电站水泵工况比转速和比速系数的初步选择

李永恒，马经童，李 哲，门 飞

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 引 言

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省牡丹江市海林县境内，交通方便。距莲花坝址43 km。上水库位于牡丹江支流三道河子右岸，无天然径流；下水库利用已建成的莲花水电站水库（不完全多年调节）。上、下水库水平距离约2500 m。电站由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站及副厂房系统组成。输水系统采用一洞两机、共二洞四机的布置方式，设有上、下游调压井。

电站总装机容量为4×300 MW，建成后承担黑龙江省及东北电网的调峰、填谷、调频和事故备用任务。

该电站为抽水蓄能电站，水轮机选用立轴单级混流可逆式水泵水轮机。

2 电站基本参数

电站上水库、下水库的水位参数见表1；电站水头、扬程参数见表2。

3 选择比转速和比速系数的一些原则

水泵工况比转速nsp是水泵水轮机的一个重要水力参数，代表了水力机组的综合特性，它综合反映了转轮的尺寸、形状、流道过流能力、空化性能和能量指标。选择较高的比转速就意味着机组转速的提高，一般来说这对于减少机组尺寸和重量、提高机组综合效率、减小厂房尺寸、降低工程造价有利。但比转速选择也受到水泵水轮机制造难度、设计水平的限制，选择过高的比转速会使机组空化性能恶化，从而要求加大吸出高度，导致厂房埋入深度的增加，进而增加厂房开挖量，加大工程投资，同时也将对机组运行稳定性带来不利的影响。所以，必须根据电站的具体情况和水泵水轮机制造技术的发展水平来确定比转速。

表1 电站上水库、下水库的水位参数表

表2 电站水头、扬程及水泵水轮机主要参数表

为了表达水泵水轮机参数的水平，通常用水泵工况比速系数Kp＝nsp·H3/4来评定。世界各国大型水泵水轮机的制造厂商都致力于不断提高水泵水轮机比速系数的研究，比速系数Kp值也越来越大。如70年代设计制造的单级混流可逆式水泵水轮机的比速系数范围为 Kp＝2500～3000，80年代以来Kp值已达2900～3812，日本东芝公司90年代提出高水头水泵水轮机的Kp值上限为4000，日本小仓电站达到4159，国内广蓄一期达约3969。

该电站下水库为不完全多年调节的莲花水电站水库，考虑其沉排砂作用，泥沙特性不要求降低水泵工况比转速nsp。但选择比转速时也应考虑水泵水轮机制造难度几埋深等各种因素的相互制约。同时，应参考国内外投运的水泵水轮机的相关参数并考虑电机同步转速的影响。

4 比转速和比速系数的取值分析

1）国内外已经投运的300～500 m水头段混流可逆式水泵水轮机水泵工况比转速和比速系数。该电站水泵水轮机水泵工况比转速选择时，参考了大量国内外已经投运的水泵水轮机的相关参数，表3中列出了部分国内外可供参考的水泵水轮机的相关参数。由表中可见，与本电站水头、扬程相近的（400～500 m水头段）水泵水轮机水泵工况的比转速范围为：nsp＝27.70～43.50 m·m3/s，比速系数范围为：Kp＝2123～3414。

2）国外厂商开发的水泵水轮机水泵工况比转速和比速系数。初定本电站水泵水轮机参数之前，我公司向国外几个厂商进行了征询，表4中列出的是国外厂商提供的已经开发的与本电站水头相近的水泵水轮机水泵工况比转速和比速系数的资料。由表中可见，各公司已经开发的与本电站水头相近的水泵水轮机水泵工况的比转速范围为：nsp＝34.81～38.31 m·（m3/s），比速系数范围为：Kp＝3295～3586。

3）水泵水轮机水头与比转速的统计关系曲线。国内外对单级单转速可逆式水泵水轮机的水泵最高效率点动扬程与水泵比转速的关系，进行了很多统计工作。在初步选择本电站水泵水轮机水泵工况的比转速和比速系数时，仅参考了目前国内外应用较广泛的法国阿尔斯通公司最新的水泵水轮机水头与比转速的统计关系曲线（图略）。可见，与本电站水头相近的水泵水轮机水泵工况的比转速范围为：nsp＝30～40 m·（m3/s）。

表3 国内外已经投运的300～500 m水头段水泵水轮机比转速和比速系数表

表4 国外厂商开发的与本电站水头相近的水泵水轮机比转速和比速系数表

4）按国内外应用的各种统计公式计算水泵水轮机水泵工况比转速和比速系数。目前，国内外应用于计算水泵水轮机水泵工况比转速的计算公式仍有很大差别，计算结果也均不相同。

在初定本电站水泵水轮机水泵工况的比转速和比速系数时，为了使计算结果不受到某一统计公式的局限，计算时应用了目前国内外应用较为广泛的多个统计公式，从而得出比转速及比速系数的取值范围。表5中列出了各计算公式及计算结果。

由表中计算结果可知，该电站水泵工况比转速统计值的范围为：nsp＝28.7 ～42.5 m·m3/s，比速系数范围为：Kp＝2701～3999。

5 比转速和比速系数的初步选择

根据以上分析，同时综合考虑该电站工程投资、机组埋入深度对厂房开挖量的影响、水泵水轮机制造难度等多种因素，并在保证机组安全稳定运行的前提下，初步选择本电站水泵水轮机水泵工况的比转速范围为：nsp＝36～39 m·（m3/s），相应的比速系数范围为：Kp＝3400～3650。

表5 按不同统计公式计算本电站水泵比转速汇总表