荒溝抽水蓄能電站機組額定水頭的選擇

王云寬，張亞迅，于 洋

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.南水北調中線干線工程建設管理局河北直管建管部，河北石家莊050035)

1 概 況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內。電站距牡丹江市130 km，距蓮花壩址43 km。電站由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫、地面開關站及副廠房系統組成。電站總裝機容量為1 200 MW，年發電1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承擔黑龍江省及東北電網的調峰、填谷、調頻和事故備用任務。

1）水輪機工況凈水頭：最大水頭為445.6 m；額定水頭為410.0 m；最小水頭為405.3 m。

2）水泵工況動揚程。最大揚程為454.7 m；最優效率點揚程為428.0 m；最小揚程為418.6 m。

2 確定水輪機工況額定水頭的因素

抽水蓄能電站的水泵水輪機既要作水輪機運行、又要作水泵運行，由于水道系統和機組本身流道引起一定的水頭損失，使得水泵工況下水泵揚程必然大于上下庫的靜水位差，而發電時水輪機發電水頭小于靜水位差，這樣，單轉速水泵水輪機不可能同時滿足兩種工況的最優轉速條件。由于水泵工況無法通過控制導水葉開度來調節流量和輸入功率，水泵的高效區較窄，所以總是先以水泵工況為主進行水泵水輪機的水力設計，再用水輪機工況校核。由于水泵水輪機特性和引水系統水力損失的原因，造成水輪機工況總是偏離最優效率區運行，即處于最優效率區以下的運行水頭范圍。一般來說，水泵水輪機的額定水頭選得越高，水輪機工況的高出力運行范圍就越靠近最優效率區，也就越有利于機組參數的優化和穩定性的提高。

根據對國外102座抽水蓄能電站的統計，有66座抽水蓄能電站的額定水頭高于算數平均水頭，17座抽水蓄能電站額定水頭與算數平均水頭相同，19座抽水蓄能電站額定水頭低于算數平均水頭。而低于算數平均水頭的抽水蓄能電站都是水頭變幅較小的。按照水利水電動能設計規范，一般情況下，抽水蓄能機組的發電水頭可按滿發額定容量時最小的上、下水庫水位差減去相應的水頭損失確定。

合理地選擇水泵水輪機水輪機工況額定水頭，應根據電站的水頭特性，以加權平均水頭為基礎，從保證機組穩定運行出發，擬定不同方案，分析計算電站預想出力降低對電力系統的影響及機組參數的變化對電站投資的影響，通過技術經濟比較后確定。因此，水泵水輪機水輪機工況額定水頭的選擇，是一項涉及到多個方面的綜合性工作，一般來講，需要考慮以下幾方面的內容：電站的運行方式、在系統中的作用和電力系統對機組運行性能的要求；在電站正常運行范圍內，水泵水輪機要有較高的綜合效率；水泵水輪機的水力設計合理，水輪機工況和水泵工況參數能合理匹配；水輪機工況在低水頭和部分負荷條件下應能夠穩定運行，并能穩定地并入電網；在一個工作周期內，發電工況和抽水工況基本上達到水量平衡。

3 國內外抽水蓄能電站額定水頭的選取情況

我國水利水電動能設計規范對額定水頭的選取作了如下原則性的規定：“抽水蓄能機組額定水頭、額定揚程選擇應根據上、下庫水位變幅、水頭損失及電站運行方式分析確定”。因為用電負荷特性和電站在系統中的作用不同，電站運行方式會有很大差異，所以在確定該值時具有較大的靈活性。

日本關于額定水頭的選擇方法是按電站日滿發利用1 h的上下游水位差減去相應的水頭損失，故額定水頭一般處于電站運行水頭段接近高水頭1/3處。

從收集到的其他國家電站資料來看，額定水頭一般多在算術平均水頭附近。國內外抽水蓄能電站最高水頭與額定水頭的比值一般小于等于1.1（即Hmax/Hr）。

4 荒溝抽水蓄能電站水輪機工況額定水頭的選擇

荒溝電站為純抽水蓄能電站，水頭變幅并不大（Hpmax/Htmin=1.12），從電站的運行效益看，在系統中運行應以容量效益為主，水輪機工況額定水頭的選擇應在保證機組安全穩定運行的前提下，盡可能減少電站容量的受阻。

根據上述考慮因素和國內外抽水蓄能電站額定水頭選取情況，擬定3個額定水頭的方案（即額定水頭414.5，410.0，405.3 m）進行比較。計算結果詳見表1。

表1 額定水頭比較-水泵水輪機參數匯總表

從表1中數據分析：

1）對水輪機綜合效率的影響：隨著額定水頭降低，額定水頭至最小水頭各最大負荷區間附近的效率有所下降。但由于3個方案額定工況的單位參數變化不大，引起的水輪機工作范圍變化不大，故對水輪機效率的影響也不大

2）對機組運行穩定性的影響：隨著額定水頭降低，水輪機部分工況更加靠近不穩定區域。但由于水頭變幅較小，3個方案的差距并不明顯，距離不穩定區域都有一定的安全余量。

從已建和在建工程的抽水蓄能機組水輪機工況電站水頭特征系數K=(Hr-Hmin)/(Hmax-Hmin)的分布趨勢看，國內電站大多在K=0.2～0.5，額定水頭均在算術平均水頭以下；國外電站K值較高，額定水頭選擇較高。當機組額定水頭提高時，機組在額定點發額定出力時導葉開度相對較小，轉輪出口水流均勻分布，在最優單位轉速時水流為法相出口，壓力脈動最小。如果水泵水輪機的實際運行水頭比最優工況水頭低，水輪機的單位轉速比最優單位轉速大，此時轉輪出口有正的速度矩，會產生尾水管渦帶。當水輪機工況運行在低水頭時，尾水管的壓力脈動加大。提高水輪機的額定水頭后，水輪機工作點向最優單位轉速方向偏移，這可以降低水輪機在最小水頭運行時尾水管振動大的危險性。所以，在一定范圍內提高額定水頭對機組運行穩定性有一定好處。

5 結語

根據以上分析，考慮荒溝抽水蓄能電站水頭變幅較小，并結合黑龍江省電網及東北電網的特點，在保證了機組安全穩定運行的前提下，盡可能減少了電站容量受阻。經技術經濟綜合分析比較確定荒溝抽水蓄能電站額定水頭為410.0 m。