国内大型抽水蓄能电站水轮机选型研究 (1).pdf
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1、7 8 S i c h u a n H y d r o p o w e r国内大型抽水蓄能电站水轮机选型研究邓 小 华(中电建水电开发集团有限公司,四川 成都 6 1 0 0 4 1)摘 要:抽水蓄能电站既是一座电站,更是一个电网管理工具,具有调峰、填谷、调频、调相、储能、备用等多种功能。水轮机的选型是抽水蓄能电站建设至关重要的一项工作,其成功与否直接关系到电站能否有效发挥在电网中的巨大作用。本文重点论述了大型抽水蓄能电站水轮机选型的要点,系统地对大型抽水蓄能电站水轮机选型的原则、单机容量的选择和主要特征参数的选择等进行了深入研究,具有较强的实用性和参考价值。关键词:抽水蓄能电站;电网管理工具
2、;水轮机;选型中图分类号:T V 7 4 3;T K 7;A 7 1 5文献标志码:B文章编号:1 0 0 1-2 1 8 4(2 0 2 3)0 5-0 0 7 8-0 5S t u d y o n t h e S e l e c t i o n o f H y d r a u l i c T u r b i n e f o r D o m e s t i c L a r g e-s c a l e P u m p e d S t o r a g e P o w e r S t a t i o n sD E N G X i a o h u a(P o w e r C h i n a H y
3、d r o p o w e r D e v e l o p m e n t G r o u p C o.,L t d.,C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 4 1)A b s t r a c t:A p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n i s n o t o n l y a p o w e r s t a t i o n,b u t a l s o a p o w e r g r i d m a n a g e m e n t t o o l,w i t h p e a k r e g u l
4、a t i o n,v a l l e y f i l l i n g,f r e q u e n c y r e g u l a t i o n,p h a s e r e g u l a t i o n,e n e r g y s t o r a g e,b a c k u p a n d o t h e r f u n c t i o n s.T h e s e l e c t i o n o f h y d r a u l i c t u r b i n e i s a v e r y i m p o r t a n t w o r k i n t h e c o n s t r u
5、c t i o n o f a p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n,a n d i t s s u c c e s s i s d i r e c t l y r e l a t e d t o w h e t h e r t h e p o w e r s t a t i o n c a n e f f e c t i v e l y p l a y a h u g e r o l e i n t h e p o w e r g r i d.T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e k
6、e y p o i n t s o f t u r b i n e s e l e c t i o n i n l a r g e-s c a l e p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n s,a n d s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e s t h e p r i n c i p l e o f t u r b i n e s e l e c t i o n,s i n g l e c a p a c i t y s e l e c t i o n a n d t h e s e l
7、e c t i o n o f m a i n c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s,e t c.w h i c h h a s s t r o n g p r a c t i c a b i l i t y a n d r e f e r e n c e v a l u e.K e y w o r d s:P u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n;G r i d m a n a g e m e n t t o o l;H y d r a u l i c t u r b i n
8、e;T y p e s e l e c t i o n1 国内大型抽水蓄能电站发展状况由于光伏和风电等新能源波动性和随机性大,不利于电网系统的稳定,需要规模足够大的储能电源来保持和调节系统稳定,大型抽水蓄能电站是最佳选择。抽水蓄能电站建设在我国起步较晚,首台抽蓄机组1 9 6 8年投入运行,至今已有五十余年。2 0世纪9 0年代,我国抽水蓄能电站建设才逐步进入高速发展期,进入2 1世纪以后,发展更快1,截至2 0 2 3年3月底,全国已建成抽水蓄能电站总装机容量达到4 7 2 9万k W,核准在建抽水蓄能电站总装机容量达到1.3 2亿k W。“十四五”以来,核准的抽水蓄能电站达到6 8座,总装
9、机容量达到9 3 9 9万k W2。收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 12 大型抽水蓄能电站机组的特点抽水蓄能电站机组根据水轮机和发电机的布置型式不同分为组合式和可逆式,组合式又分为四机式和三机式,可逆式机组(也称为两机式机组)又分为混流式(单级或多级)、轴流式、斜流式和贯流式。四机式机组是最早使用的抽水蓄能机组,由单独的抽水机和发电机组合而成,三机式机组是将一台水泵和一台水轮机分别连接在可以兼作电动机和发电机的电动发电机的一端或两端。两机式机组是由可逆向旋转的水轮机和可以兼作电动机和发电机的电动发电机构成,机组正向旋转发电,逆向旋转抽水,也称为可逆式水泵水轮发电机组。四机式机组两套设备完
10、全分开设置,机组和附属设备数量多、运行维护成本高、工作量大。三机式机组造价高,水泵运行时需要压缩空气压低第4 2卷第5期2 0 2 3年1 0月四 川 水 力 发 电 S i c h u a n H y d r o p o w e ro l.4 2,N o.5O c t.,2023S i c h u a n H y d r o p o w e r 7 9 水轮机尾水管水位,增加运行维护难度和土建成本。可逆式水泵水轮机组结构简单、尺寸小,土建工程量小、电站造价低,是当今国内外抽水蓄能电站普遍采用的机组型式。近年来,随着科学技术的进步,先进的工业设计手段日趋成熟,新工艺新材料的广泛应用,使可逆式水
11、泵水轮机的设计制造技术取得较大发展。2.1 高水头化2 0世纪7 0年代以前,可逆式水泵水轮机(单级混流式)最高扬程未超过4 0 0.0 m;1 9 7 3年日本沼原抽水蓄能电站最高扬程突破5 2 0.0 m;8 0年代初巴吉纳巴斯塔抽蓄电站最高水头突破6 0 0.0 m,水泵最高扬程突破6 2 0.0 m;1 9 9 4年,保加利亚茶拉抽蓄电站最高水头突破6 7 0.0 m,水泵最高扬程突破7 0 0.0 m;前几年投产的日本葛野川抽蓄电站最高水头突破7 5 0.0 m,水泵最高扬程突破7 7 0.0 m。我国已投产的抽蓄电站大多以5 0 0.0 m水头段 居多,近年来,建成的抽蓄电站最大水
12、头已经突破了7 0 0.0 m,如山西西龙池抽蓄电站最高扬程为7 0 3.0 m,广东阳江抽蓄电站最高水头7 0 0.0 m,在建的浙江乌龙山抽蓄电站最高扬程也达到7 0 0.0 m以上。2.2 高转速化水泵水轮机的工作水头大小取决于转轮的线速度。为了达到与水泵水轮机工作水头相应的转轮线速度,需要采用较大的转轮直径或较高的转速。随着科学技术的发展和加工工艺的提升,现代化的设计理论和发展方向将转轮直径保持在一定范围内而尽量提高水轮机转速。对水力特性而言,就需要采用较高的比转速,但是,和常规水轮机一样,水泵水轮机的水头越高比转速会越小,通常采用水泵工况下最低扬程时的比转速。在水泵水轮机工作水头提高
13、的同时,比转速的降低会导致水泵水轮机转轮的摩擦损失增加,运行效率下降,因此,要尽可能不降低水泵水轮机转轮的比转速。随着科学技术和工艺水平的进一步提升,可逆式水泵水轮机必将同时向高水头和高比转速方向发展。2.3 大容量化2 0世纪7 0年代以后,世界范围内混流单级可逆式水泵水轮机单机容量不断增大。5 0年代最大单机容量仅为9 0 MW,6 0年代单机容量最大2 2 0 MW,7 0年代单机容量最大4 0 0 MW,8 0年代单机容量已经能达到4 5 7 MW。目前,我国可逆式水泵水轮机单机容量以3 0 0 MW为主,技术成熟,运行稳定,完全实现国产化。近年来,国内主要发电设备制造商已经突破单机容
14、量4 0 0 MW的水轮机研发和制造(广东阳江抽蓄),运行可靠,水轮机效率高,正在研发制造4 2 5 MW水轮机(浙江天台抽蓄)。2.4 高性能化可逆式水泵水轮机的高水头、高转速和大容量发展,对水轮机的材料强度、水轮机振动噪音水平和设备疲劳损害等提出了更加严格的要求。目前在国内外普遍采用C F D技术(流体分析技术)实施从蜗壳进口到尾水管出口全流体断面设计,C F D技术的运用能够实现水轮机整体工况最优。C F D在给出计算条件和流道形状后,能够快速获得压力和流速分布。可以全流道解析尾水管、转轮、活动导叶、座环(含固定导叶)、蜗壳等数据。在实际工程中,通过对流体的反复解析能够准确高效地确定流道
15、和叶片的形状、预测汽蚀程度和水轮机的效率,实现高性能化。2.5 高可靠性为提高可逆式水泵水轮机的可靠性,国内外主要发电设备制造商都可以在模型试验的基础上,对水泵水轮机进行真实大小相同和缩小模型的试验,验证其设计性能、疲劳强度以及运转的耐久性。主要包括真实扬程试验、主轴密封装置试验和机组调相漏气量试验等。通过这些试验,确保了出厂的水轮机均具有真实的较高的运行可靠性。2.6 变速水轮机为了满足新型大电网对电能质量和水轮机更短反应时间等指标越来越高的要求,大容量的变速发电电动机正在逐步投入实际应用。变速发电电动机相较于恒速发电电动机,可以在一定范围内使水泵水轮机转速连续变化,从而达到水泵工况和水轮机
16、工况下在较大流量和水头的变化范围内都具有很高的运行效率,满足更大的功率变化和更宽的扬程/水头变幅。如在建中的河北丰宁抽水蓄能电站(二期)已经采用大容量变速可逆式水泵水轮机(单机3 0 0 MW)3。3 大型抽水蓄能电站水轮机选型要点3.1 大型水泵水轮机的选型原则邓小华:国内大型抽水蓄能电站水轮机选型研究2 0 2 3年第5期8 0 S i c h u a n H y d r o p o w e r(1)水泵水轮机机型选择应根据发电水头/抽水扬程、运行特点及设计制造水平等因素,经技术经济比较后来确定。发电水头特征值包括最大水头、最小水头、平均水头和额定水头等,抽水扬程特征值包括最大扬程和最小扬
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