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可逆式水泵水轮机的特性分析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：分析基本参数之间的关系有助于理解可逆式水泵水轮机的工作特性。

可逆式水泵水轮机有水泵工况和水轮机工况两种工况,基本参数包括转轮直径、转速nptt(水轮机工况)或nptp(水泵工况)、水头Hptt(水轮机工况)或扬程Hptp(水泵工况)、流量Qptt(水轮机工况)或Qptp(水泵工况)、功率Pptt(水轮机工况)或Pptp(水泵工况)、效率ηptt(水轮机工况)或ηptp(水泵工况)。

分析基本参数之间的关系有助于理解可逆式水泵水轮机的工作特性。

1.转速特性

在相同水头(Hptt=Hptp)的条件下,两种工况最优点的转速之比为

设ηptt=ηptp=0.95,K=0.8,则

设ηptt=ηptp=0.95,K=0.8,则

说明水泵工况要达到和水轮机同样的水头,转速应比水轮机高越18%。由于这个特征,有些水泵水轮机不能用同一转速满足两种工况的性能要求,只能使用两种转速,水泵工况用高转速,水轮机工况用低转速。

2.水头特征

水泵水轮机的有效扬程Hptp和有效水头Hptt的关系为

说明水泵工况要达到和水轮机同样的水头,转速应比水轮机高越18%。由于这个特征,有些水泵水轮机不能用同一转速满足两种工况的性能要求,只能使用两种转速,水泵工况用高转速,水轮机工况用低转速。

2.水头特征

水泵水轮机的有效扬程Hptp和有效水头Hptt的关系为

设ηptt=ηptp=0.95,K=0.8,则

设ηptt=ηptp=0.95,K=0.8,则

即水泵工况最优点的扬程只有水轮机水头的72%,也可以理解为,在水泵工况转速必须更高一些才能达到水轮机工况同样水头。

3.流量和功率

在选择和设计抽水蓄能机组时,一方面要求在设计条件下能使水力性能优化,同时也希望能充分利用电动发电机的容量。对于电动机设计来说,希望双向运行时的视在功率S(k VA)相等。

假定水轮机工况时发电机的视在功率为SG,发电机效率为ηG,功率因数为cosθG；水泵工况时电动机的视在功率为SM,电动机效率为ηM,功率因数为cosθM,则在两种工况下电机的视在功率为

水轮机工况

即水泵工况最优点的扬程只有水轮机水头的72%,也可以理解为,在水泵工况转速必须更高一些才能达到水轮机工况同样水头。

3.流量和功率

在选择和设计抽水蓄能机组时,一方面要求在设计条件下能使水力性能优化,同时也希望能充分利用电动发电机的容量。对于电动机设计来说,希望双向运行时的视在功率S(k VA)相等。

假定水轮机工况时发电机的视在功率为SG,发电机效率为ηG,功率因数为cosθG；水泵工况时电动机的视在功率为SM,电动机效率为ηM,功率因数为cosθM,则在两种工况下电机的视在功率为

水轮机工况

水泵工况

水泵工况

设水泵工况时电动机端电压比水轮机工况时发电机端电压低5%,在SG=SG时,其能量关系为

设水泵工况时电动机端电压比水轮机工况时发电机端电压低5%,在SG=SG时,其能量关系为(https://www.chuimin.cn)

取ηM=ηG=0.97,ηptp=ηptt=0.90,cosθM=1,cosθG=0.85,则

取ηM=ηG=0.97,ηptp=ηptt=0.90,cosθM=1,cosθG=0.85,则

在水泵工况的扬程Hptp和水轮机工况的水头Hptt相等时,水泵工况和水轮机工况的流量关系为

在水泵工况的扬程Hptp和水轮机工况的水头Hptt相等时,水泵工况和水轮机工况的流量关系为

说明在扬程、水头相等并充分发挥电动机作用的条件下,水泵流量约比水轮机流量低15%。在实际的抽水蓄能电站中,水泵和水轮机两种工况的能量关系可能还取决于抽水和发电的时间、抽水和发电的功率、电力系统的某些特殊要求等。

4.单位转速和单位流量

设单位转速为n11t(水轮机工况)或n11p(水泵工况),单位流量为Q11t(水轮机工况)或Q11p(水泵工况),可逆式水泵水轮机两种工况下单位转速的最优比值为

说明在扬程、水头相等并充分发挥电动机作用的条件下,水泵流量约比水轮机流量低15%。在实际的抽水蓄能电站中,水泵和水轮机两种工况的能量关系可能还取决于抽水和发电的时间、抽水和发电的功率、电力系统的某些特殊要求等。

4.单位转速和单位流量

设单位转速为n11t(水轮机工况)或n11p(水泵工况),单位流量为Q11t(水轮机工况)或Q11p(水泵工况),可逆式水泵水轮机两种工况下单位转速的最优比值为

常用的数值n11t=75～80r/min、ηptp=ηptt=0.95、K=0.75～0.80,则

常用的数值n11t=75～80r/min、ηptp=ηptt=0.95、K=0.75～0.80,则

两种工况下的单位流量的最优比值为

两种工况下的单位流量的最优比值为

带入常数值,则

带入常数值,则

说明两种工况最优点的单位流量Q11和单位转速n11比值成反比。

5.比转速

设可逆式水泵水轮机的水轮机工况最优点的比转速为nst,水泵工况最优点的比转速为nsp。两种工况下最优比转速的关系为

说明两种工况最优点的单位流量Q11和单位转速n11比值成反比。

5.比转速

设可逆式水泵水轮机的水轮机工况最优点的比转速为nst,水泵工况最优点的比转速为nsp。两种工况下最优比转速的关系为

则

则

特别说明,以上的比转速关系是水泵和水轮机两种工况在各自最高效率点的比转速比值。因两种工况的最高效率点并不发生在同一转速下,因此在机组选型或机械设计中,如果用单一转速的电机,则不可能选到同时满足两种工况的转速。一般首先满足水泵工况的要求,水轮机工况的运行范围将会某种程度偏离最优点。

特别说明,以上的比转速关系是水泵和水轮机两种工况在各自最高效率点的比转速比值。因两种工况的最高效率点并不发生在同一转速下,因此在机组选型或机械设计中,如果用单一转速的电机,则不可能选到同时满足两种工况的转速。一般首先满足水泵工况的要求,水轮机工况的运行范围将会某种程度偏离最优点。