张河湾抽水蓄能电站额定水头的讨论

谷振富，尤莉莎，吴 妍，宋旭翔，王立然

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 概述

张河湾抽水蓄能电站位于石家庄市井陉县测鱼镇附近，距石家庄市（负荷中心）直线距离53 km，公路里程77 km，距井陉县城45 km。有4台250 MW的单级混流可逆式水泵水轮机组，是1座装机容量为1 000 MW的日调节的抽水蓄能电站。电站以1条500 kV线路接入冀南电网，承担电网的调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务。

张河湾电站设计之初，水泵水轮机的额定水头定为Hr=305 m。1995年，应水利水电规划总院要求，进一步分析论证水泵水轮机的额定水头，将额定水头降至Hr=300 m。

由于近几年，国内大型机组在稳定性方面相继出现了一些问题，考虑到张河湾电站作为抽水蓄能电站，水头变幅比较大，尤其是当电站水头与扬程比变幅大的情况，流量是否匹配，匹配到何种程度，都将影响机组的稳定性。下面，我们就针对张河湾电站的具体情况，对电站额定水头的确定展开分析。

2 分析认证

2.1 Hpmax/Htmin比值

受水泵工况限制，单转速混流式水泵水轮机的水头和扬程变幅不宜大。在水轮机工况运行时单转速机组的导叶调节性能好，水头变幅对其影响不大，但在水泵工况时，导叶调节的作用非常小，高效率区狭窄，扬程变幅过大将导致机组抽水效率急剧降低，振动强烈[1]。

混流式水泵水轮机的泵工况最大水头和水轮机工况最小水头比值Hpmax/Htmin以不超过1.2为宜，最多不能超过1.4。张河湾电站的Hpmax/Htmin比值约1.23。出于对机组运行稳定性的担心，提出该电站Hpmax/Htmin比值较大的问题。

美国垦务局曾建议单转速水泵水轮机最大与最小扬程[2]比如表1。

表1 美国垦务局建议单转速水泵水轮机最大与最小扬程比

随着水力机械制造业尤其是数字仿真技术应用的不断发展，水泵水轮机的制造水平不断升高，作为重要参数的水泵比转速也在稳步提升，一些抽水蓄能机组中有不少超过了表中的变幅。

2.2 额定水头与机组稳定性的关系

影响水泵水轮机稳定性的因素相对复杂。作为典型水力机械产生振动的重要原因之一，机组过流部件水压脉动也是机组稳定性最主要的影响因素，所以转轮的性能就至关重要。这里就必须要提到机组比转速的选择，它与机组的安全性、可靠性、稳定性密不可分，是表征机组技术与经济性能的综合指标，它对机组的效率、淹没深度、转轮尺寸与重量等均有影响。当比转速提高时，机组的kp值增大，加大了水泵水轮机的制造难度，同时转轮发生空蚀的风险加大，直接影响机组的稳定运行。在张河湾电站建设前期，已经确定了机组同步转速333.3 r/min、比速系数（kp）约3 000，这就相当于确定了机组比转速。

由于水泵水轮机分为水轮机和水泵2种工况，其功能特殊，所以压力脉动在2种工况均有发生。水泵工况运行时，如机组额定水头不同，但水头变幅一定，此时机组稳定性是相同的。下面只要着重分析水轮机工况下机组的稳定性即可。

借鉴同为抽水蓄能电站的其他电站模型试验结果及电站相关性试验，分析在水头变幅一定的情况下，额定水头发生变化，机组稳定性的变化情况[3]，下面就以十三陵电站为例：

（1）导叶与转轮间压力脉动与尾水管中相比明显较大。

（2）十三陵电厂430 m与440 m相比，80%Nr、60%Nr和50%Nr时，ΔH/H增大约0.8%～1.05%，100%Nr时ΔH/H最大，增大约1.5%。可见水头越低，导叶与转轮间压力脉动越有增大趋势。

（3）十三陵电站机组水头变幅为47.6 m（最小水头427.2 m、最大水头474.8 m），假设将额定水头增大10 m（由430 m提至440 m），是其水头变幅的21%。同理，张河湾电站现将额定水头增大5 m，由300 m提至305 m，而其水头变幅约为59 m，也就是额定水头提升了其水头变幅的8.5%。按比例分析，机组导叶与转轮间压力脉动可减至小于8‰。

2.3 额定水头不同对机组其他方面的影响

通过多方位试验及向国际制造厂商咨询，额定水头不同时，对机组主要参数分析结果如下：

（1）当水头变幅不变时，水泵工况效率、水泵最大出力等各参数均不发生变化；

（2）水轮机额定工况点效率差值在0至0.89%；

（3）机组吸出高度值未发生变化；

（4）稳定工况运行时，机组主要过流部件的压力脉动与振动值基本不变。

3 结论

通过上述的详细分析，当张河湾电站额定水头由Hr=300 m提升至Hr=305 m时，得出如下结论：

（1）水泵水轮机在额定工况运行时的效率相差很小；

（2）压力脉动双振幅值ΔH/H最大只有约8‰的变幅；

（3）机组吸出高度值完全相同；

（4）当机组额定水头Hr=300 m时，在额定工况运行时，流量相对增加，所以泥沙磨损稍微加大；

（5）机组飞逸转速和额定水头甩负荷，转速上升略有增大，但压力上升与机组轴向水推力均不会有任何影响。

综合以上分析得出结论：张河湾电站机组运行稳定性不会受到额定水头从设计的Hr=305 m降至Hr=300 m的影响。