赵 妍
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)
摘 要：镇安抽水蓄能电站总装机1 400 MW，具备日调节性能，电站建成后将主要承担陕西省电网的调峰、填谷、紧急事故备用和调频、调相、黑启动任务。文章对该电站可行性研究阶段水泵水轮机主要参数的优化选择及关键技术进行研究，为下阶段工作奠定了坚实基础。
关键词：镇安抽水蓄能电;水泵水轮机;参数选择;调节保证;泥沙；拆卸
镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河乡东阳村。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省电网的调峰、填谷、紧急事故备用和调频、调相、黑启动任务[1-3]。
电站主要布置有上、下水库、上游阻抗式调压井、地下厂房等建筑物。引水系统、尾水系统均为1洞2机布置，共设置2条引水主洞、4条引水支管和4条尾水支管、2条尾水隧洞。
(1) 水 位
上库正常蓄水位： 1 392.00 m
上库死水位： 1 367.00 m
下库正常蓄水位： 945.00 m
下库死水位： 910.00 m
(2) 水 头
最大毛水头： 482.0 m
平均毛水头： 452.0 m
最小毛水头： 422.0 m
加权平均净水头: 440.0 m
本电站毛水头为422.0～482.0 m，根据规范及对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[4-5]。通过单机容量与机组台数比较，确定本电站装设4台350 MW机组，额定水头为440.0 m。
2.1 比转速和比速系数的选择
(1) 国内外与镇安抽水蓄能电站水头相近的电站参数统计
根据对世界上与镇安抽水蓄能电站水头相近且已投入运行的抽水蓄能电站的统计分析，20世纪90年代水泵工况下的比转速nsp值约在33～37 m·m3/s，相应比速系数Kp值达3 400～3 850之间。
其中，仙居抽水蓄能电站水轮机工况水头范围为416～493.35 m，额定水头下比转速范围92.18～118.9 m·kW；水泵工况扬程范围为429.3～501.8 m，最小扬程比转速范围25.6 ～36.76 m·m3/s，镇安抽水蓄能电站参数与仙居抽水蓄能电站非常接近，机组参数相当，具有良好的运行条件[6-8]。
(2) 统计公式计算水泵和水轮机比转速
统计公式代表不同年代水泵水轮机参数水平，参数水平分布较广。镇安抽水蓄能电站水泵水轮机比转速的选择将不以此为依据，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。
(3) 用统计回归拟和曲线法选择比转速
图1、2中的曲线是在统计了国内外大量已建抽水蓄能电站的基础之上做出的统计回归拟和曲线，具有一定的普遍性和参考价值。
图1 单级混流式水泵水轮机组水头-比转速关系曲线图
图2单级混流式水泵水轮机组扬程-比转速关系曲线图
根据本电站水头参数，参考图1、2 ，镇安抽水蓄能电站选定水轮机比转速nst=110.3 m·kW；最低扬程水泵比转速nsp=35.4 m·m3/s。
(4) 厂家咨询
制造厂家水轮发电机组主要参数对比见表1。
表1 制造厂家水轮发电机组主要参数对比表
厂商名称水轮机工况下比转速nst/(m·kW)最大水头477．5m额定水头440m最小水头411m水泵工况下比转速nsp/[m·(m3·s-1)]最大扬程489m最小扬程427．5m厂商A100．4111．2113．727．235．3厂商B100．40111．2113．028．1535．38厂商C100．4111．2114．226．9434．87
综合以上分析，镇安抽水蓄能电站的水头和扬程范围内，水泵工况最小扬程比转系数一般在3 200～3 800之间，即比转速在34.1～40.5 m·m3/s范围内选取；水轮机工况额定水头下比转系数一般在2 100～2 600之间，即比转速在104.5～123 m·kW范围内选取。
2.2 额定转速方案比选
从本电站可选取的比转速和比速系数的范围来看，机组额定转速可选同步转速375 r/min和428.6 r/min。2个转速方案的技术经济比较见表2。
表2 不同转速方案参数水平比较表
项目额定转速n/(r·min-1)转轮高压侧直径D1/m水轮机工况额定水头比转速nst/(m·kW)水轮机工况额定水头比速系数Kt水泵工况最小扬程对应比转速nsp/[m·(m3·s-1)]水泵工况最小扬程对应比速系数Kp吸出高度/m水泵水轮机重量/t桥机重量/t进水球阀重量/t发电电动机重量/t方案13754．8110．3232135．43322-754×8502×2104×2154×1200方案2428．64．4125263940．53797-854×8002×2104×1804×1100
转速为375 r/min时，参数水平在该水头段处于适中，取值合理，虽然机组尺寸较大，但可以解决运输问题；转速为428.6 r/min时，参数水平在该水头段为临近经验值上限，在本电站单机容量及水头段范围内业绩很少。
发电电动机转速若选用428.6 r/min，支路数需选择7支路，槽电流为3 055 A左右，其值偏小，不能充分利用材料特征；若采用不对称电磁设计，设计和制造经验不多，存在一定的技术难度。选用375 r/min，发电电动机的支路数可选4支路，槽电流为5 346 A左右，大小适中。从发电电动机槽电流匹配而言，选择375 r/min的方案更为合理。
375 r/min转速方案相对于428.6 r/min转速方案而言，机组重量加大，机组尺寸也加大，从而带来厂房尺寸加大。本工程428.6 r/min转速方案比375 r/min转速方案的土建工程节约16 350万元。
镇安抽水蓄能电站过机含沙量约为0.035 kg/m3，能够满足抽水蓄能电站对过机含沙量的要求。但是，泥沙粒径(平均值)为0.038 mm，其中硬矿物成分主要为石英、斜长石等，粒径小于0.125 mm的泥沙中硬矿物占55.7%，大于0.125 mm的泥沙中硬矿物占54%[9-10]，泥沙粒径不大，但是石英等颗粒具有很高的硬度，高于普通钢材的表面硬度，甚至高于一般不锈钢的硬度，在水流动能的作用下，对钢材表面产生磨蚀。为减轻水轮机的磨损，延长机组的使用寿命，除过机水流要求极低的含沙量和较细的粒径外，机组也不应片面追求高参数，并在机组过流部件的选材和抗磨措施方面予以重视。
综合分析，结合镇安电站为西北地区第1个抽水蓄能电站，机组长期安全稳定运行作为首要保证，镇安电站本阶段选择额定转速为375 r/min。
2.3 装置空化系数及吸出高度的确定
水泵水轮机吸出高度的选择应按照水泵工况无空化的条件考虑，还要按泵工况空蚀比转速水平进行评价。同时，吸出高度的选择还应考虑调保计算的影响，即在机组过渡过程中，输水管道不发生水柱分离[11]。
通过吸出高度的统计公式和已建类似电站装置空蚀系数及吸出高度得出，各统计公式计算的最小扬程Hs值在-48.7～-66 m之间。参考部分厂家为本电站所做的初步方案，Hs值处于-70～-100 m。在尽量节约土建开挖量的前提下，考虑本电站蓄能机组的复杂性，应使机组有足够的淹没深度，保证机组安全稳定运行，满足调保计算要求。综合以上分析，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，取装置空蚀系数σp=0.20(Hp min)，相应吸出高度Hs=-75.0 m。
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取值如表3所示。
表3 水泵水轮机各点效率表
工 况厂家推荐值/%本阶段效率取值/%水轮机最大水头点Htmax90．43～92．892．0额定水头点Htr91．5～91．7391．0最小水头点Htmin90．84～92．0890．0水泵最大扬程点Hpmax91．39～92．7791．5最小扬程点Hpmin90．6～93．0991．0
2.5 推荐的水泵水轮机主要参数
综合以上分析，本阶段推荐的水泵水轮机主要参数见表4。
表4 水泵水轮机主要技术参数表
机型机组台数/台额定转速/(r·min-1)转轮高压侧直径/m水轮机额定出力/MW电动机最大轴出力/MW吸出高度/m立轴单级混流可逆式水泵水轮机43754．8357．1375-75工况水头/扬程/m流量/(m3·s-1)效率/%出力/入力/MW比转速比速系数K水轮机Htmax477．582．90．92357．1100．1m．kW2190Htr440910．91357．1110．3m．kW2321Htmin41187．90．90318．9113．4m．kW2481水泵Hpmax488．561．30．915336．128．3(m．m3/s)2955Hpmin427．579．40．91360．435．4(m．m3/s)3322
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3家单位进行了过渡过程计算，3家单位均采用仙居全特性曲线计算，笔者单位分别采用仙居和深圳抽水蓄能电站水泵水轮机模型特性曲线进行了过渡过程计算。
选定水轮机工况、抽水断电工况均为Ts=25 s直线关闭规律，发电电动机GD2=8 000 t·m2。机组控制值如下：
(1) 导叶开启与关闭时间不超过30 s；
(2) 机组蜗壳允许最大压力升高相对值ζ≤30%，取蜗壳最大允许最大压力Hcmax≤724.1 m；
(3) 机组最大转速升高率βmax≤45%；
(4) 尾水管进口处最小压力不小于15 m。
3.1.2 水力过渡过程计算主要成果
笔者单位和多家被委托单位对推荐方案开展了系统的大波动过渡过程计算，水轮机设计工况及水轮机校核工况下的大波动过渡过程控制性参数计算值均满足控制标准，且计算结果规律性基本一致、总体接近。见表5～8。
表5 水轮机设计工况大波动过渡过程计算极值汇总表
名称蜗壳末端最大压力水柱/m尾水管最小压力水柱/m导叶正常关闭时机组转速最大上升率/%导叶拒动时机组转速最大上升率/%西北院689．2736．1939．38-682．4735．7339．35-单位1672．0137．4439．46-单位2681．9839．9739．20-单位3706．3017．3038．10-控制标准≤724．10≥15．00≤45．00≤45．00
表6 水轮机校核工况大波动过渡过程计算极值汇总表
名 称蜗壳末端最大压力水柱/m尾水管最小压力水柱/m导叶正常关闭时机组转速最大上升率/%导叶拒动时机组转速最大上升率/%西北院686．4424．3440．2444．64670．8236．2140．2842．57单位1672．3832．8740．3142．42单位2686．0133．8241．2044．00单位3702．6025．1039．8041．40控制标准≤724．10≥15．00≤45．00≤45．00
表7 水泵设计工况大波动过渡过程计算极值汇总表
名 称蜗壳末端最大压力水柱/m尾水管最小压力水柱/m单位1656．6145．77单位2618．4654．08单位3649．0050．20控制标准≤724．10≥15．00
表8 水泵校核工况大波动过渡过程计算极值汇总表
名 称蜗壳末端最大压力水柱/m尾水管最小压力水柱/m单位1594．5654．07单位2589．1257．33单位3618．1050．20控制标准≤724．10≥15．00
3.1.3 调节保证设计值
根据镇安抽水蓄能电站在水轮机工况和水泵工况下的过渡过程计算结果可知：
(1) 蜗壳末端最大压力值为706.30 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水柱。
(2) 尾水管进口最小压力值为24.34 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，尾水管进口最小压力调节保证设计值为0 m水柱。
(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 泥沙研究
根据镇安抽水蓄能电站实际泥沙情况，应在机组招标中对水泵水轮机的水力设计、模型试验、结构设计、材料选用、刚强度分析、轴系稳定、压力脉动和振动等方面提出详细技术要求，并重点关注导水机构、转轮、迷宫环、底环、泄流环等部件的抗磨蚀能力。不锈钢是十分有效的抗磨损材料，初步考虑过流部件采用不锈钢制造，固定部件过流表面铺焊抗磨材料；对转轮和导叶表面根据需要进行提高硬度特殊的处理。
水泵水轮机主轴密封的要求很高，在机组招标文件中将要求采用耐磨、耐高温、高强度的密封材料。为避免密封供水的泥沙问题，拟采取有效的水处理设备，确保密封用水的水质质量。
3.3 拆卸方式
中拆方式机坑开孔尺寸较大，不利于厂房抗振，且中拆方式需增设中间轴，增加轴系调整难度，考虑到本电站泥沙含量略大，水泵水轮机的检修几率可能会稍高，推荐上拆方式。
(1) 镇安抽水蓄能电站采用单级混流可逆式水泵水轮机。
(2) 镇安抽水蓄能电站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，水泵工况最小扬程比转系数一般在3 200～3 800之间，即比转速在34.1～40.5 m·m3/s范围内选取，水轮机工况额定水头下比转系数一般在2 100～2 600之间，即比转速在104.5～123 m·kW范围内选取。
(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，镇安电站选择额定转速为375 r/min。
(4) 镇安抽水蓄能电站取装置空蚀系数σp=0.20(Hpmin)，相应吸出高度Hs=-75.0 m。
(5) 镇安抽水蓄能电站各工况效率取值见表8。
(6) 通过对镇安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。
本文通过简要论述镇安抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数选择，最终确定了镇安电站可研阶段水泵水轮机主要参数，并结合对关键技术的研究，为下阶段发包及施工阶段工作奠定了坚实基础。
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Main Parameter Selection and Key Technical Study of Pump Turbine,Zhen'an Pumped Storage Power Plant
ZHAO Yan
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)
Abstract:Zhen'an Pumped Storage Power Plant is with the total installed capacity of 1 400 MW and the daily regulating performance. After completion, it will play roles of load peak regulation, load valley compensation, standby for emergency, frequency regulation, phase regulation and black start in Shaanxi power grid. In the paper, the optimization and selection of main parameters as well as the key technical studies on the pump turbine at the feasibility study stage of the plant are carried out so as to lay sound foundation for next stage. Key words:Zhen'an Pumped Storage Power Plant; pump turbine; parameter selection; regulation guarantee; sedimentation; dismantle
文章编号：1006-2610(2017)04-0029-04
收稿日期：2017-06-15
作者简介：赵妍(1985- )，女，陕西省延安市人，工程师，从事水力机械专业设计工作.
中图分类号：TV743;TV734.1
文献标志码：A
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