抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)經濟管徑比較研究

1、抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)經濟管徑比較研究摘要：在抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)經濟管徑比選中，應保證擬定參與比較方案的可行性，即各方案輸水系統(tǒng)具有較好的調節(jié)性能，才能保證管徑比較結果的合理性。本文結合工程實例說明在經濟管徑比選時，如何判斷方案的可行性，并分析了在輸水系統(tǒng)管徑選擇時應注意的問題。關鍵詞：抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)管徑經濟比較隨著抽水蓄能電站向大規(guī)模大容量的開展，輸水系統(tǒng)也趨于大PD化，輸水系統(tǒng)管徑確實定對電站投資有較大的影響。管徑選擇主要受電量價格、土建費用、水頭損失、水擊壓力以及電網對輸水系統(tǒng)運行方式要求等因素的影響。假設管徑選擇過小雖然可減小土建費用，但卻使輸水系統(tǒng)水頭損失增大，同時也使輸水系統(tǒng)

2、對過渡過程適應才能下降，降低了電站運行的靈敏性；假設管徑選擇過大，雖可減少電能損失但增加了土建投資，造成不必要的浪費。這就存在一個經濟比較問題。經濟管徑比較結論是否合理，關鍵是擬定參加比選方案的可行性，由于抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)過渡過程的復雜性，計算工作量比較大，在進展經濟管徑比選時往往難以做到對每一個擬定方案進展分析，這就需要結合工程實際根據(jù)以往工程經歷進展分析與判斷。1輸水系統(tǒng)管徑比較方案的擬定原那么抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設計水頭一般比較高，特別是對鋼板襯砌的輸水系統(tǒng)，為到達經濟合理的目的，高壓管道應采用不同管徑組合。管徑的變化次數(shù)及變化位置應根據(jù)輸水系統(tǒng)的布置、地質條件、長度、施工條件以及輸

3、水系統(tǒng)對過渡過程的適應性等因素綜合考慮。根據(jù)以往工程經歷變徑次數(shù)以24次為宜。經濟管徑比較方案擬定應根據(jù)經歷公式初擬管徑，并控制輸水系統(tǒng)水頭損失為電站設計水頭的2%5%，然后以此管徑為根底，在其左右確定幾組管徑方案。目前計算經濟管徑的經歷公式比較多，在選用時應注意其適用條件與范圍，尤其是管道的襯砌型式對經濟管徑的影響。輸水系統(tǒng)管徑擬定后，應保證每一組方案輸水系統(tǒng)具有良好的調節(jié)性能，即保證方案的可行性。2輸水系統(tǒng)調節(jié)性能的判斷抽水蓄能電站主要是在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事備用等任務，電站的經濟性取決于電站的投資和其在電力系統(tǒng)中的運行才能。電站的運行才能是指電站對電網負荷變化的迅速響應才

4、能。水泵水輪機組轉速調節(jié)的穩(wěn)定性主要受到輸水系統(tǒng)的布置、流速、機組特性等的影響。由于經濟性的要求，抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的引用流速通常比較大，從而降低了電站的響應才能。高流速與電站良好調節(jié)性能和運行靈敏性之間構成一對矛盾，流速高，那么調解時間長，必要時需布置調壓井。在初步判斷輸水系統(tǒng)的調節(jié)性能時，可以根據(jù)導葉關閉時間Ts和高壓管道中水擊壓力允許值來近似判斷的。對常規(guī)電站水頭一般低于200，高壓管道水擊類型一般是未相水擊，其簡化公式為：式中：h未項水擊壓力通過上式可確定貫性時間常數(shù)：對于抽水蓄能電站，最高水擊壓力一般是由水輪機甩負荷工況控制，過渡過程計算與常規(guī)電站沒有本質區(qū)別。抽水蓄能電站較經濟水

5、頭一般為400600，蓄能電站的水頭一般是比較高的，對于高水頭電站，輸水系統(tǒng)水擊類型往往是第一相水擊，其簡化公式為：式中：h1第一相水擊壓力相對值；0導葉的起始相對開度；a水擊波波速。通過上式可確定貫性時間常數(shù)：當01時，水擊壓力為第一相水擊；當01時，水擊壓力為未相水擊。當0時第一相水擊壓力與未相水擊壓力相等。在一樣導葉關閉時間，產生一樣水擊壓力，不同水擊類型所要求的輸水系統(tǒng)貫性時間常數(shù)T并不一樣，第一相水擊要求的要比未相水擊要求的校也就是說，蓄能電站輸水系統(tǒng)調節(jié)性能比常規(guī)電站要求嚴格，即設置調壓井的條件要比常規(guī)電站嚴格。抽水蓄能電站對電網負荷變化的迅速響應才能通過合理選擇輸水系統(tǒng)、機組和控

6、制設備參數(shù)來實現(xiàn)。主要通過調整輸水系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T和機組加速時間常數(shù)Ta來解決這一問題。通過圖對國內外大型抽水蓄能電站的統(tǒng)計可以看出，各蓄能電站根本全部位于?水電站調壓井標準?推薦的調速性能好的區(qū)域內，再一次說明抽水蓄能電站對電站調節(jié)性能要求要比常規(guī)電站嚴格。所以在確定輸水系統(tǒng)參數(shù)時，應使輸水系統(tǒng)調節(jié)性能處于良好區(qū)域內。經濟管徑初擬方案調節(jié)性能好壞，可根據(jù)機組技術咨詢資料和工程類比確定機組加速時間常數(shù)Ta，并使輸水系統(tǒng)處于?水電站調壓井標準?規(guī)定的調速性能好的區(qū)域，確定調壓井間的T，再計算各初擬管徑方案的T，假設TT，即認為此方案滿足要求，否那么應重新擬定。3經濟管徑比較經濟管徑的比較是在

7、機組額定水頭和上、下水庫調節(jié)庫容一樣的情況下進展的。由于管徑比較方案不同，使各方案的水頭損失不同，發(fā)電量和抽水用電量不同，土建費用也不同。在進展管徑比較時，對不同方案的發(fā)電量和抽水用電量以替代火電予以補充后，計算各方案費用現(xiàn)值，費用現(xiàn)值最小方案為最優(yōu)，即費用現(xiàn)值最小法。西龍池抽水蓄能電站裝設4臺單機容量為300豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，機組額定水頭為640。輸水系統(tǒng)由上水庫進/出水口、引水事故閘門井、高壓管道、尾水隧洞、尾水閘門井、下水庫進/出水口等組成。輸水系統(tǒng)總長度1850左右，引水系統(tǒng)采用一管兩機的供水方式，共2根主管，在距廠房54左右布置高壓岔管。尾水隧洞采用一機一洞的布置方式。

8、在立面上采用用斜井布置見圖2，在952.5高程布置中平段，將斜井分成上、下兩部分。上、下斜井與程度面夾角分別為56和60。高壓管道上平段、尾水隧洞上平及段斜井采用后張法無粘結預應力砼襯砌，其它部分采用鋼板襯砌。圖2西龍池抽水蓄能電站輸水系剖面示意圖根據(jù)輸水系統(tǒng)的詳細情況，在可行性研究階段將整個輸水系統(tǒng)大至分為三段，即上平段及上斜井、下斜井和尾水隧洞。對上述各管段分別擬定三個管徑方案，并對其進展組合，各方案比較結果詳見表1和圖3。從圖3可以看出，方案3費用現(xiàn)值最小，看似是最經濟的方案，假設加以分析可以看出：方案3水頭損失為38.19，占電站設計水頭的6.1%，電站的綜合效率為0.71。從已建抽水

9、蓄能電站的經歷可以看出，輸水系統(tǒng)的水頭損失一般為電站設計水頭的25%，方案3水頭損失過大，電站綜合效率偏低。根據(jù)工程類比及與機組制造廠商技術咨詢和交流成果確定西龍池抽水蓄能電站機組加速時間常數(shù)Ta=8.3s左右，假設使輸水系統(tǒng)處于?水電站調壓井標準?規(guī)定調速性能良好區(qū)域見圖1，輸水系統(tǒng)T應不大于2.5s，而方案3輸水系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T=2.7s，輸水系統(tǒng)位于?水電站調壓井標準?規(guī)定的調速性能良好區(qū)域外，本方案可行性較差，不應作為比較方案。根據(jù)上述分析，方案1、方案2、方案3、方案10、方案11、方案19可行均較差，不應列入比較方案。這樣以來，費用現(xiàn)值最小的方案應為方案6。方案6輸水系統(tǒng)水頭損

10、失為22.43，占電站設計水頭的3.6%，電站的綜合效率為0.74，輸水系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T=2.3s小于2.5s，方案6輸水系統(tǒng)具有良好的調節(jié)性能，且具有較好的經濟指標。是西龍池抽水蓄能電站較優(yōu)的管徑方案。表1輸水系統(tǒng)管徑組合方案表方案各部位管徑()加權平均直徑D()T(s)費用現(xiàn)值萬元方案各部位管徑()加權平均直徑D()T(s)費用現(xiàn)值萬元上斜井直徑D1下斜井直徑D2尾水隧洞直徑D3上斜井直徑D1下斜井直徑D2尾水隧洞直徑D314.73.33.33.92.824379155.23.84.34.52.12497024.73.33.84.02.724053165.24.33.34.52.027

11、84534.73.34.34.12.723985175.24.33.84.61.92751044.73.83.34.12.424635185.24.34.34.71.82742254.73.83.84.22.324300195.73.33.34.32.62619764.73.84.34.32.324222205.73.33.84.42.52588174.74.33.34.32.227087215.73.34.34.52.42579384.74.33.84.42.126751225.73.83.34.52.22646494.74.34.34.52.026653235.73.83.84.62.12

12、6118105.23.33.34.12.725147245.73.84.34.72.026031115.23.33.84.22.624831255.74.33.34.71.928896125.23.34.34.32.524733265.74.33.84.81.828571135.23.83.34.32.325394275.74.34.34.91.728473145.23.83.84.42.225058西龍池抽水蓄能電站高壓管道的最大設計內水壓力高達10Pa以上，鋼板襯砌厚度較大。為了降低高壓管道PD值，減少高鋼管和高壓岔管的設計、制造難度，在方案6管徑方案的根底上，針對下斜井的洞徑又作了進一步

13、優(yōu)化，將3.8直徑的下斜井分為2段，上段直徑為4.2，下段直徑為3.5，經對此方案經濟分析后，其費用現(xiàn)值為24170萬元，與方案6相比，減少了52萬元；水頭損失為20.15，減少了2.28；電站綜合效率進步到0.75，輸水系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T=2.0s，同時降低輸水系統(tǒng)PD值，也相應降低了高壓鋼管和岔管的制安難度。經綜合比較后確定輸水系統(tǒng)管徑為：上平段及上斜井為4.7、中平段及下斜井上段為4.2、下斜井下段及下平段為3.5、高壓支管為2.5、尾水隧洞為4.3。招標設計階段在進一步勘探和布置復核根底上，對輸水系統(tǒng)管徑進展了進一步的復核，其結果只是將上平段4.7管徑變?yōu)?.2，其它部位管徑仍為可行性研究階段的成果。通過對推薦方案輸水系統(tǒng)過渡過程分析可知，最大水擊壓力上升率為26%，機組最大轉速上升率為43.4%，皆在標準許允范內，滿足設計要求。4結論1由于抽水蓄能電站自身的特點，輸水系統(tǒng)的調節(jié)性能要求比常規(guī)電站要求高，從國內外已建電站統(tǒng)計，各蓄能電站根本全部位于?水電站調壓井標準?推薦的調速性能好的區(qū)域內。在經濟條件允許的前提下，對高水頭電站，尤其是電站設計水頭大于700后，機