其他電氣設(shè)備的選型配套均在現(xiàn)有工程范圍以內(nèi)。

（4） 2臺機(jī)組方案大件運輸尺寸及重量較3臺機(jī)組方案略有增加，根據(jù)現(xiàn)有資料，兩種方案大件運輸均不存在制約因素。

（5） 單機(jī)容量越小，裝機(jī)臺數(shù)越多，總工期越長。因此2臺機(jī)組方案總工期較短。

（6） 經(jīng)濟(jì)比較方面，3臺機(jī)組方案機(jī)電和金結(jié)工程量、土建工程量均高于2臺機(jī)組方案。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，湖北鐘祥抽水蓄能電站選定裝設(shè)2臺單機(jī)容量100 MW的混流可逆式水泵水輪機(jī)組方案。

4 機(jī)組額定水頭的確定

水輪機(jī)工況額定水頭的選擇需考慮到電站的運行方式、電網(wǎng)的調(diào)度要求、出力受阻、機(jī)組運行穩(wěn)定性、參數(shù)匹配，以及水頭變幅等問題。湖北鐘祥抽水蓄能電站是日調(diào)節(jié)電站，主要任務(wù)是“削峰填谷”。一般而言，額定水頭選擇越高，水輪機(jī)工況的運行范圍越接近最優(yōu)效率區(qū)，越有利于機(jī)組參數(shù)的優(yōu)化和機(jī)組的穩(wěn)定運行。但從電站運行條件和在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷任務(wù)來看，水輪機(jī)在低于額定水頭的運行區(qū)域，會出現(xiàn)出力受阻。額定水頭越高，電站出力受阻時間和受阻容量增加，在一定程度上削弱電站在系統(tǒng)中承擔(dān)的調(diào)峰填谷能力，并對電站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生影響［7］。

湖北鐘祥抽水蓄能電站最大毛水頭118.80 m，最小水頭89.50 m，加權(quán)平均水頭100.55 m，算術(shù)平均水頭104.15 m。由于電站的水頭變幅Hpmax/Htmin較大（1.345），為了兼顧機(jī)組在高水頭運行的穩(wěn)定性，水泵水輪機(jī)的額定水頭應(yīng)高于平均水頭。綜上，初擬水泵水輪機(jī)額定水頭103.0，104.0，105.0 m三個方案進(jìn)行比選，結(jié)合機(jī)組參數(shù)、運行穩(wěn)定性、水量平衡和動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表3所示。

（1） 從穩(wěn)定性對比分析來看，在電站正常運行水頭范圍內(nèi)，3個額定水頭方案水泵水輪機(jī)基本處于穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)，同時隨著額定水頭的提高，水泵水輪機(jī)的運行穩(wěn)定性將向更優(yōu)的方向發(fā)展。

（2） 從水泵水輪機(jī)水力設(shè)計角度考慮，額定水頭比選方案需要考慮對電站運行尤其是受阻情況的影響，其主要考察指標(biāo)之一即對電站消落深度系數(shù)K進(jìn)行分析，K=（Hr-Hmin）/（Hmax-Hmin）。國內(nèi)外已建蓄能電站K值大多在0.3～0.9之間，水頭變幅較大時取大值。該電站初擬的各額定水頭比選方案的K值分別為0.461，0.496，0.530，均處于已建電站的經(jīng)驗范圍內(nèi)，因此，各額定水頭方案水頭特征系數(shù)均較合適。

（3） 從電站發(fā)電運行條件和在電力系統(tǒng)中承擔(dān)的調(diào)峰填谷任務(wù)來看，水輪機(jī)在額定水頭以下的低水頭區(qū)運行，出力會出現(xiàn)受阻，額定水頭抬高，電站出力受阻時間和受阻容量增加。按承擔(dān)連續(xù)滿發(fā)運行時間約3 h考慮，3個額定水頭方案在最高負(fù)荷運行3 h時均不受阻；按承擔(dān)連續(xù)滿發(fā)運行時間約5 h考慮，各方案電站受阻容量分別為12.38，14.52，16.78 MW。因此，在滿足機(jī)組穩(wěn)定運行條件下，額定水頭適當(dāng)?shù)鸵恍欣陔娋W(wǎng)靈活調(diào)度。

（4） 從水泵水輪機(jī)組的水力設(shè)計及運行穩(wěn)定性考慮，綜合國內(nèi)外統(tǒng)計電站資料，Htmax/Hr不宜超過1.15［5］。擬定的3個額定水頭方案Htmax/Hr比值分別為1.151，1.14，1.13，由此可以看出，額定水頭103 m方案Htmax/Hr比值略微超過建議值；額定水頭104 m方案，機(jī)組運行穩(wěn)定性較好，且轉(zhuǎn)輪直徑較小，有利于節(jié)省工程投資。

（5） 從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，額定水頭105 m方案機(jī)組的可比投資最高，額定水頭103 m方案機(jī)組可比投資最低，但其差價與電站總投資和裝機(jī)規(guī)模相比，所占的比例很小。計入各方案電力電量的替代效益后，整個計算期以額定水頭104 m方案總費用現(xiàn)值最小。因此，從經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果來看額定水頭104 m方案較為經(jīng)濟(jì)。

綜合考慮電力系統(tǒng)調(diào)峰需要、機(jī)組運行穩(wěn)定性要求、總費用現(xiàn)值及設(shè)計經(jīng)驗等因素后，并考慮負(fù)荷特性等具有不確定性［8］，以及電站的運行調(diào)度應(yīng)有一定裕度，電站選定額定水頭為104 m。

5 額定轉(zhuǎn)速選擇

根據(jù)擬定的水泵水輪機(jī)參數(shù)、單機(jī)容量以及發(fā)電機(jī)冷卻方式、對機(jī)組特性的影響等因素，綜合考慮擬定機(jī)組額定轉(zhuǎn)速［9］。擬定對187.5 r/min、200.0 r/min兩種轉(zhuǎn)速方案進(jìn)行方案比較，其主要技術(shù)參數(shù)對比如表4所示。

（1） 考慮該電站水頭變幅較大，不宜采用較高參數(shù)水平方案。當(dāng)機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速選取為187.5 r/min，在整個運行水頭范圍內(nèi)，水輪機(jī)工況對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速、水泵工況最低揚(yáng)程對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)取值，與該電站水頭/揚(yáng)程接近的已投運或在建的電站（如沙河、白山等）的參數(shù)水平接近。

（2） 從水泵水輪機(jī)空化特性來分析，隨著水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高，空化性能將下降。187.5，200 r/min兩種轉(zhuǎn)速方案的吸出高度分別為-20 m與-22 m。因此，如選擇額定轉(zhuǎn)速200 r/min方案，機(jī)組吸出高度需要加大，土建投資增加，電站投資較不經(jīng)濟(jì)。

（3） 從發(fā)電電動機(jī)參數(shù)分析，187.5 r/min與200r/min兩種轉(zhuǎn)速方案的發(fā)電電動機(jī)綜合制造難度分別為3.12與3.33，每極容量分別為3.47 MVA與3.70 MVA。兩個方案發(fā)電電動機(jī)綜合制造難度和每極容量差別較小，均在成熟工程案例統(tǒng)計范圍以內(nèi)。

綜合考慮水泵水輪機(jī)參數(shù)與電站參數(shù)的優(yōu)化匹配，推薦本電站的額定轉(zhuǎn)速為187.5 r/min方案。

6 結(jié) 語

針對低水頭抽水蓄能電站，需結(jié)合其獨特的水力特性和運行需求，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運行穩(wěn)定性和運維護(hù)管理等多個維度進(jìn)行全面分析，通過綜合考量機(jī)組參數(shù)水平、加工制造能力、樞紐布置復(fù)雜度、工程投資成本以及后期運維管理等因素，以確定機(jī)組型式、裝機(jī)臺數(shù)及轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，并進(jìn)一步分析確定機(jī)組各項技術(shù)參數(shù)，確保機(jī)組長期安全穩(wěn)定高效運行。本文所介紹的鐘祥抽水蓄能電站選型設(shè)計方法，為類似電站的機(jī)組選型設(shè)計及安全穩(wěn)定運行提供參考。

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Study on selection design of low head reversible pumped storage unit

Abstract：

To ensure the long-term safety，stability，and efficiency of the unit，it is crucial to select an appropriate unit type，speed，and other characteristic parameters.Considering the low head characteristics of the Hubei Zhongxiang Pumped Storage Power Station，a comprehensive analysis was conducted，encompassing domestic and international project examples，technological feasibility，economic viability，operational stability，and maintenance requirements.Ultimately，the vertical shaft，single-stage，single-speed mixed-flow reversible pump turbine were chosen.By analyzing key parameters such as the number of installed units，rated water head，and rated speed，we had determined the critical specifications for the unit.The findings can serve as a reference for the selection and design of reversible pumped storage units within the same head range，as well as for ensuring the safe，stable，and efficient operation of similar small and medium-sized power stations.

Key words：

low water head； type selection analysis； mixed-flow reversible pump turbine； Zhongxiang Pumped Storage Power Station