江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司 江苏 213334
摘要：水泵水轮机组选型对抽水蓄能电站而言发挥着极为重要的作用。水泵水轮机兼具水轮机和水泵两个功能，但是其属性还是受水轮机比转速和水泵比转数的影响。前期选型方案的制定，设计院的经验很重要，业主方从整体工程的角度考虑对机组参数方案的制定进行决策。
关键词：抽水蓄能电站；水泵；水轮机组选型
引言
抽水蓄能电站机组具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，在系统中主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用任务。在特高压电网与新能源快速发展的新时期，抽水蓄能电站也被赋予了更重要的任务，是电力系统重要调节工具，可以为特高压电网大范围优化配置资源、促进清洁能源消纳提供有力支撑。同时，特高压电网发展也为抽水蓄能电站功能发挥提供了更优质平台、更丰富渠道和更广阔空间。“十三五”期间，抽水蓄能产业建设发展规模日益加快。作为抽水蓄能电站的机组，可逆式水泵水轮机的稳定运行越来越受到重视。
1储能技术概述
储能技术已经成为电力系统运行环节中的重要组成部分，在其中起着重要的作用。它可以消除可再生能源的随机性和间歇性，提高电力系统的稳定性；可以替代部分火电机组的工作，达到系统节能减排的目的；可以更好地实现需求侧管理，减少昼夜之间的峰谷差异，提高电能的转换效率，节约电力系统传输的成本消耗，加强系统抵御风险的能力。储能技术的研究发展给电力行业带来了积极的影响。按照电能存储形式的区别，可以将其划分为物理储能、生物储能等，将储能的种类进行综合比较分析，发现抽水储能电站的方式是最具性价比的，它的运行方式灵活，在目前的电力系统中应用广泛，为电力系统的稳定运行提供了可靠地保证，越来越受到各国重视。近些年来，我国的抽水储能技术也迎来了日新月异的发展，建容量已经居于世界首位，投产装机的容量也有望在近期有更大的突破，就抽水储能装机容量的占有比来说，我国较于西方发达国家仍然有着很大的差距。
2抽水蓄能电站水泵水轮机组选型方法
2.1比转速的确定
比转速和比转数是水泵水轮机的两个重要参数，它直接决定着水泵水轮机的机组性能。水轮机的比转速一般由设计点来决定，是设计水头的函数，因此设计水头的选择对比转速有比较大的影响。水轮机工况比转速计算公式为：
图2 比转速的选择
在同样的条件下，比转速适当选择大一点对水力设计比较有利，可以作出性能更优异的机组。但是需要同时兼顾发电机的性能，因此比转速的高低以适中为原则，兼顾先进性和稳定性。
2.2加权因子
加权因子是影响机组性能的关键要素，尤其是高加权因子点的分布是影响机组设计的重要因素。对于常规机组而言，加权平均效率是影响电站经济效益的重要指标。因此业主尤其希望加权平均效率高，可以获得更多经济效益。然而对于目前的抽水蓄能电站而言，经济效益与发电效率并不挂钩。经济效益和保障电网的安全性挂钩。就目前电站的加权因子分布而言，高加权因子的分布集中靠近额定点的80%以上负荷。而对电站的实际情况而言，为了保障电网的安全要求，抽水蓄能机组经常运行在40%~70%的负荷区间。根据加权因子的分布，对于厂家水力设计而言，必须将机组的高效区靠近70%~100%负荷区间。然而从机组的实际运行而言，需要在40%~70%的负荷区间高频率运行，而这一区域的压力脉动、振动和噪音都比较大。目前对水泵工况的设计而言，对于超过700m的超高水头抽水蓄能电站而言，为了保障机组在水轮机工况的稳定性，往往把水泵的最优点位置放置在最低扬程附近，没有集中在最高扬程和最低扬程的中间区域。这样保证机组的安全稳定。对于400m水头段的水泵最优点是处于最高扬程和最低扬程之间的区域。
2.3吸出高度Hs
吸出高度是保证抽水蓄能电站无空化运行的根本条件，目前对抽水蓄能电站的空化要求σp/σi≥1.05。一般抽水蓄能电站扬程变幅越大，要求的吸出高度Hs越大。水轮机甩负荷时，会产生压力下降，严重时会产生水柱分离，一定的吸出高度是保证不出现水柱分离的先决条件。日本采用公式（5）作为选择吸出高度的准则
该公式由于历史原因，量纲并不和谐，在该公式中增添重力加速度g项如公式（7），保证了量纲和谐。
高的吸出高度在压气调相运行时会产生剧烈的空化漩涡，导致尾水管水面产生扰动，会造成漏气增加，增加尾水管的高度会减小漏气损失，一般要求尾水管的高度不小于10m。如果单纯从满足抽水蓄能机组无空化运行的角度，吸出高度的要求并不高。但是由于目前的抽水蓄能机组越来越倾向于一管多机，运行的工况比较多，为了保证机组在实际运行时的过渡过程特性，因此需要比较大的吸出高度。
2.4压力脉动
压力脉动是决定机组稳定性的关键要素，这就要求抽水蓄能电站在设计时土建厂房的固有频率和水力频率一定要有足够的错频余量。另外压力脉动的幅值一定要控制在合理的范围内。这对抽水蓄能机组而言尤为重要。对于抽水蓄能机组各部位的压力脉动特点不同。蜗壳进口的压力脉动，一般蜗壳本身内的流动不会产生任何类型的压力脉动，在其测量到的压力脉动往往是其他部位传递而来。如尾水管内水体共振传来的压力脉动，无叶区动静干涉产生的压力脉动。尾水管内压力脉动，分为同步和非同步压力脉动，对机组的振动和摆度会产生影响。由于吸出高度很高，不会产生高部分负荷压力脉动。顶盖压力脉动，一般是转轮上密封间隙压力脉动和弓状回旋引起的压力脉动，频率为一倍转频，与水力特性无关。通过优化顶盖结构，控制顶盖和转轮上冠之间的距离以及轴系的稳定性，同时尽量减弱无叶区压力脉动传递到顶盖区域，从而控制顶盖内的压力脉动。无叶区（导叶后和转轮前）内的压力脉动，是水泵水轮机内最重要的压力脉动，主频为转轮叶片数通过频率或者谐频。是转轮叶片和活动导叶出口不均匀流场相互干涉的结果，可在流场中向上下游传播。目前招标条件中对无叶区压力脉动的规定，有的采用分区的模式，即以额定水头为界，最低水头到额定水头为一个分区，额定水头到最高水头为一个分区。
结语
本文从水力设计的角度，对机组初期选型的一些基本参数，提出了一些建议。参数的选择是基于以往的工程数据和设计经验提出的，供业界参考。
参考文献：
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[3]胡旭光.水泵水轮机不稳定性运行的初步探讨[J].水电站机电技术，2001（2）：18-20.
论文作者:王娟娟
论文发表刊物:《防护工程》2019年15期
论文发表时间:2019/11/29
标签：机组论文; 水轮机论文; 电站论文; 水泵论文; 压力论文; 水头论文; 转速论文; 《防护工程》2019年15期论文;