抽水蓄能电站输水系统经济管径比较研究

　　随着抽水蓄能电站向大规模大容量的发展，输水系统也趋于大PD化，输水系统管径的确定对电站投资有较大的影响。管径选择主要受电量价格、土建费用、水头损失、水击压力以及电网对输水系统运行方式要求等因素的影响。如果管径选择过小虽然可减小土建费用，但却使输水系统水头损失增大，同时也使输水系统对过渡过程适应能力下降，降低了电站运行的灵活性；如果管径选择过大，虽可减少电能损失但增加了土建投资，造成不必要的浪费。这就存在一个经济比较问题。经济管径比较结论是否合理，关键是拟定参加比选方案的可行性，由于抽水蓄能电站输水系统过渡过程的复杂性，计算工作量比较大，在进行经济管径比选时往往难以做到对每一个拟定方案进行分析，这就需要结合工程实际根据以往工程经验进行分析与判断。

1输水系统管径比较方案的拟定原则

抽水蓄能电站输水系统设计水头一般比较高，特别是对钢板衬砌的输水系统，为达到经济合理的目的，高压管道应采用不同管径组合。管径的变化次数及变化位置应根据输水系统的布置、地质条件、长度、施工条件以及输水系统对过渡过程的适应性等因素综合考虑。根据以往工程经验变径次数以2～4次为宜。

经济管径比较方案拟定应根据经验公式初拟管径，并控制输水系统水头损失为电站设计水头的2%～5%，然后以此管径为基础，在其左右确定几组管径方案。目前计算经济管径的经验公式比较多，在选用时应注意其适用条件与范围，尤其是管道的衬砌型式对经济管径的影响。输水系统管径拟定后，应保证每一组方案输水系统具有良好的调节性能，即保证方案的可行性。

2输水系统调节性能的判断

抽水蓄能电站主要是在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事备用等任务，电站的经济性取决于电站的投资和其在电力系统中的运行能力。电站的运行能力是指电站对电网负荷变化的迅速响应能力。水泵水轮机组转速调节的稳定性主要受到输水系统的布置、流速、机组特性等的影响。由于经济性的要求，抽水蓄能电站输水系统的引用流速通常比较大，从而降低了电站的响应能力。高流速与电站良好调节性能和运行灵活性之间构成一对矛盾，流速高，则调解时间长，必要时需布置调压井。

在初步判断输水系统的调节性能时，可以根据导叶关闭时间Ts 和高压管道中水击压力允许值来近似判断的。对常规电站水头一般低于200m，高压管道水击类型一般是未相水击，其简化公式为：

式中：

h_m

－未项水击压力

通过上式可确定贯性时间常数Ｔ_W

：

对于抽水蓄能电站，最高水击压力一般是由水轮机甩负荷工况控制，过渡过程计算与常规电站没有本质区别。抽水蓄能电站较经济水头一般为400～600m，蓄能电站的水头一般是比较高的，对于高水头电站，输水系统水击类型往往是第一相水击，其简化公式为：

式中：

h₁－第一相水击压力相对值；

τ₀

－导叶的起始相对开度；

a－水击波波速。

通过上式可确定贯性时间常数Ｔ_W：

当μτ₀

＞1时，水击压力为第一相水击；当μτ₀

＜1时，水击压力为未相水击。当μτ₀＝１时第一相水击压力与未相水击压力相等。在相同导叶关闭时间，产生相同水击压力，不同水击类型所要求的输水系统贯性时间常数

T_W并不相同，第一相水击要求的Ｔ_W要比未相水击要求的小。也就是说，蓄能电站输水系统调节性能比常规电站要求严格，即设置调压井的条件要比常规电站严格。

抽水蓄能电站对电网负荷变化的迅速响应能力通过合理选择输水系统、机组和控制设备参数来实现。主要通过调整输水系统的惯性时间常数T_W和机组加速时间常数Ta来解决这一问题。通过图１对国内外大型抽水蓄能电站的统计可以看出，各蓄能电站基本全部位于《水电站调压井规范》推荐的调速性能好的区域内，再一次说明抽水蓄能电站对电站调节性能要求要比常规电站严格。所以在确定输水系统参数时，应使输水系统调节性能处于良好区域内。

经济管径初拟方案调节性能好坏，可根据机组技术咨询资料和工程类比确定机组加速时间常数Ta，并使输水系统处于《水电站调压井规范》规定的调速性能好的区域，确定调压井间的[Tw]，再计算各初拟管径方案的Tw，如果Tw< [Tw]，即认为此方案满足要求，否则应重新拟定。

3经济管径比较

经济管径的比较是在机组额定水头和上、下水库调节库容相同的情况下进行的。由于管径比较方案不同，使各方案的水头损失不同，发电量和抽水用电量不同，土建费用也不同。在进行管径比较时，对不同方案的发电量和抽水用电量以替代火电予以补充后，计算各方案费用现值，费用现值最小方案为最优，即费用现值最小法。

西龙池抽水蓄能电站装设4台单机容量为300MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，机组额定水头为640m。输水系统由上水库进/出水口、引水事故闸门井、高压管道、尾水隧洞、尾水闸门井、下水库进/出水口等组成。输水系统总长度1850m左右，引水系统采用一管两机的供水方式，共2根主管，在距厂房54m左右布置高压岔管。尾水隧洞采用一机一洞的布置方式。在立面上采用用斜井布置（见图2），在952.5m高程布置中平段，将斜井分成上、下两部分。上、下斜井与水平面夹角分别为56°和60°。高压管道上平段、尾水隧洞上平及段斜井采用后张法无粘结预应力砼衬砌，其它部分采用钢板衬砌。

图2 西龙池抽水蓄能电站输水系剖面示意图

根据输水系统的具体情况，在可行性研究阶段将整个输水系统大至分为三段，即上平段及上斜井、下斜井和尾水隧洞。对上述各管段分别拟定三个管径方案，并对其进行组合，各方案比较结果详见表1和图3。从图3可以看出，方案3费用现值最小，看似是最经济的方案，如果加以分析可以看出：

① 方案3水头损失为38.19m，占电站设计水头的6.1%，电站的综合效率为0.71。从已建抽水蓄能电站的经验可以看出，输水系统的水头损失一般为电站设计水头的2～5%，方案3水头损失过大，电站综合效率偏低。

② 根据工程类比及与机组制造厂商技术咨询和交流成果确定西龙池抽水蓄能电站机组加速时间常数Ta=8.3s 左右，如果使输水系统处于《水电站调压井规范》规定调速性能良好区域（见图1），输水系统Tw应不大于2.5s，而方案3输水系统的惯性时间常数Tw=2.7s，输水系统位于《水电站调压井规范》规定的调速性能良好区域外，本方案可行性较差，不应作为比较方案。

根据上述分析，方案1、方案2、方案3、方案10、方案11、方案19可行均较差，不应列入比较方案。这样以来，费用现值最小的方案应为方案6。方案6输水系统水头损失为22.43m，占电站设计水头的3.6%，电站的综合效率为0.74，输水系统的惯性时间常数Tw=2.3s小于2.5s，方案6输水系统具有良好的调节性能，且具有较好的经济指标。是西龙池抽水蓄能电站较优的管径方案。

表1 输水系统管径组合方案表

方案	各部位管径(m)			加权平均直径D (m)	Tw (s)	费用现值（万元）	方案	各部位管径(m)			加权平均直径 D (m)	Tw (s)	费用现值（万元）
方案	上斜井直径 D1	下斜井直径 D2	尾水隧洞直径 D3	加权平均直径D (m)	Tw (s)	费用现值（万元）	方案	上斜井直径 D1	下斜井直径 D2	尾水隧洞直径 D3	加权平均直径 D (m)	Tw (s)	费用现值（万元）
1	4.7	3.3	3.3	3.9	2.8	24379	15	5.2	3.8	4.3	4.5	2.1	24970
2	4.7	3.3	3.8	4.0	2.7	24053	16	5.2	4.3	3.3	4.5	2.0	27845
3	4.7	3.3	4.3	4.1	2.7	23985	17	5.2	4.3	3.8	4.6	1.9	27510
4	4.7	3.8	3.3	4.1	2.4	24635	18	5.2	4.3	4.3	4.7	1.8	27422
5	4.7	3.8	3.8	4.2	2.3	24300	19	5.7	3.3	3.3	4.3	2.6	26197
6	4.7	3.8	4.3	4.3	2.3	24222	20	5.7	3.3	3.8	4.4	2.5	25881
7	4.7	4.3	3.3	4.3	2.2	27087	21	5.7	3.3	4.3	4.5	2.4	25793
8	4.7	4.3	3.8	4.4	2.1	26751	22	5.7	3.8	3.3	4.5	2.2	26464
9	4.7	4.3	4.3	4.5	2.0	26653	23	5.7	3.8	3.8	4.6	2.1	26118
10	5.2	3.3	3.3	4.1	2.7	25147	24	5.7	3.8	4.3	4.7	2.0	26031
11	5.2	3.3	3.8	4.2	2.6	24831	25	5.7	4.3	3.3	4.7	1.9	28896
12	5.2	3.3	4.3	4.3	2.5	24733	26	5.7	4.3	3.8	4.8	1.8	28571
13	5.2	3.8	3.3	4.3	2.3	25394	27	5.7	4.3	4.3	4.9	1.7	28473
14	5.2	3.8	3.8	4.4	2.2	25058

西龙池抽水蓄能电站高压管道的最大设计内水压力高达10MPa以上，钢板衬砌厚度较大。为了降低高压管道PD值，减少高钢管和高压岔管的设计、制造难度，在方案6管径方案的基础上，针对下斜井的洞径又作了进一步优化，将3.8m直径的下斜井分为2段，上段直径为4.2m，下段直径为3.5m，经对此方案经济分析后，其费用现值为24170万元，与方案6相比，减少了52万元；水头损失为20.15m，减少了2.28m；电站综合效率提高到0.75，输水系统的惯性时间常数Tw=2.0s，同时降低输水系统PD值，也相应降低了高压钢管和岔管的制安难度。

经综合比较后确定输水系统管径为：上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井上段为4.2m、下斜井下段及下平段为3.5m、高压支管为2.5m、尾水隧洞为4.3m。招标设计阶段在进一步勘探和布置复核基础上，对输水系统管径进行了进一步的复核，其结果只是将上平段4.7m管径变为5.2m，其它部位管径仍为可行性研究阶段的成果。通过对推荐方案输水系统过渡过程分析可知，最大水击压力上升率为26%，机组最大转速上升率为43.4%，皆在规范许允范内，满足设计要求。

4结论

（1）由于抽水蓄能电站自身的特点，输水系统的调节性能要求比常规电站要求高，从国内外已建电站统计，各蓄能电站基本全部位于《水电站调压井规范》推荐的调速性能好的区域内。在经济条件允许的前提下，对高水头电站，尤其是电站设计水头大于700m后，机组制造难度加大，输水系统应对机组转轮具有较好的适应性，减少输水系统对机组的制约，达到电站总体最优。

（2）在济管径比较方案拟定时，应对方案合理性进行分析，保证每一方案具有良好的可行性，只有这样，才能保证比较结果的合理性。在没有进行过渡过程分析时，可通过计算输水系统惯性时间常数Tw和机组加速时间常数Ta，根据《水电站调压井规范》，使输水系统处于调速性能好的区域来判断各方案的可行性。

参考资料：

《山西西龙池抽水蓄能电站可行性研究报告》第五篇

作者简介：

王志国（1965.2－），男，天津人，北京国电水利电力工程有限公司（原国家电力公司北京勘测设计研究院）高级工程师，专业总工程师、西龙池抽水蓄能电站副设计总工程师，从事水电站水工设计工作。

联系电话：王志国13910291005

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