寧波梅山港抽水蓄能電站機組選型分析

摘要：寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭高、裝機容量較小，機組參數的選擇直接影響到機組的安全穩定運行和電站的經濟性。為了確定該電站機組的主要性能參數，在電站裝機臺數和單機容量比選的基礎上，開展了抽蓄機組選型分析研究。通過對額定水頭、比轉速和額定轉速、吸出高度等機組參數進行比選論證，最終推薦電站裝設2臺單機容量80 MW水泵水輪機組、額定水頭為321.0 m、額定轉速為600 r/min、吸出高度為-65 m。研究成果可為中高水頭、中小容量抽蓄機組選型設計以及安全穩定運行提供借鑒。

關鍵詞：抽蓄機組； 機組選型； 參數選擇； 梅山港抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV734.1""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.008

文章編號：1006-0081（2024）08-0052-07

抽水蓄能機組額定水頭、額定轉速、吸出高度等主要性能參數的合理選擇會直接影響到機組的安全穩定運行與電站的經濟效益。目前，國內的中高水頭、中小容量的抽水蓄能電站工程案例較少，可供借鑒的中小抽蓄機組選型設計經驗有限。根據電站運行特點及國內外抽蓄機組的選型設計經驗［1-3］，針對寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭較高、裝機容量較小的特點，本文開展該電站機組選型分析研究，通過對裝機臺數、額定水頭、比轉速及額定轉速、吸出高度等的比選論證，確定了機組各項主要性能參數，研究成果可為中高水頭、中小容量抽蓄機組選型以及機組安全穩定高效運行提供參考。

1 工程概況

寧波北侖梅山港抽水蓄能電站位于浙江省寧波市北侖區福泉山，距寧波市中心約69 km。電站裝機容量為160 MW，電站裝機連續滿發小時數為 5 h。電站建成后，主要承擔寧波市電網調峰、填谷、儲能、調頻、調相及緊急事故備用等任務。

2 電站基本參數

2.1 上下游水位

電站上下游水位相關參數如下（P為洪水頻率）。

上水庫校核洪水位（P=0.33%）" 375.21 m

上水庫設計洪水位（P=2%）375.03 m

上水庫正常蓄水位374.6 m

上水庫死水位350.0 m

下水庫校核洪水位（P=0.5%）46.18 m

下水庫設計洪水位（P=2%）45.93 m

下水庫正常蓄水位44.70 m

下水庫抽蓄最低運行水位25.50 m

下水庫死水位6.50 m

2.2 水頭（揚程）

電站上下游水頭（揚程）相關參數如下。

最大水頭（單臺機組空載）348.97 m

最大水頭（單臺機組滿發）346.02 m

最小水頭298.44 m

算術平均水頭322.23 m

最大揚程352.68 m

最小揚程307.98 m

最大揚程/最小水頭1.182

3 機組型式選擇

寧波北侖梅山港抽水蓄能電站水頭為300～400 m，電站水頭變幅處于規范要求范圍之內，推薦水泵水輪機采用單級立軸單轉速混流可逆式水泵水輪機。

4 單機容量及裝機臺數選擇

在考慮機組設計、制造難度和水平的基礎上，盡可能選擇單機容量大、臺數少的方案，有利于降低電站工程投資，同時還要兼顧考慮電力系統的技術要求、電站建設條件、電站運行方式、樞紐布置、大件運輸條件、電氣設備選擇、運行調度靈活性、施工工期等因素［4-6］。

根據電力電量平衡計算、動能經濟分析和綜合比較結果，擬定該電站裝機容量為160 MW。遵循NB/T 10878-2021《水力發電廠機電設計規范》中“在技術經濟指標相當的情況下，宜采用較大容量的機組，機組臺數一般不少于兩臺”的設計要求，考慮該電站的實際特點和將來在系統中的作用，基于經濟合理、技術可行、運行靈活、安全穩定的原則，擬定2×80 MW、3×53.3 MW、4×40 MW這3個單機容量與機組臺數比選方案。4×40 MW方案單機容量很小，機組臺數較多，明顯不經濟，所以不選用此

方案。再對擬定裝機2×80 MW方案（方案1）、3×53.3 MW方案（方案2）進行技術經濟比選，不同單機容量及裝機臺數的機組主要技術參數以及機組造價、土建投資對比如表1所示。可以得出以下結論：

（1） 參數水平。寧波北侖梅山港抽水蓄能電站不同裝機臺數方案水輪機工況額定水頭對應比速系數Kt均為2 300左右，水泵工況最小揚程對應比速系數Kp均為3 000。兩方案參數水平（比速系數）相當，水輪機工況和水泵工況參數均在同水頭段類似電站的統計范圍內，與同水頭段部分已投運、在建的電站參數水平相當。

（2） 制造難度及可行性分析。國內部分抽水蓄能電站機組制造難度系數如表2所示。

從機組制造運行經驗看，國內300～400 m水頭段抽蓄機組單機容量多為200～300 MW，本電站2個裝機臺數方案的水泵水輪機制造難度系數（Hpmax×D21/1 000）分別為2.57，1.71，發電電動機綜合制造難度系數（Sn×nr/10 000）分別為5.33，444，均處于該水頭段已建電站水泵水輪機、發電電動機制造難度系數統計范圍內。為此，機組設計、生產、制作均不存在制約性因素，但是方案2轉速高達750 r/min，機組容量小，發電電動機尺寸小，發電電動機通風設計存在一定難度。

（3） 輸水系統布置分析。方案1輸水系統采用“一洞兩機”布置型式，輸水系統可采用國內典型的抽水蓄能電站布置型式，有利于簡化施工方案和縮短工期。方案2輸水系統采用“一洞三機”的布置型式，較方案1而言，調節保證計算工況相對復雜。

（4） 大件運輸。經咨詢設備廠家，方案1和方案2主要機電設備尺寸、重量均較小，市內及場內交通均滿足要求，大件運輸均不存在制約性因素。

（5） 工期分析。方案1與方案2相比，首臺機發電工期基本相同，方案2由于裝機臺數多，總工期比方案1長3個月。

（6） 工程投資。經過計算分析，方案2主要機電及金屬結構設備的投資比方案1要多約1 378萬元，方案2建筑工程投資比方案1要多約5 431萬元，方案2靜態總投資比方案1要多約8 986萬元。

經綜合技術經濟比較，方案1、方案2技術上均可行，方案1經濟上較優，為此推薦寧波北侖梅山港抽水蓄能電站采用裝設2臺單機容量80 MW水泵水輪機組方案。

5 額定水頭選擇

額定水頭的選擇，需考慮到電力系統的結構模式和系統需求的實際情況，充分發揮抽水蓄能電站的容量效益。同時，要考慮水泵水輪機的結構特點及運行特性，保證水泵水輪機在全部運行范圍內能穩定運行，并獲得較高的加權平均效率［7-8］。

根據國內外工程實踐經驗，從水力機械專業角度考慮，對于水頭變幅較大的抽水蓄能電站，額定水頭不宜小于算術平均水頭。對于水頭變幅較小的抽水蓄能電站，額定水頭可略低于加權平均水頭和算術平均水頭。根據國內工程實例和設計經驗，額定水頭選用的合理性可用消落深度系數K來判斷：

K=Htr-HtminHtmax-Htmin

式中：Htr為額定水頭，Htmax為最大水頭，Htmin為最小水頭。

根據工程實例和設計經驗，統計出國內已建和在建的300～400 m水頭段部分抽水蓄能電站水頭參數，如表3所示。可以看出，國內已建和在建的300～400 m水頭段抽水蓄能電站機組消落深度系數K值在033～0.55之間，機組最大水頭與額定水頭的比值Htmax/Htr在1.07～1.12之間。

抽水蓄能電站在系統中主要承擔調峰、填谷、儲能、調頻、調相和緊急事故備用任務，系統對抽水蓄能電站機組運行的穩定性要求也越來越高，額定水頭的適當提高可使機組運行范圍更加靠近高效率區，有利于機組運行穩定性和平均效率的提高。若水輪機工況額定水頭選得偏低，高水頭部分負荷小開度時，進口沖角較大，易產生葉道渦，不利于水輪機運行穩定［9-10］。經咨詢國內外相關機組廠家，廠家建議該水頭段機組最大水頭與額定水頭的比值不宜高于110，寧波北侖梅山港抽水蓄能電站最大水頭為34897 m，為此額定水頭不宜低于318.0 m，滿足要求。

隨著國內電網能源結構調整，光伏、風電等新能源在電網中的占比不斷上升，電網系統對抽水蓄能電站的依賴性越來越強，在選擇電站額定水頭時通常需注重容量效益，盡可能降低額定水頭來減少出力受阻，為此額定水頭值不宜選取過高。同時，該電站算術平均水頭為322.23 m，而水頭變幅最大揚程/最小水頭（Hpmax/Htmin）=1.182相對較小，因此，額定水頭的選取略低于算數平均水頭。

通過以上因素綜合考慮，本文選取了318.0（方案1），321.0 m（方案2）和324.0 m（方案3）共3個額定水頭方案進行比較分析，各方案水泵水輪機主要參數如表4所示。

參照類似電站水泵水輪機全特性曲線，繪制各額定水頭方案在全特性曲線所處的位置，如圖1所示。由圖1可知，額定水頭越高，在水泵水輪機全特性曲線上表現為其額定點離“S”區越遠，不易進入反水泵區，穩定性會更好。因此，選取較高的額定水頭有利于提高水泵水輪機的運行穩定性。

此外，對寧波北侖梅山港抽水蓄能電站各額定水頭方案進行分層計算，得到各額定水頭方案容量受阻情況如表5所示。

由表5可見，Htr=318.0 m、321.0 m、324.0 m這3個額定水頭比選方案可分別保證電站日調節連續運行2.1 h、1.5 h和0.9 h左右出力不受阻。綜合考慮電站機組運行穩定性、效率和電站容量效益等因素，本文推薦方案2，水輪機工況額定水頭為321.0 m。

6 額定轉速選擇

機組額定轉速主要根據擬定的水泵水輪機參數、單機容量以及對機組特性的影響等來綜合考慮選定，水泵水輪機比轉速及額定轉速的高低將直接影響到機組尺寸、重量、效率、空化及運行穩定性［11-12］。

參照統計的最近已投入電站的參數水平，適合該電站的機組轉速有600 r/min、750 r/min兩種方案，主要技術參數對比如表6所示。

國內外已建和在建的300～400 m水頭段部分抽蓄機組水輪機工況、水泵工況比轉速與水頭關系曲線如圖2，3所示。

由表6以及圖2、圖3可見，不同額定轉速方案，水輪機參數水平不同，其中，750 r/min轉速方案比速系數水平要高出600 r/min轉速方案約25%。600 r/min轉速方案，水泵水輪機參數在該水頭段統計的電站水泵水輪機參數水平范圍之內。750 r/min 轉速方案，水輪機工況額定水頭對應比速系數Kt高達2 829，水泵工況最低揚程對應比速系數Kp高達3 737，水泵水輪機參數處于該水頭段統計的電站水泵水輪機參數的中等偏上水平。

隨著機組轉速提高，機組尺寸及重量減小，但機組所需淹沒深度加大，機組空化性能變差，半地下廠房土建開挖深度加深，橋機起吊高度和難度增加，發電電動機通風等設計難度增加。與此同時，國內只有回龍抽水蓄能電站的機組轉速達到750 r/min，其他所有抽水蓄能電站機組轉速均低于750 r/min，可供借鑒的高轉速抽蓄機組的工程案例少。

因此，從技術可行、經濟合理、節省土建工程量、參數優化匹配等角度綜合考慮，并咨詢各機組制造廠家，推薦寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機組額定轉速為600 r/min。

7 吸出高度及安裝高程

水泵水輪機水泵工況時進口撞擊和低壓區都發生在葉片進口處，因之動壓降較大，空化性能較差；而水輪機工況水流撞擊多發生在葉片進口邊，葉片低壓區在出口附近，因之動壓降較小，空化性能較好。因此，水泵水輪機主要以水泵工況的空化特性作為限制條件。根據國內外不同的統計公式計算出該電站的吸出高度范圍為-31～-51 m。同時，考慮到本電站上、下游均不設置調壓室，調節保證設計計算時，尾水管進口最小壓力等指標需滿足規范要求，各機組制造廠家推薦的該電站吸出高度范圍為-55～-70 m。結合調節保證設計計算結果，本文選取最大揚程下機組的吸出高度Hs=-65 m，對應機組安裝高程為-39.50 m。

8 機組推薦參數

結合上述裝機臺數、額定水頭、額定轉速等參數比選，并經咨詢有關機組制造廠家，寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機組主要技術參數詳見表7。

9 結 語

在抽水蓄能電站機組選型設計時，應結合電站特有的水力特性和運行要求等具體特點，從技術、經濟、運行穩定性和運行維護管理等各方面進行分析，并進一步通過機組參數水平、加工制造能力、樞紐布置、工程投資、綜合效益等各方面進行綜合比選，以確定機組裝機臺數、額定水頭、轉速、吸出高度機組各項特征參數，確保機組長期安全穩定運行。本文所闡述的寧波北侖梅山港抽水蓄能電站機組相關的選型設計方法，可以為類似水頭較高、容量較小的抽水蓄能電站機組選型設計及安全穩定運行提供參考。

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編輯：李 慧

Lectotype analysis of pumped-storage unit for Ningbo Meishan Port Pumped Storage Power Station

ZHANG Xun1，MOU Biao2，SHI Xiaoxiao1，MAO Xinying1，WANG Fen1，LI Yingzhou1

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China；

2.Xinjiang Fukang Pumped Storage Co.，Ltd.，Fukang 831500，China）

Abstract：

The characteristics of Ningbo Beilun Meishan Port Pumped Storage Power Station has the characteristics of high water head and small installed capacity. Therefore，the selection of unit parameters directly affects the safety and stability of the unit and the economy of the power station. To determine the main performance parameters of the pumped-storage unit of Ningbo Beilun Meishan Port Pumped Storage Power Station，a research on the lectotype analysis of the pumped-storage unit for the power station was conducted based on the comparison and selection of different unit capacity and installed number of the power station. The main performance parameters of the pumped-storage unit，including the unit capacity of 80 MW，the installed number of two，the rated head of 321.0 m，the rated speed of 600 r/min，and the suction height of -65 m ，etc.，were determined through the comparison and demonstration of the rated head，specific speed，rated speed，suction height，etc. The research results can provide a reference for the selection and design of medium to high head，small and medium-sized capacity pumped-storage units，as well as safe and stable operation.

Key words：

pumped-storage unit；unit lectotype selection；parameters selection； Meishan Port Pumped Storage Power Station

作者簡介：章 勛，男，工程師，主要從事水力機械設計工作。E-mail：hhuzhangxun@163.com

引用格式：章勛，牟飆，師小小，等.寧波梅山港抽水蓄能電站機組選型分析［J］.水利水電快報，2024，45（8）：52-58.