抽水蓄能电站单机容量与机组转速选择

韩伶俐，王改会

(1.水电水利规划设计总院，北京100120；2.水电水利规划设计总院有限公司，北京100120；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

为适应风力、太阳能等新能源发电随机性、波动性和间歇性的特点，以及电力系统峰谷差异，电网需要配套相应的调节电源。抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具有大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源，与风电、太阳能发电、核电等联合运行效果最好。2022年，我国新核准抽水蓄能电站48座，核准总装机规模6 889.6万kW[1]；截至2022年底，中国抽水蓄能电站已投产总装机容量4 579万kW，已建、在建装机规模1.6亿kW，另有近2亿kW的抽水蓄能电站正在开展前期勘察设计工作。

要全面发挥抽水蓄能电站调峰、填谷、储能、调频、调相等作用，抽水蓄能电站机组需长期安全稳定运行。机组单机容量和额定转速选择是抽水蓄能电站前期设计的重点之一，对其深入研究有较大的现实意义。

1 蓄能机组发展概况

1.1 相关数据统计

日本葛野川(Kazunogawa)抽水蓄能电站装设2台定速机组和2台变速机组，电站水泵水轮机使用水头和最高扬程在国外已投入运行的单级混流式蓄能机组中为最高，其水轮机工况最大水头728 m[2]、额定输出功率412 MW，水泵工况最高扬程782 m[3](变速工况)。日本神流川(Kannagawa)抽水蓄能电站水泵水轮机的单机容量最大，在额定水头653 m[4]时输出功率为463 MW。2009年改造后的美国巴斯康蒂抽水蓄能电站水头329.2 m，发电功率380 MW，最大水头384 m[5]时出力为508 MW，机组转速257 r/min，水泵水轮机转轮直径6.38 m。美国勒丁顿抽水蓄能电站水头87～108 m，水轮机额定出力312 MW，最大出力343 MW，机组转速112.5 r/min，水泵水轮机转轮直径8.23 m[6]，是目前世界上直径最大的水泵水轮机。

国内已建电站单机容量多数在300～400 MW。已建成的电站中，广东阳江抽水蓄能电站单机容量最大，达400 MW[7]。浙江长龙山蓄能电站使用水头最高，水轮机工况最大水头750.73 m，水泵工况最高扬程764.14 m，电站6台机组中的4台机组转速为500 r/min，2台机组转速为600 r/min。在建的浙江天台蓄能电站的单机容量为425 MW、最大水头761.5 m、最高扬程777 m，水头和单机容量均为国内最大。

目前国内外已建、在建抽水蓄能电站在单机容量、转轮直径或者参数水平等方面比较有特色的各水头段部分电站主要参数统计见表1。

表1 国内外蓄能电站水泵水轮机主要参数

1.2 比速系数

1.3 转轮直径

水泵水轮机转轮的高压侧直径D1是水泵水轮机的另一个重要参数。目前国内已投运的抽水蓄能电站中转轮直径最大的为白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机，转轮直径达5.26 m。前期设计中的紧水滩低水头混合式抽水蓄能电站，其转轮直径达到5.8 m。

2 水泵水轮机主要参数选择分析

与常规水轮机参数选择一样，水泵水轮机参数选择关键在于如何根据抽水蓄能电站的实际运行水头和扬程、单机容量等，使机组功率、转轮直径、转速、安装高程等水泵水轮机主要技术参数达到最佳配合。行业内一般以水轮机额定水头工况比转速nst和水泵工况最低扬程时的比转速nq，来衡量水泵水轮机参数水平；也可使用比速系数K来衡量，此时能同时表征水头和比转速。本文选用水轮机额定水头工况和水泵最低扬程工况下比速系数评价蓄能机组参数。

2.1 比速系数

水泵水轮机水泵工况扬程如要达到和水轮机工况同样的水头，水泵工况转速应比水轮机工况高约18%[8]。机组转速选择需综合考虑水轮机工况和水泵工况运行范围。

通过导叶的合理调节，水轮机工况一般可以得到范围较大的高效区和功率调节区，故通常可逆式水泵水轮机的水力设计是以水泵工况设计、水轮机工况校核的方式进行。由于水泵工况导叶调节对流量影响不明显，定转速水泵水轮机水泵入力不可调，故其高效率范围比较小；水泵在大流量区(低扬程)受空化特性限制，在小流量区(高扬程)又需要留有一定的“驼峰”余量[11]。因此，水泵工况应围绕最优效率附近运行，其设计边界在最高扬程应有一定的“驼峰”余量和较高的效率；在最低扬程处以水泵最大入力为限，在满足抽水量要求条件下，将空化控制在合理的范围以内。为首先满足水泵工况的要求，水轮机工况的运行范围一般会偏离最优运行区且向高单位转速方向偏，所以对定转速的混流式水泵水轮机来说，水轮机工况的比速系数高于常规混流式水轮机。

对于水泵水轮机来说，比转速过小，意味着转轮流道相对加长，宽度相对减小，流道内摩擦阻力及转轮外壁圆盘损失增加而使水力效率急剧下降，叶片流道的净空太小也不利于加工制造。比转速过大，可能会加剧水泵水轮机空蚀，且对于高水头蓄能机组，大比转速意味着高同步转速，可能带来发电电动机制造难度过大、结构设计和材料选择困难等。

根据目前的设计制造水平，水泵水轮机水泵工况的比转速nq选在30～50范围内可以得到较高的水力效率；500 m级水泵水轮机比转速nq一般在27左右，不宜低于25[8]，对于低扬程水泵水轮机其水泵比转速nq不宜超过82。水轮机工况比速系数一般不超2 500，最大不宜超2 650[12]；水泵工况比速系数一般不超3 700，最高不宜超4 000[13]。

2.2 转轮直径

水泵水轮机比速系数范围确定后，机组转速相应选定，水泵水轮机的转轮直径根据最高扬程及其“驼峰”余量计算确定。

转轮直径大小影响到加工焊接工艺及加工材料的选择。当直径过大时，因对外交通等因素限制转轮不能整体运输到现场。当转轮直径过小，则高水头水泵水轮机转轮高压边的高度小，转轮内部空间狭小、焊接和加工困难，发生制造质量或运行缺陷需要修复时更是困难重重。

3 水泵水轮机主要参数选择

3.1 比速系数、转轮直径和单机容量

机组单机容量、转速、转轮直径、吸出高度等参数的选择直接影响整个厂区枢纽建筑物的布置。从技术角度考虑，目前的水泵水轮机设计手段、材料选择和加工工艺可以大幅提高的地方不多。虽然提高转速可以减小机组尺寸以及厂房尺寸、提升参数和工程经济性，但也可能导致吸出高度绝对值增大、空蚀现象加剧等。因此，水泵水轮机应选择合理的技术参数，不宜追求过高的比转速，要把运行稳定性、可靠性和良好的空化性能放在前面。对200 m以下或更低水头、过机含沙量大的抽水蓄能电站，宜选用较低的比速系数。

在前期设计过程中，设计单位通常根据统计公式计算出比转速和比速系数，参照近期投运的国内外相近水头段蓄能机组的设计和制造水平，结合发电电动机同步转速及制造厂推荐的技术方案，综合考虑机组效率和电站埋深，经技术经济比选后确定额定转速。目前，对于大型水泵水轮机而言，额定转速一般可选择250、300、333.3、375、428.6、500 r/min等。

根据抽水蓄能电站发展趋势，结合制造厂商技术方案建议、电站实际运行统计值及国内设计单位的统计经验值，推荐不同水头段定转速水泵水轮机比速系数、转轮直径、单机容量等主要参数限制值见表2。为方便查阅，本表中额定水头200 m以上间隔50 m一档，额定水头200 m以下间隔40 m一档。

表2 定转速水泵水轮机主要参数限制建议值

表2中额定水头350 m、单机350 MW方案和额定水头450 m、单机400 MW方案目前国内尚无制造业绩。从表2可以看出，中间水头段水轮机工况比速系数高，高水头段和低水头段水轮机工况比速系数低；水泵工况则是扬程越高比速系数越高。这可以从比速系数公式看出来，水泵工况比速系数KP=nQ0.5，水轮机工况比速系数KT=nN0.5/H0.75=AnQ0.5/H0.25，其中A为一定值；高水头时，KP变大，KT反而变小。低扬程水泵水轮机水泵比转速nq不宜超过82，其比速系数明显下降。

3.2 单机容量、最小扬程及额定转速

根据表2推荐的定转速水泵水轮机比速系数限制值，针对常见的电站单机额定容量250、300、350、400、425 MW抽水蓄能机组，选择不同额定转速进行水泵水轮机最小扬程的反算。根据反算结果，推荐常用的单机容量下不同的最小扬程对应的额定转速见表3。

表3 不同单机容量及扬程水泵水轮机对应额定转速速查表

表2、3中数据为目前抽水蓄能机组的运行经验和设计水平的大体总结，在此范围内水泵水轮机水力研发易于满足预期的效率、空化和压力脉动等性能指标要求。表3中单机容量为300 MW、最小扬程为200～240 m时，水泵水轮机转速为272.7 r/min较合适，但发电电动机支路数及槽电流不好选择，故推荐机组额定转速为250 r/min。

3.3 超常规水泵水轮机主要参数的选择

为了提高工程的经济性，部分蓄能电站机组转速选择可能偏高，对于此类突破现有经验的工程需要进行深入的研究。从国内某已建成投运的抽水蓄能机组实际运行情况来看，机组运行不久，转轮低压边发生较为明显的空蚀现象。还有几个蓄能电站在下水库低水位时不能抽水运行，水泵水轮机的运行扬程特性未达到预期。因此，当所选比速系数超过水头和容量相当、并已成功投运的水泵水轮机的比速系数较多时，应进行充分研究。

当单机容量、转轮直径、比速系数取值超过表2限制值时，宜在取得制造厂商水力设计分析研究成果基础上，分析机组设计制造可行性、长期运行稳定性、机组各项性能指标的合理性、电站水能参数选择和枢纽工程为机组运行稳定性采取的主要措施，以及降低机组性能指标长期运行对电站经济性的影响等。

目前，抽水蓄能电站前期机组选型设计过程中，还有几点应引起重视：

(1)高水头段某些单机容量存在同步转速匹配比转速的问题，单机容量350 MW、750 m水头段的机组转速选500 r/min时水泵水轮机参数明显较低，选600 r/min时则偏高。

(2)配合风电和光伏运行的蓄能电站单机容量的选择需考虑机组的启停对电网的冲击影响，单机容量不宜过大。

(3)高海拔地区电站单机容量的选择还需考虑发电电动机电气参数的修正。

(4)对于中低水头过机泥沙含量较大的电站，宜选用低一档的转速。

(5)对于装机容量较大的抽水蓄能电站，为了发电电动机电磁设计较优，宜根据水泵水轮机和发电电动机设计水平的进步，论证选择合适的单机容量和机组转速。

(6)对于具有两个转速可供选择的水泵水轮机-发电电动机组，宜细致研究水泵水轮机和发电电动机的参数匹配。

(7)过分追求高比转速可能使水泵水轮机空蚀加剧，水泵工况下转轮与活动导叶之间的压力脉动相对值和水轮机工况尾水管压力脉动相对值可能上升，影响机组安全稳定运行。

(8)机组埋深太大，导致上下游压力更大，不利于设置自流排水洞，且在机组调相和水泵工况启动压气时需要更高的压缩空气压力，此时应选择空转轴入力和压缩空气流失量较少的尾水管，避免机组调相压气和水泵工况启动压气时空转力矩、压缩空气流失量增加[14]。

(9)机组比速系数高或扬程变幅较大时，其吸出高度绝对值宜相应加大[15]，同时机组安装高程的选择还应满足电站水力过渡过程尾水管进口真空度要求。

4 结 语

本文基于抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数统计分析，重点研究了如何更加方便的确定不同水头、不同单机容量机组转速。希望通过本文能使抽水蓄能电站设计人员在前期设计阶段减少因不同设计理念造成的工作反复，提高抽水蓄能电站水泵水轮机选型设计的工作效率和成果质量。