水利工程論文-單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭的選擇摘要：本文對于單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭選擇目前還沒有較為成熟的方法，本文通過對電站運行情況、電網(wǎng)特點、水泵水輪機特性、經(jīng)濟性等方面，結合已建工程實際情況，分析額定水頭選擇的方法。關鍵詞：單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭電站額定水頭是水輪機發(fā)出額定功率所需要的最小水頭。對于單級混流可逆式水泵水輪機組，由于自身的特點，額定水頭選擇與常規(guī)電站有較大的區(qū)別，不僅僅是考慮電站設計保證率問題。單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭的選擇要從有利于機組運行、電力系統(tǒng)對電站運行方式的要求、水庫運行方式及綜合利用要求、電站的經(jīng)濟性等因素綜合考慮確定。1從電站實際運行情況考慮額定水頭1.1根據(jù)電站能量指標確定額定水頭在電力系統(tǒng)中，為滿足供電質量的要求，電量必須是平衡的。這也就要求有一部分機組必須擔任調峰任務，至使這些機組的利用小時數(shù)只能達到10002000h。根據(jù)胡振鵬等同志以JX電網(wǎng)為例，分析不同裝機利用小時與上網(wǎng)電價關系可以說明，當日利用小時小于6.5h時，抽水蓄能機組上網(wǎng)電價才比燃煤火電低，日本的池田洋一先生在對抽水蓄能電站、燃汽輪機組電站與燃煤火電站等的運行成本與裝機利用小時數(shù)進行分析后，也得出同樣的規(guī)律。從經(jīng)濟角度講，蓄能電站的運行時間不可能很長，主要擔任峰荷。根據(jù)國外蓄能電站的運行經(jīng)驗來看，蓄能電站主要是以事故備用、調峰、填谷為主，一般情況下，電站實際的年利用小時數(shù)在8001000h左右，有的甚至會更低。蓄能電站實際運行小時數(shù)遠達不到設計值，國內投產(chǎn)的電站也是如此。如廣蓄一期設計利用小時數(shù)為1983h，而實際利用小時數(shù)僅有1000h左右，十三陵抽水蓄能電站設計利用小時數(shù)為1558h，而實際利用小時數(shù)僅有900h。在單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭方案選擇時，可以以在上水庫滿庫條件下，機組滿負荷發(fā)電3h容量不受阻為原則確定額定水頭，作為比較方案之一。1.2根據(jù)水庫運行方式確定額定水頭在抽水電量有保證的前提下，電站出力的保證主要取決于電站水頭的變化狀況。機組的額定水頭如能接近或等于電站最小水頭，在機組位于低水頭范圍內能夠安全穩(wěn)定運行的條件下，電站保證出力為機組額定功率。對于單機混流可逆式水泵水輪機組，由于其本身特點，額定水頭往往比最小水頭高，在進行額定水頭選擇時，應根據(jù)電站所在電網(wǎng)水電比重、電站在電力系統(tǒng)的作用，以及電站運行方式和庫容條件等，綜合確定電站的額定水頭。從我國已投入運行的十三陵抽水蓄能電站、廣州抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電主站運行情況分析，上水庫降至死水位的機率是很小的。從十三陵抽水蓄能電站99年4月至2000年6月上水庫運行水位統(tǒng)計，上水庫無一天降至死水位，最低水位降至533.3m，距死水位531m還有2.3m，上水庫運行水位在平均水位548.5m以上的天數(shù)占統(tǒng)計總天數(shù)的79.7%。在進行單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭選擇時，可把上水庫平均水位對應的水頭作為一個比較方案。2從有利于機組運行方面選擇額定水頭單級混流式水泵水輪機組，是以水泵工況為主進行設計的，由于水泵與水輪機工況共用一個轉輪，它們之間存在固定的水力學關系，所以水輪機工況特性關系曲線只能在很小的范圍變化，這樣使水輪機工況的設計受到很大程度的制約，水輪機工況不可能處于最優(yōu)工作狀態(tài)。對于同一個蓄能電站來講，在相同水位條件下，水泵的揚程總是高于水輪機水頭，如果水泵水輪機在相同轉速下運行，水泵工況的最優(yōu)效率點對應的揚程比水輪機工況最優(yōu)效率點對應的水頭要低，水泵水輪機設計希望能縮小兩者差距，以便使水泵和水輪機工況均能處于較好運行狀態(tài)。在上、下水庫特征水位確定時，應盡量減少水位的變幅，縮小水泵工況最大揚程與水輪機工況最小水頭差距，使機組在各水頭下都能較好的運行，增大機組運行穩(wěn)定范圍。水泵水輪機選型可以以水泵工況為主，水輪機工況來校核，根據(jù)水泵工況模型的特性曲線，將水泵工況運行在高效區(qū)來確定水泵轉輪直徑D1和轉速n，以D1和n為已知條件，根據(jù)水輪機的模型特性曲線來校核水輪機工況最大、設計、最小水頭的效率，進而確定水輪機工況在各水頭對應的出力。如果水輪機額定水頭選取過低，水輪機效率偏低，不能達到額定容量，這時只能通過增大單位流量來解決，在電動發(fā)電機視在功率相等前提下，使水泵工況設計點揚程降低，從而降低水泵的運行效率；如果水輪機工況額定水頭選取過高，雖然可以使水輪機工況具有較高的效率，增加發(fā)電量，但在電站運行時，低水頭出現(xiàn)機率很多，受阻容量相對較大，對電網(wǎng)運行不利。所以，額定水頭確定應充分考慮水泵水輪機特點合理選擇。對于單級混流可逆式水泵水輪機組來講，首先應滿足穩(wěn)定的運行。單機混流可逆式水泵水輪機組運行穩(wěn)定性可分為水泵工況和水輪機工況。額定水頭的選擇主要是對水輪機工況穩(wěn)定運行影響較大，機組運行中壓力脈動和尾水管渦帶均是考察機組水輪機工況運行穩(wěn)定性重要指標，機組額定水頭提高可以改善水輪機工況滿負荷運行時機組壓力脈動和減小尾水管渦帶。但額定水頭選擇過高，受阻容量較大，對電站經(jīng)濟運行不利。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，機組額定水頭可以采用下式進行計算：Hr=H毛mink(H毛maxH毛min)H式中：Hr電站額定發(fā)電水頭；H毛max電站最大毛水頭；H毛min電站最小毛水頭；H發(fā)電工況水頭損失；k系數(shù)。上式中，只有k為不確定因素，通過圖對國內外一些大型抽水蓄能電站進行統(tǒng)計分析結果可以看出，我國設計抽水蓄能電站k值一般在0.20.5，而日本電站對機組穩(wěn)定運行因素考慮的更多些，K一般在0.50.9之間。從經(jīng)濟性方面考慮機組額定水頭額定水頭高，發(fā)電效率也高，發(fā)電量也比較大，機組引用流量也較小，從而可使土建工程投資有所減少，但機組容量受阻的可能性增大，有可能使機組的容量效益受到損失，反之亦然。這就存在經(jīng)濟比較問題。從電網(wǎng)對電站要求、水庫運行特性和有利于機組運行方面綜合考慮，按上述方法，確定幾個有代表性的額定水頭方案，根據(jù)電站水庫的庫容特性、機組特性曲線、電力系統(tǒng)調峰出力要求以及水庫的綜合利用要求等，計算豐、平、枯水年份不同額定水頭方案的電量、受阻容量等指標，同時根據(jù)各額定水頭對應的額定流量，確定各方案土建工程量和水頭損失。受阻的容量和電量通過調峰火電替代，替代火電裝機容量采用彌補峰荷電量所需容量與彌補出力受阻所需電量所需容量的最大值，根據(jù)各方案替代火電容量和土建工程量即可確定各方案的經(jīng)濟指標，從而達到經(jīng)濟比較的目的。結論單級混流可逆式水泵水輪機組額定水頭選擇要綜合考慮機組運行條件、電力系統(tǒng)對電站的要求、電站正常運行的水頭范圍、電站的經(jīng)濟性等因素。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的主要作用是調峰、調頻、調相及事故備用，在為系統(tǒng)節(jié)省