電站水泵工況比轉速和比速系數(shù)的初步選擇

李永恒，馬經(jīng)童，李 哲，門 飛

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 引 言

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林縣境內(nèi)，交通方便。距蓮花壩址43 km。上水庫位于牡丹江支流三道河子右岸，無天然徑流；下水庫利用已建成的蓮花水電站水庫（不完全多年調(diào)節(jié)）。上、下水庫水平距離約2500 m。電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫、地面開關站及副廠房系統(tǒng)組成。輸水系統(tǒng)采用一洞兩機、共二洞四機的布置方式，設有上、下游調(diào)壓井。

電站總裝機容量為4×300 MW，建成后承擔黑龍江省及東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用任務。

該電站為抽水蓄能電站，水輪機選用立軸單級混流可逆式水泵水輪機。

2 電站基本參數(shù)

電站上水庫、下水庫的水位參數(shù)見表1；電站水頭、揚程參數(shù)見表2。

3 選擇比轉速和比速系數(shù)的一些原則

水泵工況比轉速nsp是水泵水輪機的一個重要水力參數(shù)，代表了水力機組的綜合特性，它綜合反映了轉輪的尺寸、形狀、流道過流能力、空化性能和能量指標。選擇較高的比轉速就意味著機組轉速的提高，一般來說這對于減少機組尺寸和重量、提高機組綜合效率、減小廠房尺寸、降低工程造價有利。但比轉速選擇也受到水泵水輪機制造難度、設計水平的限制，選擇過高的比轉速會使機組空化性能惡化，從而要求加大吸出高度，導致廠房埋入深度的增加，進而增加廠房開挖量，加大工程投資，同時也將對機組運行穩(wěn)定性帶來不利的影響。所以，必須根據(jù)電站的具體情況和水泵水輪機制造技術的發(fā)展水平來確定比轉速。

表1 電站上水庫、下水庫的水位參數(shù)表

表2 電站水頭、揚程及水泵水輪機主要參數(shù)表

為了表達水泵水輪機參數(shù)的水平，通常用水泵工況比速系數(shù)Kp＝nsp·H3/4來評定。世界各國大型水泵水輪機的制造廠商都致力于不斷提高水泵水輪機比速系數(shù)的研究，比速系數(shù)Kp值也越來越大。如70年代設計制造的單級混流可逆式水泵水輪機的比速系數(shù)范圍為 Kp＝2500～3000，80年代以來Kp值已達2900～3812，日本東芝公司90年代提出高水頭水泵水輪機的Kp值上限為4000，日本小倉電站達到4159，國內(nèi)廣蓄一期達約3969。

該電站下水庫為不完全多年調(diào)節(jié)的蓮花水電站水庫，考慮其沉排砂作用，泥沙特性不要求降低水泵工況比轉速nsp。但選擇比轉速時也應考慮水泵水輪機制造難度幾埋深等各種因素的相互制約。同時，應參考國內(nèi)外投運的水泵水輪機的相關參數(shù)并考慮電機同步轉速的影響。

4 比轉速和比速系數(shù)的取值分析

1）國內(nèi)外已經(jīng)投運的300～500 m水頭段混流可逆式水泵水輪機水泵工況比轉速和比速系數(shù)。該電站水泵水輪機水泵工況比轉速選擇時，參考了大量國內(nèi)外已經(jīng)投運的水泵水輪機的相關參數(shù)，表3中列出了部分國內(nèi)外可供參考的水泵水輪機的相關參數(shù)。由表中可見，與本電站水頭、揚程相近的（400～500 m水頭段）水泵水輪機水泵工況的比轉速范圍為：nsp＝27.70～43.50 m·m3/s，比速系數(shù)范圍為：Kp＝2123～3414。

2）國外廠商開發(fā)的水泵水輪機水泵工況比轉速和比速系數(shù)。初定本電站水泵水輪機參數(shù)之前，我公司向國外幾個廠商進行了征詢，表4中列出的是國外廠商提供的已經(jīng)開發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機水泵工況比轉速和比速系數(shù)的資料。由表中可見，各公司已經(jīng)開發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機水泵工況的比轉速范圍為：nsp＝34.81～38.31 m·（m3/s），比速系數(shù)范圍為：Kp＝3295～3586。

3）水泵水輪機水頭與比轉速的統(tǒng)計關系曲線。國內(nèi)外對單級單轉速可逆式水泵水輪機的水泵最高效率點動揚程與水泵比轉速的關系，進行了很多統(tǒng)計工作。在初步選擇本電站水泵水輪機水泵工況的比轉速和比速系數(shù)時，僅參考了目前國內(nèi)外應用較廣泛的法國阿爾斯通公司最新的水泵水輪機水頭與比轉速的統(tǒng)計關系曲線（圖略）?？梢?，與本電站水頭相近的水泵水輪機水泵工況的比轉速范圍為：nsp＝30～40 m·（m3/s）。

表3 國內(nèi)外已經(jīng)投運的300～500 m水頭段水泵水輪機比轉速和比速系數(shù)表

表4 國外廠商開發(fā)的與本電站水頭相近的水泵水輪機比轉速和比速系數(shù)表

4）按國內(nèi)外應用的各種統(tǒng)計公式計算水泵水輪機水泵工況比轉速和比速系數(shù)。目前，國內(nèi)外應用于計算水泵水輪機水泵工況比轉速的計算公式仍有很大差別，計算結果也均不相同。

在初定本電站水泵水輪機水泵工況的比轉速和比速系數(shù)時，為了使計算結果不受到某一統(tǒng)計公式的局限，計算時應用了目前國內(nèi)外應用較為廣泛的多個統(tǒng)計公式，從而得出比轉速及比速系數(shù)的取值范圍。表5中列出了各計算公式及計算結果。

由表中計算結果可知，該電站水泵工況比轉速統(tǒng)計值的范圍為：nsp＝28.7 ～42.5 m·m3/s，比速系數(shù)范圍為：Kp＝2701～3999。

5 比轉速和比速系數(shù)的初步選擇

根據(jù)以上分析，同時綜合考慮該電站工程投資、機組埋入深度對廠房開挖量的影響、水泵水輪機制造難度等多種因素，并在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下，初步選擇本電站水泵水輪機水泵工況的比轉速范圍為：nsp＝36～39 m·（m3/s），相應的比速系數(shù)范圍為：Kp＝3400～3650。

表5 按不同統(tǒng)計公式計算本電站水泵比轉速匯總表