揚水発電所のユニット吸上高は、発電所の分水システムと発電所の配置に直接影響を与え、浅い掘削深の要件は発電所の対応する土木工事費を削減することができます。しかし、ポンプ運転中のキャビテーションリスクも増加するため、発電所の初期設置時の標高推定の精度は非常に重要です。揚水タービンの初期の適用プロセスでは、ポンプ運転条件でのランナーキャビテーションがタービン運転条件でのランナーキャビテーションよりも深刻であることがわかりました。設計では、ポンプ運転条件でのキャビテーションを満足できれば、タービン運転条件も満足できると一般的に考えられています。
斜流ポンプタービンの吸入高さの選択は、主に次の 2 つの原則に基づきます。
まず、水ポンプの作動条件でキャビテーションが発生しないという条件に従って実行する必要があります。次に、単位負荷遮断の遷移プロセス中に水輸送システム全体で水柱の分離が発生しません。
一般的に、比速度はランナのキャビテーション係数に比例します。比速度の増加に伴い、ランナのキャビテーション係数も増加し、キャビテーション性能は低下します。吸込高さの経験的計算値と、最も危険な遷移プロセス条件におけるドラフトチューブ真空度の計算値を組み合わせ、土木掘削を可能な限り節約することを前提に、ユニットは十分な水没深度を備え、ユニットの安全で安定した運転を確保します。
高落差揚水車の水没深は、揚水車にキャビテーションが発生しないこと、および各種過渡現象発生時にドラフトチューブ内で水柱が分離しないことに基づいて決定されます。揚水発電所の揚水車の水没深は非常に深いため、ユニットの設置標高は低くなります。西龍池など、中国で稼働している発電所で使用されている高落差ユニットの吸込高さは-75mですが、400～500m水頭のほとんどの発電所の吸込高さは約-70～-80m、700m水頭の吸込高さは約-100mです。
揚水機の負荷遮断過程において、ウォーターハンマー効果により、ドラフトチューブセクションの平均圧力が大幅に低下します。負荷遮断遷移過程におけるランナー速度の急激な増加に伴い、ランナー出口セクションの外側に強い旋回水流が発生し、セクション中央の圧力が外部圧力よりも低くなります。セクションの平均圧力は依然として水の蒸発圧力よりも高いものの、中心部の局所圧力は水の蒸発圧力よりも低くなり、水柱分離が発生する可能性があります。揚水機遷移過程の数値解析では、パイプの各セクションの平均圧力しか与えることができません。負荷遮断遷移過程の完全なシミュレーションテストを通じてのみ、局所的な圧力降下を決定し、ドラフトチューブ内の水柱分離現象を回避することができます。
高落差揚水車の水没深は、耐侵食性の要件を満たすだけでなく、各種遷移過程においてドラフトチューブの水柱分離が生じないことも保証する必要があります。超高落差揚水車は、遷移過程における水柱分離を回避し、発電所の分水システムおよび機器の安全性を確保するために、大きな水没深を採用しています。例えば、桂川揚水発電所の最小水没深は-98m、神流川揚水発電所の最小水没深は-104mです。国内の鶏西揚水発電所は-85m、敦化は-94m、長龍山は-94m、陽江は-100mです。
同じ揚水機でも、最適な運転条件から大きく外れれば外れるほど、キャビテーションの強度は大きくなります。高揚程・小流量の運転条件では、多くの流路の正の迎え角が大きく、翼吸込面の負圧領域でキャビテーションが発生しやすくなります。一方、低揚程・大流量の条件では、翼圧力面の負の迎え角が大きく、流れの剥離が発生しやすく、翼圧力面のキャビテーション浸食につながります。一般的に、揚程変化範囲の大きい発電所ではキャビテーション係数が比較的大きく、設置標高を低くすることで、低揚程および高揚程運転時にキャビテーションが発生しないという要件を満たすことができます。そのため、水頭が大きく変動する場合は、吸込高さをそれに応じて増加させ、条件を満たします。例えば、QXの水没深は-66m、MXは-68mです。MXの水頭変動が大きいため、MXの調整・保証を実現することはより困難です。
海外の一部揚水発電所で水柱分離が発生したとの報告があります。メーカーでは、日本の高落差揚水車の遷移過程を全面的に模擬した試験を実施し、水柱分離現象を詳細に研究して揚水車の設置標高を決定しました。揚水発電所にとって最も困難な問題はシステムの安全性です。過酷な運転条件下でも、渦巻容器の圧力上昇と放水負圧が安全範囲内であることを確保し、水理性能が一級レベルに達することを確保する必要があり、これが水没深度の選定に大きな影響を与えます。
投稿日時: 2022年11月23日
