單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭的選擇

摘要：本文對(duì)于單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭選擇目前還沒(méi)有較為成熟的方法，本文通過(guò)對(duì)電站運(yùn)行情況、電網(wǎng)特點(diǎn)、水泵水輪機(jī)特性、經(jīng)濟(jì)性等方面，結(jié)合已建工程實(shí)際情況，分析額定水頭選擇的方法。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭 電站額定水頭是水輪機(jī)發(fā)出額定功率所需要的最小水頭。對(duì)于單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，由于自身的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)保證率問(wèn)題。單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭的選擇要從有利于機(jī)組運(yùn)行、電力系統(tǒng)對(duì)電站運(yùn)行方式的要求、水庫(kù)運(yùn)行方式及綜合利用要求、電站的經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮確定。1從電站實(shí)際運(yùn)行情況考慮額定水頭 1.1根據(jù)電站能量指標(biāo)確定額定水頭 　　在電力系統(tǒng)中，為滿足供電質(zhì)量的要求，電量必須是平衡的。這也就要求有一部分機(jī)組必須擔(dān)任調(diào)峰任務(wù)，至使這些機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)只能達(dá)到1000～2000h。根據(jù)胡振鵬等同志以jx電網(wǎng)為例，分析不同裝機(jī)利用小時(shí)與上網(wǎng)電價(jià)關(guān)系可以說(shuō)明，當(dāng)日利用小時(shí)小于6.5h時(shí)，抽水蓄能機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)才比燃煤火電低，日本的池田洋一先生在對(duì)抽水蓄能電站、燃汽輪機(jī)組電站與燃煤火電站等的運(yùn)行成本與裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)進(jìn)行分析后，也得出同樣的規(guī)律。從經(jīng)濟(jì)角度講，蓄能電站的運(yùn)行時(shí)間不可能很長(zhǎng)，主要擔(dān)任峰荷。根據(jù)國(guó)外蓄能電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，蓄能電站主要是以事故備用、調(diào)峰、填谷為主，一般情況下，電站實(shí)際的年利用小時(shí)數(shù)在800～1000h左右，有的甚至?xí)�更低。蓄能電站�?shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)值，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的電站也是如此。如廣蓄一期設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)為1983h，而實(shí)際利用小時(shí)數(shù)僅有1000h左右，十三陵抽水蓄能電站設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)為1558h，而實(shí)際利用小時(shí)數(shù)僅有900h。在單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭方案選擇時(shí)，可以以在上水庫(kù)滿庫(kù)條件下，機(jī)組滿負(fù)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(kù)運(yùn)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(jī)組的額定水頭如能接近或等于電站最小水頭，在機(jī)組位于低水頭范圍內(nèi)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，電站保證出力為機(jī)組額定功率。對(duì)于單機(jī)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，由于其本身特點(diǎn)，額定水頭往往比最小水頭高，在進(jìn)行額定水頭選擇時(shí)，應(yīng)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(yùn)行方式和庫(kù)容條件等，綜合確定電站的額定水頭�！　�從我國(guó)已投入運(yùn)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(yùn)行情況分析，上水庫(kù)降至死水位的機(jī)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(kù)運(yùn)行水位統(tǒng)計(jì)，上水庫(kù)無(wú)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(kù)運(yùn)行水位在平均水位548.5m以上的天數(shù)占統(tǒng)計(jì)總天數(shù)的79.7%。在進(jìn)行單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭選擇時(shí)，可把上水庫(kù)平均水位對(duì)應(yīng)的水頭作為一個(gè)比較方案。2從有利于機(jī)組運(yùn)行方面選擇額定水頭 單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)組，是以水泵工況為主進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于水泵與水輪機(jī)工況共用一個(gè)轉(zhuǎn)輪，它們之間存在固定的水力學(xué)關(guān)系，所以水輪機(jī)工況特性關(guān)系曲線只能在很小的范圍變化，這樣使水輪機(jī)工況的設(shè)計(jì)受到很大程度的制約，水輪機(jī)工況不可能處于最優(yōu)工作狀態(tài)。對(duì)于同一個(gè)蓄能電站來(lái)講，在相同水位條件下，水泵的揚(yáng)程總是高于水輪機(jī)水頭，如果水泵水輪機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，水泵工況的最優(yōu)效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程比水輪機(jī)工況最優(yōu)效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水頭要低，水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)希望能縮小兩者差距，以便使水泵和水輪機(jī)工況均能處于較好運(yùn)行狀態(tài)。在上、下水庫(kù)特征水位確定時(shí)，應(yīng)盡量減少水位的變幅，縮小水泵工況最大揚(yáng)程與水輪機(jī)工況最小水頭差距，使機(jī)組在各水頭下都能較好的運(yùn)行，增大機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定范圍。水泵水輪機(jī)選型可以以水泵工況為主，水輪機(jī)工況來(lái)校核，根據(jù)水泵工況模型的特性曲線，將水泵工況運(yùn)行在高效區(qū)來(lái)確定水泵轉(zhuǎn)輪直徑d1和轉(zhuǎn)速n，以d1和 n為已知條件，根據(jù)水輪機(jī)的模型特性曲線來(lái)校核水輪機(jī)工況最大、設(shè)計(jì)、最小水頭的效率，進(jìn)而確定水輪機(jī)工況在各水頭對(duì)應(yīng)的出力。如果水輪機(jī)額定水頭選取過(guò)低，水輪機(jī)效率偏低，不能達(dá)到額定容量，這時(shí)只能通過(guò)增大單位流量來(lái)解決，在電動(dòng)－發(fā)電機(jī)視在功率相等前提下，使水泵工況設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程降低，從而降低水泵的運(yùn)行效率；如果水輪機(jī)工況額定水頭選取過(guò)高，雖然可以使水輪機(jī)工況具有較高的效率，增加發(fā)電量，但在電站運(yùn)行時(shí)，低水頭出現(xiàn)機(jī)率很多，受阻容量相對(duì)較大，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行不利。所以，額定水頭確定應(yīng)充分考慮水泵水輪機(jī)特點(diǎn)合理選擇。對(duì)于單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組來(lái)講，首先應(yīng)滿足穩(wěn)定的運(yùn)行。單機(jī)混流可逆式水泵水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性可分為水泵工況和水輪機(jī)工況。額定水頭的選擇主要是對(duì)水輪機(jī)工況穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，機(jī)組運(yùn)行中壓力脈動(dòng)和尾水管渦帶均是考察機(jī)組水輪機(jī)工況運(yùn)行穩(wěn)定性重要指標(biāo)，機(jī)組額定水頭提高可以改善水輪機(jī)工況滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組壓力脈動(dòng)和減小尾水管渦帶。但額定水頭選擇過(guò)高，受阻容量較大，對(duì)電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組額定水頭可以采用下式進(jìn)行計(jì)算： hr= h毛min ＋k (h毛max－h(huán)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(guò)圖１對(duì)國(guó)內(nèi)外一些大型抽水蓄能電站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看出，我國(guó)設(shè)計(jì)抽水蓄能電站k值一般在0.2～0.5，而日本電站對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行因素考慮的更多些，k一般在0.5～0.9之間。 ３從經(jīng)濟(jì)性方面考慮機(jī)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(jī)組引用流量也較小，從而可使土建工程投資有所減少，但機(jī)組容量受阻的可能性增大，有可能使機(jī)組的容量效益受到損失，反之亦然。這就存在經(jīng)濟(jì)比較問(wèn)題。從電網(wǎng)對(duì)電站要求、水庫(kù)運(yùn)行特性和有利于機(jī)組運(yùn)行方面綜合考慮，按上述方法，確定幾個(gè)有代表性的額定水頭方案，根據(jù)電站水庫(kù)的庫(kù)容特性、機(jī)組特性曲線、電力系統(tǒng)調(diào)峰出力要求以及水庫(kù)的綜合利用要求等，計(jì)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(biāo)，同時(shí)根據(jù)各額定水頭對(duì)應(yīng)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(guò)調(diào)峰火電替代，替代火電裝機(jī)容量采用彌補(bǔ)峰荷電量所需容量與彌補(bǔ)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(jì)指標(biāo)，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)比較的目的。４結(jié)論 　　單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組額定水頭選擇要綜合考慮機(jī)組運(yùn)行條件、電力系統(tǒng)對(duì)電站的要求、電站正常運(yùn)行的水頭范圍、電站的經(jīng)濟(jì)性等因素。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的主要作用是調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用，在為系統(tǒng)節(jié)省燃料費(fèi)用的同時(shí)，也提高了供電質(zhì)量，在某種程度上講，電站運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性更為重要。根據(jù)單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組特性、水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)、電力系統(tǒng)調(diào)峰要求等，在電站的經(jīng)濟(jì)性允許的前提下，應(yīng)盡量選用較高的額定水頭，以便使機(jī)組高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。參考資料：《抽水蓄能電站》陸佑楣 潘家錚主編 水利電力出版社論文出處(作者):
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