1、单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头的选择摘要：本文对于单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头选择目前还没有较为成熟的方法，本文通过对电站运行情况、电网特点、水泵水轮机特性、经济性等方面，结合已建工程实际情况，分析额定水头选择的方法。 关键词：单级混流可逆式水泵水轮机组 额定水头 电站额定水头是水轮机发出额定功率所需要的最小水头。对于单级混流可逆式水泵水轮机组，由于自身的特点，额定水头选择与常规电站有较大的区别，不仅仅是考虑电站设计保证率问题。单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头的选择要从有利于机组运行、电力系统对电站运行方式的要求、水库运行方式及综合利用要求、电站的经济性等因素综合考虑确定。1 从电
2、站实际运行情况考虑额定水头 1.1 根据电站能量指标确定额定水头 在电力系统中，为满足供电质量的要求，电量必须是平衡的。这也就要求有一部分机组必须担任调峰任务，至使这些机组的利用小时数只能达到 10002000h。根据胡振鹏等同志以 JX 电网为例，分析不同装机利用小时与上网电价关系可以说明，当日利用小时小于 6.5h 时，抽水蓄能机组上网电价才比燃煤火电低，日本的池田洋一先生在对抽水蓄能电站、燃汽轮机组电站与燃煤火电站等的运行成本与装机利用小时数进行分析后，也得出同样的规律。从经济角度讲，蓄能电站的运行时间不可能很长，主要担任峰荷。根据国外蓄能电站的运行经验来看，蓄能电站主要是以事故备用、调
3、峰、填谷为主，一般情况下，电站实际的年利用小时数在 8001000h 左右，有的甚至会更低。蓄能电站实际运行小时数远达不到设计值，国内投产的电站也是如此。如广蓄一期设计利用小时数为 1983h，而实际利用小时数仅有 1000h 左右，十三陵抽水蓄能电站设计利用小时数为 1558h，而实际利用小时数仅有 900h。在单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头方案选择时，可以以在上水库满库条件下，机组满负荷发电 3h 容量不受阻为原则确定额定水头，作为比较方案之一。1.2 根据水库运行方式确定额定水头 在抽水电量有保证的前提下，电站出力的保证主要取决于电站水头的变化状况。机组的额定水头如能接近或等于电站最
4、小水头，在机组位于低水头范围内能够安全稳定运行的条件下，电站保证出力为机组额定功率。对于单机混流可逆式水泵水轮机组，由于其本身特点，额定水头往往比最小水头高，在进行额定水头选择时，应根据电站所在电网水电比重、电站在电力系统的作用，以及电站运行方式和库容条件等，综合确定电站的额定水头。从我国已投入运行的十三陵抽水蓄能电站、广州抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电主站运行情况分析，上水库降至死水位的机率是很小的。从十三陵抽水蓄能电站 99 年 4 月至 2000 年 6 月上水库运行水位统计，上水库无一天降至死水位，最低水位降至 533.3m，距死水位 531m 还有2.3m，上水库运行水位在平均水位
5、548.5m 以上的天数占统计总天数的79.7%。在进行单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头选择时，可把上水库平均水位对应的水头作为一个比较方案。2 从有利于机组运行方面选择额定水头 单级混流式水泵水轮机组，是以水泵工况为主进行设计的，由于水泵与水轮机工况共用一个转轮，它们之间存在固定的水力学关系，所以水轮机工况特性关系曲线只能在很小的范围变化，这样使水轮机工况的设计受到很大程度的制约，水轮机工况不可能处于最优工作状态。对于同一个蓄能电站来讲，在相同水位条件下，水泵的扬程总是高于水轮机水头，如果水泵水轮机在相同转速下运行，水泵工况的最优效率点对应的扬程比水轮机工况最优效率点对应的水头要低，水泵水
6、轮机设计希望能缩小两者差距，以便使水泵和水轮机工况均能处于较好运行状态。在上、下水库特征水位确定时，应尽量减少水位的变幅，缩小水泵工况最大扬程与水轮机工况最小水头差距，使机组在各水头下都能较好的运行，增大机组运行稳定范围。水泵水轮机选型可以以水泵工况为主，水轮机工况来校核，根据水泵工况模型的特性曲线，将水泵工况运行在高效区来确定水泵转轮直径 D1 和转速 n，以 D1 和 n 为已知条件，根据水轮机的模型特性曲线来校核水轮机工况最大、设计、最小水头的效率，进而确定水轮机工况在各水头对应的出力。如果水轮机额定水头选取过低，水轮机效率偏低，不能达到额定容量，这时只能通过增大单位流量来解决，在电动发
7、电机视在功率相等前提下，使水泵工况设计点扬程降低，从而降低水泵的运行效率；如果水轮机工况额定水头选取过高，虽然可以使水轮机工况具有较高的效率，增加发电量，但在电站运行时，低水头出现机率很多，受阻容量相对较大，对电网运行不利。所以，额定水头确定应充分考虑水泵水轮机特点合理选择。对于单级混流可逆式水泵水轮机组来讲，首先应满足稳定的运行。单机混流可逆式水泵水轮机组运行稳定性可分为水泵工况和水轮机工况。额定水头的选择主要是对水轮机工况稳定运行影响较大，机组运行中压力脉动和尾水管涡带均是考察机组水轮机工况运行稳定性重要指标，机组额定水头提高可以改善水轮机工况满负荷运行时机组压力脉动和减小尾水管涡带。但额
8、定水头选择过高，受阻容量较大，对电站经济运行不利。根据以往工程经验，机组额定水头可以采用下式进行计算：Hr= H 毛 min k (H 毛 maxH 毛 min)H式中：Hr 电站额定发电水头；H 毛 max 电站最大毛水头；H 毛 min电站最小毛水头；H发电工况水头损失；k系数。上式中，只有 k 为不确定因素，通过图对国内外一些大型抽水蓄能电站进行统计分析结果可以看出，我国设计抽水蓄能电站 k 值一般在0.20.5，而日本电站对机组稳定运行因素考虑的更多些，K 一般在0.50.9 之间。 从经济性方面考虑机组额定水头 额定水头高，发电效率也高，发电量也比较大，机组引用流量也较小，从而可使土
9、建工程投资有所减少，但机组容量受阻的可能性增大，有可能使机组的容量效益受到损失，反之亦然。这就存在经济比较问题。从电网对电站要求、水库运行特性和有利于机组运行方面综合考虑，按上述方法，确定几个有代表性的额定水头方案，根据电站水库的库容特性、机组特性曲线、电力系统调峰出力要求以及水库的综合利用要求等，计算丰、平、枯水年份不同额定水头方案的电量、受阻容量等指标，同时根据各额定水头对应的额定流量，确定各方案土建工程量和水头损失。受阻的容量和电量通过调峰火电替代，替代火电装机容量采用弥补峰荷电量所需容量与弥补出力受阻所需电量所需容量的最大值，根据各方案替代火电容量和土建工程量即可确定各方案的经济指标，从而达到经济比较的目的。结论 单级混流可逆式水泵水轮机组额定水头选择要综合考虑机组运行条件、电力系统对电站的要求、电站正常运行的水头范围、电站的经济性等因素。抽水蓄能电站在电网中的主要作用是调峰、调频、调相及事故备用，在为系统节省燃料费用的同时，也提高了供电质量，在某种程度上讲，电站运行的稳定性、可靠性更为重要。根据单级混流可逆式水泵水轮机组特性、水库运行特点、电力系统调峰要求等，在电站的经济性允许的前提下，应尽量选用较高的额定水头，以便使机组高效、稳定的运行。参考资料：抽水蓄能电站陆佑楣 潘家铮主编 水利电力出版社
