调相压水储气罐主材的耐低温性能分析

李永恒，庄乾彪，任哲明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 概述

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省牡丹江市海林县境内，距牡丹江市130 km，距莲花坝址43 km，建成后承担黑龙江省及东北电网的调峰、填谷、调频和事故备用任务。电站共装设4台单机容量为300 MW的水泵水轮机-发电电动机组。上水库正常蓄水位为652.50 m，死水位为634.00 m；下水库正常蓄水位为218.00 m，死水位为203.00 m；电站极端最高气温为37.5℃，极端最低气温为-45.2℃，多年平均气温为3.2℃，最高水温为27.2℃，最低水温为0℃。水泵水轮机最大水头、额定水头、最小水头分别为444.40，410.00，404.30 m；最高扬程、最低扬程分别为457.00，420.70 m；额定转速为428.6 r/min；转轮高压边名义直径为4.10 m；安装高程（水泵水轮机转轮中心线高程）为138.00 m；压水深度h（转轮中心线至压水后水面高度）为3.60 m；转轮室充气容积Vd为27 m3。

水轮机选用立轴单级混流可逆式水泵水轮机。机组调相及水泵工况启动时，需要利用中压压缩空气将水泵水轮机转轮室内的水体压低至转轮以下，使转轮在空气中旋转，这一过程称为机组调相压水过程。根据NB/T 10072—2018《抽水蓄能电站设计规范》中的规定，每台机组可设一个或两个压水储气罐用于转轮室充气压水，在空压机不工作和罐内为最低工作压力的情况下，储气罐的容积应能满足连续完成两次压低转轮室水面的用气要求，即空压机不参与压水过程，压水过程需利用压水储气罐独立完成。此时，由于罐内气体压力在较短时间内骤然释放，使得罐内气体温度急剧降低，从而出现低温，这种低温易使罐体材料发生低温脆性断裂，从而造成极大的危害，这就要求罐体材料应能承受上述低温而不产生破坏。因此，对机组调相压水过程的热力学分析及研究是十分必要的，可以了解压水过程对压水储气罐内中压压缩空气温度的影响，进而优化系统设计，并合理选择压水储气罐的主要材料，以保证电站的安全稳定运行。

下面对机组调相压水过程中，中压压缩空气系统中空气温度的变化进行计算分析与研究。

2 计算原理

2.1 边界条件与假定

由于中压压缩空气系统在实际操作和运行过程中会受到外部环境因素的影响，因此在进行计算分析时，需对中压压缩空气系统在机组调相压水全过程中，先做出假设：将压水储气罐中的中压压缩空气视为理想气体；将机组调相压水过程视为绝热过程，即压水储气罐及中压压缩空气与外界均无热量交换；中压压缩空气系统没有空气泄漏，气体质量守恒。

2.2 主要理论依据及基本计算公式

在热力学过程中，绝热过程是状态变化的任何一个微元过程中，系统与外界都不交换热量的过程，即过程中每一时刻系统与外界热量交换为零，进而全过程中与外界热交换量亦为零。

实际过程中，绝对绝热的过程是难以实现的，工质无法与外界完全隔热，但当过程进行得很快时，一定量工质的换热量相对极少，可以近似于绝热过程。迅速的过程往往是非准平衡的和不可逆的，所以可逆的绝热过程是近似于实际过程的，可逆的绝热过程又称为定熵过程或等熵过程，可利用理想气体状态方程进行计算分析。

根据上面边界条件与假定，机组调相压水过程可近似看作为理想气体（假定压水储气罐中的中压压缩空气为理想气体）的等熵绝热过程，则可利用下述公式进行热力学计算分析：

式中：P——压缩空气气体压力，Pa；V——压缩空气气体体积，m3；m——压缩空气气体质量，kg；Rg——压缩空气气体常数，287 J/（kg·K）；η——空气利用系数，一般为0.8～1.0，计算中取0.9；T——压缩空气气体的绝对温度，K；t——压缩空气气体的温度，℃；r——绝热系数，取1.4；P0——压水前压缩空气气体压力，Pa；Pn——完成第n次压水后压缩空气气体压力，Pa；T0——压水前压缩空气气体的绝对温度，K；Tn——完成第n次压水后压缩空气气体的绝对温度，K。

3 主要参数计算压水储气罐选择成果

抽水蓄能电站用于机组调相压水的中压压缩空气系统最低工作压力一般为7.60 MPa，最高工作压力为8.00 MPa，以此为基础，同时根据NB/T 35035—2014《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》中推荐的计算方法和设备选择的有关规定，计算中压压缩空气系统主要参数并选择压水储气罐。

3.1 压水后转轮室内空气压力Pd

式中：Pa——大气压力，按机组安装高程海拔138.00 m折算为0.102 1 MPa；ρ——水的比热容，1 000 kg/m3；g——重力加速度，9.807 m/s2。经计算得Pd=0.922 MPa。

3.2 调相压水储气罐选择

根据NB/T 35035—2014中推荐的经典公式，采用压水气罐最低工作压力7.60 MPa、主机厂给定的转轮室充气容积Vd=27.00 m3和Pd=0.922 MPa，同时考虑压水储气罐容积应满足完成1次压水和备用1次压水（即完成2次压水）的要求，从而计算压水储气罐总容积为14.25 m3。考虑一定的计算裕量并根据设备布置限制条件，选择2个容积为8.00 m3的压水储气罐，总容积为16.00 m3。另外，NB/T 35035—2014规定：调相压水系统宜设1个平衡罐，其容积选择不宜小于1台机组压水罐总容积的0.5倍，因此电站设置1个容积为8.00 m3的平衡罐。

4 热力学计算分析

计算分析中考虑仅依靠压水储气罐完成机组调相压水全过程，同时，根据规范要求按照连续完成2次压水过程进行分析。

1）1次压水过程转轮室内空气的质量md

压水过程中，转轮室内空气会与流道内水体产生热量交换，因此计算中转轮室内空气温度td按水温计算，由于该电站地处严寒地区，故水温应按冬季最低水温取为0℃，因此气体绝对温度为273 K，则由公式（1）可得

2）压水前压水储气罐中空气质量m0

电站运行中，压水储气罐内的气体会与周围环境进行热量交换，故压水前压水储气罐中气体的温度t0按环境温度（冬季最低采暖温度）计为5℃，则储气罐内气体的绝对温度T0为278 K，压水前储气罐内空气的压力P0按中压压缩空气系统最低工作压力计为7.6 MPa，压水储气罐内气体总容积V为16.00 m3，则由公式（1）可得

3）完成第一次压水后储气罐中气体的绝对温度T1、压力P1、温度t1

将利用压水储气罐进行转轮室充气压水的过程近似看作为等熵绝热过程，则：

同时完成第一次压水后压水储气罐中所剩气体的状态方程为：

其中，完成第一次压水后压水储气罐中剩余气体的质量m1=m0-md=1 164 kg，则计算得P1=4.5 MPa，T1=239.3 K，t1=273-239.3=-33.7℃。

4）完成第二次压水后储气罐中气体的绝对温度T2、压力P2、温度t2

与完成第一次压水后压水储气罐中剩余气体状态的计算方法相同，公式：

其中，完成第二次压水后压水储气罐中剩余气体的质量m2=m1-md=804 kg，则计算得P2=2.68 MPa，T2=206.4 K，t2=273-206.4=-66.6℃。

5）计算成果分析

①空气利用系数取值与漏气量相关，而机组漏气量根据密封形式不同一般为1%～5%，相应的空气利用率为0.95～0.99，计算中，取空气利用系数为0.9，基本可满足计算需要。

②荒沟抽水蓄能电站位于严寒地区，冬季气温较低，因此电站的地下厂房内设有局部供暖设施，但考虑到供暖设施损坏或维护时段的影响，计算中，冬季环境温度取为最低供暖要求的5℃。

③荒沟抽水蓄能电站机组调相压水用中压压缩空气系统设置了1个平衡罐，实际运行中，平衡罐是参与调相压水用气调节的，可以在一定程度上缓解压水后压水储气罐内气体温度的降低，但考虑到平衡罐与最远端机组的压水气罐之间通过较长的管路（约90 m）串联，因此考虑平衡罐将不能及时参与压水过程调节，故上述计算分析中考虑仅依靠压水储气罐完成机组调相压水全过程。

5 结语

通过上述计算分析可见，机组调相压水过程中，压水储气罐内气体的温度在完成第一次压水和第二次压水后分别降低至-33.7℃和-66.6℃。根据GB 150—2011《压力容器》的规定，压水储气罐宜应按低温容器设计，并且在考虑一定的设计裕量的基础上，建议压水储气罐主材选择时，其耐低温性能宜按不高于-70℃的要求确定。