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超高水头水泵水轮机型式及比转速选择

摘要：长泰抽水蓄能电站装机1 800 MW，最大动扬程896 m，如采用单级混流可逆水泵水轮机并按统计公式计算其水泵比转速为27.59 m．m3／s，显然偏低。当采用2级水泵水轮机时水泵比转速可达37.3 m．m3／s，此时机组的效率可提高、尺寸减小、土建投资也可减少。2级可调导叶混流可逆水泵水轮机比不可调导叶的机组出力可提高15%；水泵起动时可关闭导叶，起动功率只有最大功率的15%，而不可调导叶的将达65%～70%。长泰抽水蓄能电站经综合比较初步推荐2级可调导叶混流可逆式水泵水轮机，单机容量300 MW。该种机组目前国内外尚无实例。在建的韩国一抽水蓄能电站，水头816 m，装机4台，单机容量为250 MW，选用2级可调导叶混流式可逆机组，将于2001年投产。

关键词：水泵水轮机；比转速；超高水头；长泰抽水蓄能电站

1 工程概况

长泰抽水蓄能电站位于福建省漳州市长泰县陈港镇，距漳州市35 km，上库位于吴田山顶部，下库利用已建活盘水库，上、下库水平距离3 887 m，高差871 m，电站一期装机600 MW，二期再装机1 200 MW。

2 单机容量选择

电站装机规模大，若采用单机容量200 MW，则总装机需9台，一般情况台数多设备多土建投资也大。目前国内制造高水头大容量的抽水蓄能机组尚有困难，主机设备需从国外引电机配件进，这种水头高、单机容量大于300 MW的机组在国外也较少，故一期工程初拟单机容量300 MW，装机2台。

3 机组机型选择

电站一期净水头为849～880 m，动扬程871～882 m，最大动扬程与最小净水头之比为882／849＝1.039；二期工程最大动扬程与最小净水头之比为869／847＝1.058。根据电站净水头和动扬程的变幅，初拟机型为单转速混流可逆式水泵水轮机。

采用2级水泵水轮机可以减少转轮淹没深度，可采用较高的比转速以获得较高的效率。2级可调水泵水轮机在国外80年代初已完成模型试验，但由于结构复杂和设备价格较大力推动横向联合重组贵，一般要比单级可调贵30%～40%。所以尚未在实际工程中应用。90年代随着科学技术水平的提高及结构的改进，2级可调水泵水轮机在技术上的难度已逐渐减小，设备的差价也逐渐缩小，已进入实用期阶段。

日立公司认为单级转轮的应用水头上限为800～900 m，超过此限度后转轮的结构强度难于保证，但目前超800 m水头的还未实践过。一般水头超过600～700 m以上时，单级水泵水轮机效率已经较低，但由于高水头综合效率较高，700 m左右仍有采用单级水泵水轮机的。采用2级水泵水轮机主要优点在于把机组每级水头降低，由于每一级水头只是总水头的一半，可以减小脉动压力；转轮圆周速度也大大降低，对转轮强度设计将更有利；转轮直径也可以减小，叶片高度可以增大，更有利于转轮叶片的加工制造；吸出高度Hs值与单级水泵水轮机相比可差15 m左右，即可以提高机组安装高程15 m；由于转轮直径减小，厂房总体尺寸也可减少30%左右，土建投资可大量减少。

选用2级可调水泵水轮机与采用2级不可调固定导叶的水泵水轮机设备相比价格约贵10%，成套机组设备约贵5%，但2级可调水泵水轮机还具有许多优点：在水轮机工况运行时，能根据目前系统需要调节水轮机的出力；机组可以利用超发来获得与单级可调导叶机组相同的水轮机出力，它比具有固定导叶机组出力大15%；当起动水泵时，可通过关闭导叶，起动功率仅为最大功率的15%，而采用固定导电镀加工叶时起动功率可达最大功率的65%～70%。对2级以上的多级水泵水轮机，则只能采用固定式导叶。若采用多级水泵、冲击式水轮机和发电电动机的三机式机组，一般不适合大容量机组。西藏羊湖抽水蓄能电站，水头841 m，就采用了三机式，水泵为6级，水轮机为冲击式，单机容量为22.5 MW，三机式机组会增加设备及土建投资。

世界首台2级可调单转速大容量混流可逆式水泵水轮机将在韩国采用，该电站水头816 m，装机容量4×250 酒店制服MW，计划于2001年投产。

综上分析，长泰抽水蓄能电站初步推荐2级可调单转速混流可逆式水泵水轮机。

4 比转速选择

水泵比转速nsp是反映机组技术和经济性能的综合参数。在一定的水头和功率条件下，提高机组比转速，能减小机组尺寸、减轻机组重量、降低电站总造价。但nsp值的提高也受到厂房允许挖深做大总量、提高质量、机组设计制造、强度、振动、空蚀、泥沙磨蚀等因素的限制。长泰抽水蓄能电站水泵的比转速宜选在35 m。m3／s左右。

福建省院1994年统计了国外14个400～500 m水头的抽水蓄能电站资料，按水泵比转速年增长率为1.21%进行修正，提出了1998年推荐单级水泵水轮机比转速计算公式为nsp=524.47 H-0.435p，长泰电站水头849～880 m，动扬程871～882 m时对单级水泵的比转速计算得nsp＝27.59 m。m3／s，显然该比转速偏低，这是因为水泵扬程太高的缘故。过低的比转速会使转轮形状变得扁平，流道窄长，在高水头下流道内流速过高导致水力损失增大，同时转轮顶盖的摩擦损失和止漏环漏水损失也随比转速的减小而增大，所以根据长泰电站水头和扬程的特点，选用2级水泵水轮机时，水泵比转速可提高至37.3 m。m3／s。

可逆式水泵水轮机的空蚀性能由水泵工况控制，因此在确定蓄能电站水泵水轮机的安装高程时，若能满足水泵工况的空蚀性要求，则必然能满足水轮机工况的空蚀性能要求。随着水泵工况比转速的提高，其空蚀性能会变的较差，为满足水泵空蚀性能的要求机组应有更大的淹没深度。

笔者也用国内外对混流可逆式水泵水轮机的不同的统计公式对长泰抽水蓄能机组分别进行了单级和2级水泵水轮机的水泵比转速计算，计算结果见表1。

表1 按不同统计公式计算长泰抽水蓄能电站水泵比转速汇总

公式来源 计算公式 单级[水泵扬程Hp／m 比转速nsp／(m。m3／s) 比速系数kp=nsp。H3／4p] 双级[水泵扬程Hp／m 比转速nsp／(m。m3／s) 比速系数kp=nsp。H3／4 ]

北京院(1970～1977年) nsp＝999H-0.5838p 871 19.19 3 077 435.5 28.77 2 743

北京院(1978～1985年) nsp＝1 714H-0.6565p 871 20.13 3 227 435.5 31.73 3 025

清华大学 nsp＝600／Hp 871 20.33 3 259 435.5 28.75 2 741

清华大学(1954～1984年) nsp＝(.128Hp)/(3.56) 871 16.72 2 681 435.5 32.38 3 087

日(深栖俊)1970年 nsp＝(400)/(Hp+30)+20 871 20.44 3 277 435.5 20.86 1 989

东芝公司(最大) nsp＝4 000H-3／4p 871 24.95 4 000 435.5 41.96 4 000

富士公司(最大) nsp＝856H-0.5p 871 29.0 4 649 435断路器.5 41.02 3 911

美R。stelzer(1977年最大) nsp＝750H-0.5p 871 25.41 4 074 435.5 35.94 3 426

福建院推荐公式 nsp＝524.47H-0.435p 871 27.59 4 423 435.5 37.30 3 556

由表1可以看出，采用不同的计算公式，相应于长泰抽水蓄能电站采用2级水泵水轮机，其比转速范围为21～42 m。m3／s。可初步将其划分为3个档次即比转速低于30 m。m3／s的为低档，35 m。m3／s左右的为中高档，42 m。m3／s为高限档，为确保机组安全、可靠、稳定运行，比转速不宜选高限档。但在选择机组参数时，也应达到一定的先进水平，同时也应考虑有利于降低机组造价和土建费用，以提高电站的经济效益，因此比转速宜选用中高档较为合适。根据通用电气阿尔斯通公司提供的机组参数，按比转速

公式算得nsp＝37.87 m。m3／s(式中：n为转速r／min；Qp为扬水量m3／s；Hp为最低全扬程m)，与福建省院推荐公式计算得nsp＝37.3 m。m3／s极其接近。

综合以上分析结果，初步拟定长泰抽水蓄能电站机组的额定工况扬程为871 m，采用2级可调水泵水轮机，其水泵比转速选用37.3 m。m3／s，比速系数为3 556。

5 结语

超高水头大容量水泵水轮机型式及比转速的选择，应考虑设备的制造、机组的效率、厂房的允许挖深等。采用2级可调水泵水轮机可以提高水泵比转速、提高机组效率、减少设备尺寸、可解决单级机组存在的大淹没深度和高相对流速的问题、减少土建投资等，也有利于电力系统的需要，对机组运行将更为有利。