張河灣抽水蓄能電站額定水頭的討論

谷振富，尤莉莎，吳 妍，宋旭翔，王立然

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測魚鎮附近，距石家莊市（負荷中心）直線距離53 km，公路里程77 km，距井陘縣城45 km。有4臺250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機組，是1座裝機容量為1 000 MW的日調節的抽水蓄能電站。電站以1條500 kV線路接入冀南電網，承擔電網的調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等任務。

張河灣電站設計之初，水泵水輪機的額定水頭定為Hr=305 m。1995年，應水利水電規劃總院要求，進一步分析論證水泵水輪機的額定水頭，將額定水頭降至Hr=300 m。

由于近幾年，國內大型機組在穩定性方面相繼出現了一些問題，考慮到張河灣電站作為抽水蓄能電站，水頭變幅比較大，尤其是當電站水頭與揚程比變幅大的情況，流量是否匹配，匹配到何種程度，都將影響機組的穩定性。下面，我們就針對張河灣電站的具體情況，對電站額定水頭的確定展開分析。

2 分析認證

2.1 Hpmax/Htmin比值

受水泵工況限制，單轉速混流式水泵水輪機的水頭和揚程變幅不宜大。在水輪機工況運行時單轉速機組的導葉調節性能好，水頭變幅對其影響不大，但在水泵工況時，導葉調節的作用非常小，高效率區狹窄，揚程變幅過大將導致機組抽水效率急劇降低，振動強烈[1]。

混流式水泵水輪機的泵工況最大水頭和水輪機工況最小水頭比值Hpmax/Htmin以不超過1.2為宜，最多不能超過1.4。張河灣電站的Hpmax/Htmin比值約1.23。出于對機組運行穩定性的擔心，提出該電站Hpmax/Htmin比值較大的問題。

美國墾務局曾建議單轉速水泵水輪機最大與最小揚程[2]比如表1。

表1 美國墾務局建議單轉速水泵水輪機最大與最小揚程比

隨著水力機械制造業尤其是數字仿真技術應用的不斷發展，水泵水輪機的制造水平不斷升高，作為重要參數的水泵比轉速也在穩步提升，一些抽水蓄能機組中有不少超過了表中的變幅。

2.2 額定水頭與機組穩定性的關系

影響水泵水輪機穩定性的因素相對復雜。作為典型水力機械產生振動的重要原因之一，機組過流部件水壓脈動也是機組穩定性最主要的影響因素，所以轉輪的性能就至關重要。這里就必須要提到機組比轉速的選擇，它與機組的安全性、可靠性、穩定性密不可分，是表征機組技術與經濟性能的綜合指標，它對機組的效率、淹沒深度、轉輪尺寸與重量等均有影響。當比轉速提高時，機組的kp值增大，加大了水泵水輪機的制造難度，同時轉輪發生空蝕的風險加大，直接影響機組的穩定運行。在張河灣電站建設前期，已經確定了機組同步轉速333.3 r/min、比速系數（kp）約3 000，這就相當于確定了機組比轉速。

由于水泵水輪機分為水輪機和水泵2種工況，其功能特殊，所以壓力脈動在2種工況均有發生。水泵工況運行時，如機組額定水頭不同，但水頭變幅一定，此時機組穩定性是相同的。下面只要著重分析水輪機工況下機組的穩定性即可。

借鑒同為抽水蓄能電站的其他電站模型試驗結果及電站相關性試驗，分析在水頭變幅一定的情況下，額定水頭發生變化，機組穩定性的變化情況[3]，下面就以十三陵電站為例：

（1）導葉與轉輪間壓力脈動與尾水管中相比明顯較大。

（2）十三陵電廠430 m與440 m相比，80%Nr、60%Nr和50%Nr時，ΔH/H增大約0.8%～1.05%，100%Nr時ΔH/H最大，增大約1.5%。可見水頭越低，導葉與轉輪間壓力脈動越有增大趨勢。

（3）十三陵電站機組水頭變幅為47.6 m（最小水頭427.2 m、最大水頭474.8 m），假設將額定水頭增大10 m（由430 m提至440 m），是其水頭變幅的21%。同理，張河灣電站現將額定水頭增大5 m，由300 m提至305 m，而其水頭變幅約為59 m，也就是額定水頭提升了其水頭變幅的8.5%。按比例分析，機組導葉與轉輪間壓力脈動可減至小于8‰。

2.3 額定水頭不同對機組其他方面的影響

通過多方位試驗及向國際制造廠商咨詢，額定水頭不同時，對機組主要參數分析結果如下：

（1）當水頭變幅不變時，水泵工況效率、水泵最大出力等各參數均不發生變化；

（2）水輪機額定工況點效率差值在0至0.89%；

（3）機組吸出高度值未發生變化；

（4）穩定工況運行時，機組主要過流部件的壓力脈動與振動值基本不變。

3 結論

通過上述的詳細分析，當張河灣電站額定水頭由Hr=300 m提升至Hr=305 m時，得出如下結論：

（1）水泵水輪機在額定工況運行時的效率相差很小；

（2）壓力脈動雙振幅值ΔH/H最大只有約8‰的變幅；

（3）機組吸出高度值完全相同；

（4）當機組額定水頭Hr=300 m時，在額定工況運行時，流量相對增加，所以泥沙磨損稍微加大；

（5）機組飛逸轉速和額定水頭甩負荷，轉速上升略有增大，但壓力上升與機組軸向水推力均不會有任何影響。

綜合以上分析得出結論：張河灣電站機組運行穩定性不會受到額定水頭從設計的Hr=305 m降至Hr=300 m的影響。