曹坪抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数选择及关键技术研究

杨 昭，郭树良，苏建峰，赵 妍，姚 虎，程礼彬

（1.国家电投集团陕西新能源有限公司，陕西 西安 710000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

1 电站技术参数

曹坪抽水蓄能电站位于陕西省商洛市柞水县曹坪镇境内，地处西北电网负荷中心区域附近。电站总装机1 400 MW，具备日调节性能，电站建成后将主要承担陕西电网调峰填谷、储能、调频调相、事故备用等任务[1-3]。

电站枢纽主要由上水库、 下水库、输水系统、地下厂房、地面出线站等建筑物组成。输水发电系统引水和尾水系统均采用一洞两机布置，地下厂房采用尾部布置方案。

（1）水位

上水库正常蓄水位 1 415.00 m

上水库死水位 1 388.00 m

下水库正常蓄水位 992.00 m

下水库死水位 963.00 m

（2） 水头

额定水头 413.00 m

最大毛水头 452.00 m

平均毛水头 424.00 m

最小毛水头 396.00 m

本电站毛水头为 396.00~452.00 m，根据规范及国内外抽水蓄能电站的统计分析，本电站选择单级混流式水泵水轮机。电站装机容量1 400 MW，采用4台单机容量为350 MW的立轴、单级、单转速混流可逆式机组。

2 水泵水轮机主要参数选择

2.1 比转速和比速系数的选择

比转速是描述水泵水轮机性能参数和几何形状等方面的综合性参数，它综合反映了转轮的尺寸、形状、流道过流能力、空蚀性能和能量指标。

（1）统计公式计算比转速

国内外对水泵水轮机的特性参数选择作了很多统计，用不同统计公式分别计算得到的曹坪抽水蓄能电站水轮机工况额定水头比转速范围为87.0~109.2 m·kW；水泵工况最低扬程比转速为31.8~42.7 m·m3/s。这些统计公式的计算结果代表不同年代投产的水泵水轮机参数平均水平，参数水平分布较广；曹坪抽水蓄能电站水泵水轮机比转速的选择将更多地参照近期国内外投入运行类似水头段的水泵水轮机的设计和制造水平，并结合发电电动机同步转速来选定。

（2）统计曲线法分析比转速参数

为了了解可逆式水泵水轮机的设计制造水平，我们统计了国内部分该水头段的抽水蓄能电站水泵水轮机的主要参数、Hp~nq、Ht~ns关系曲线，见图1、图2。国内外已投运相近水头段抽水蓄能电站水轮机额定工况下比速系数大部分处于1 940~2 644之间，水泵工况最低扬程下比速系数大部分处于2 769~3 624之间。

图1 水轮机比转速与水头关系曲线

图2 水泵比转速和扬程关系曲线

综合分析，本阶段同时参考了类似电站参数和制造厂提供的技术参数进行比较分析，水轮机额定工况下比速系数Kt拟在2 100~2 550之间选择，相应比转速ns在103.3~125.5 m·kW之间；水泵工况最低扬程下比速系数Kp拟在3 000~3 600之间选择，相应比转速nq在33.5~40.1 m·m3/s之间。

2.2 额定转速方案比选

从水泵水轮机可选取的比转速、比速系数以及发电电动机同步转速档次来看，本电站机组可选择的额定转速方案有333.3 r/min和375 r/min,两种转速方案的详细经济性比较结果见表1。

表1 不同转速方案参数水平比较表

转速为375 r/min时，参数水平略低于同水头段的周宁抽水蓄能电站水泵水轮机，在该水头段参数中处于中等偏上水平；转速为333.3 r/min时，参数在该水头段处于相对偏低的参数水平，同时机组尺寸和厂房较大，投资相应较大。随着机组额定转速的提高，机组尺寸减小、重量减轻，机组造价相应减少，同时厂房尺寸相应缩小，土建投资降低。与375 r/min转速方案相比，333.3 r/min转速方案机组设备直接投资需增加12 400万元。

针对曹坪抽水蓄能电站，就主机参数向国内主机制造厂家进行咨询，各主机制造厂家均推荐额定转速375 r/min方案。

考虑到本电站多年平均过机含沙量为0.034 kg/m3，水质较好，从技术可行、经济合理、制造厂设计制造经验等方面综合考虑，曹坪电站本阶段选择额定转速为375 r/min。

2.3 吸出高度及安装高程的确定

水泵水轮机水泵工况时进口撞击和低压区都发生在叶片进口处，因之动压降较大，空化性能较差；而水轮机工况水流撞击多发生在叶片进口边，叶片低压区在出口附近，因之动压降较小，空化性能较好。因此，水泵水轮机主要以水泵工况的空化特性作为限制条件。

通过吸出高度的统计公式[4]和与本电站水头相近的电站装置空蚀系数及吸出高度得出，各统计公式计算的最低扬程Hs值在-50.81~-62.07 m之间。参考部分厂家为本电站所做的初步方案，Hs值为-60~-75 m。综合分析，考虑地下厂房吸出高度的选择对电站造价影响较小，留有一定裕量，取吸出高度Hs=-75.0 m，确定机组安装高程888.0 m。

根据选择的安装高程和下游尾水位特性，按照相关标准拟定的组合工况进行过渡过程计算，在相关的控制工况下，尾水进口最小压力计算值均大于过渡过程计算控制值，满足调保计算要求。

2.4 水泵水轮机的预期效率

根据制造厂家建议效率参数，并参考已建、在建电站相似水头段水泵水轮机的效率保证值，本阶段用于计算机组参数的机组各工况效率[5]取值如表2所示。

表2 水泵水轮机各点效率表

2.5 推荐的水泵水轮机主要参数

综合分析，本阶段推荐的水泵水轮机主要参数见表3。

表3 水泵水轮机主要技术参数表

3 关键技术研究

3.1 调节保证设计

3.1.1 水力过渡过程计算控制值

本阶段委托两家单位进行了过渡过程计算，两家单位分别采用梅州和清原抽水蓄能电站真机模型全特性曲线来进行抽水蓄能电站的调节保证设计。

根据现行规范NB/T 10342-2019《水电站调节保证设计导则》，并结合本电站的特点，本阶段对大波动水力过渡过程确定的控制值如下：

（1）机组蜗壳允许最大压力升高相对值ζ≤30%，取蜗壳允许最大压力Hcmax≤685.1 m⋅H2O；

（2）机组最大转速升高率βmax≤45%；

（3）尾水管最小压力设计工况不小于22 m⋅H2O，校核工况不小于14 m⋅H2O；

（4）输水系统沿线洞顶最小内水压力Hamin≥2 m⋅H2O。

3.1.2 水力过渡过程计算主要成果

汇总两家计算成果后，两家大波动过渡过程控制性参数计算值均能满足控制标准，结论见表4。

表4 水力过渡过程计算主要成果

3.1.3 调节保证设计值

根据现行规范NB/T 10342-2019《水电站调节保证设计导则》，调节保证设计值应在水力过渡过程计算值的基础上考虑计算误差、压力脉动的影响并进行修正后确定。陕西曹坪抽水蓄能电站过渡过程计算结果可知：

（1）蜗壳末端最大压力值为684.61 m，综合国内外主机厂家对压力脉动的估算及部分电站水力机械过渡过程的实测值分析，建议所有工况下，蜗壳末端最大压力调节保证设计值为760 m·H2O。

（2）调节保证设计值中尾水管最小压力考虑海拔修正，修正值为0.99 m·H2O。

（3）建议机组转速上升的保证值为145%额定转速，即544 r/min。

3.2 设计制造可行性分析

对水泵水轮机来说，过大的Hpmax/Htmin值可能会引起水力性能设计困难和运行不稳定，空蚀、振动、噪声等情况加重，曹坪抽水蓄能电站Hpmax/Htmin值为1.196，水头变幅与本电站水头相近的周宁电站基本相当，处于相近水头段电站、制造厂设计制造经验和国内外设计选型经验之内；另外，本抽蓄电站单机350 MW，额定水头413 m，额定水头下比转速120.4 m·kW，最低扬程401.4 m，最低扬程下比转速38.3 m·m3/s，国内主机厂家均有一批同水头段参数水平相似且已成功投运的基础转轮，如周宁、沂蒙、丰宁、荒沟、仙游等，预期水力开发难度可控。曹坪抽蓄电站推荐转轮高压侧直径为4.8 m,水泵水轮机制造难度系数仅为10.56，未超出国内水泵水轮机现有设计、制造水平，且转轮、球阀整体运输均无制约因素。

曹坪电站水头变幅在技术上是可行的，预期水泵水轮机可稳定运行，水泵水轮机设计、制造无制约因素，但考虑到本水头段国内无单机350 MW的已投运机组，招标阶段应与相关主机厂家展开充分的技术交流，合理确定水泵水轮机的主要性能参数。

3.3 泥沙研究

曹坪电站多年平均过机含沙量为0.034 kg/m3，水轮机、水泵的实际泥沙磨损破坏程度与水轮机出口相对速度和水泵出口线速度有明显的相关关系，机组额定转速为375 r/min，水泵出口线速度vu约为94.25 m/s；水轮机工况转轮出口圆周速度vr约为51 m/s。本电站与已投运和在建的仙游、周宁、永泰、仙居等电站转轮水轮机出口相对速度和水泵出口线速度较为接近，对照类似电站参数，本电站处于较为合理的水平，初步判断本电站水泵水轮机受泥沙磨损的影响轻微。

3.4 拆卸方式

随着水泵水轮机技术的不断发展，抽水蓄能机组的大修周期得到延长，越来越多的抽蓄机组均采用上拆方式，且从本阶段与国内各制造厂家征询的情况看，各制造厂家均推荐上拆，考虑本电站布置特点和机组结构形式，结合近年投产和在建的类似电站的拆卸方式，推荐本电站水泵水轮机拆卸方式为上拆方式。

4 结论

（1）曹坪抽水蓄能电站采用单级混流式水泵水轮机。

（2）曹坪抽水蓄能电站更多的参照近期国内外投入运行类似水头段的水泵水轮机的设计和制造水平，并结合发电电动机同步转速来确定，水轮机额定工况下比速系数在2 100~2 550之间选择，相应比转速在103.3~125.5 m·kW之间；水泵工况最低扬程下比速系数在3 000~3 600之间选择，相应比转速在33.5~40.1 m⋅m3/s之间。

（3）通过对水泵水轮机效率、技术参数比较、电站淹没深度、制造经验、泥沙磨损、压力脉动特性、发电电动机设计问题等技术和经济指标的综合分析，并结合制造厂家推荐，曹坪电站选择额定转速为375 r/min。

（4）曹坪抽水蓄能电站吸出高度Hs=-75.0 m，确定机组安装高程888.0 m。

（5）曹坪抽水蓄能电站各工况效率取值见表2。

（6）通过对曹坪抽水蓄能电站关键技术研究，提出了本电站可研阶段的调节保证设计值、泥沙研究的结论及机组的拆卸方式。

本文通过简要论述曹坪抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数选择，并结合关键技术的研究，为下阶段发包及施工阶段工作奠定了坚实基础。