某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾分析

唐擁軍，章 亮，王康生

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中，尤其是在可再生能源開(kāi)發(fā)利用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。現(xiàn)階段我國(guó)抽水蓄能事業(yè)迎來(lái)了發(fā)展高峰期，目前已有大量的電站處于在研、在設(shè)、在建和在運(yùn)行狀態(tài)。為了節(jié)省工程投資，抽水蓄能電站普遍采用一管雙機(jī)或一管多機(jī)的布置形式，共用引水隧洞的機(jī)組間存在水力聯(lián)系，當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷或大幅度增減負(fù)荷時(shí)所產(chǎn)生的沿管線壓力變化和流量變化，勢(shì)必會(huì)引起其他運(yùn)行機(jī)組工作水頭及引用流量的變化，從而對(duì)運(yùn)行機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，即形成所謂的水力干擾[1]。由于抽水蓄能機(jī)組通常具有水頭高、引水管路長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速快、工況轉(zhuǎn)換頻繁、淹沒(méi)深度高等特點(diǎn)，因此，抽蓄機(jī)組的過(guò)渡過(guò)程更加復(fù)雜，對(duì)機(jī)組及電站的安全威脅更大，抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程成為機(jī)組及電站安全運(yùn)行所關(guān)注的重點(diǎn)[2]。電站在設(shè)計(jì)階段會(huì)進(jìn)行各種過(guò)渡工程的數(shù)值仿真計(jì)算，不過(guò)仿真計(jì)算時(shí)對(duì)模型和邊界條件進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，且計(jì)算結(jié)果不能得到各部位的壓力脈動(dòng)變化情況，所以計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性需現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。考慮到對(duì)抽水蓄能機(jī)組一管雙機(jī)甩負(fù)荷研究的文獻(xiàn)已有不少，而水力干擾研究方面的文獻(xiàn)相對(duì)較少。于是本文對(duì)某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾過(guò)程的仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 電站流道布置及機(jī)組基本參數(shù)

某電站裝機(jī)4臺(tái)300MW混流式抽蓄機(jī)組，機(jī)組基本參數(shù)見(jiàn)表1。上水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位734.78m，正常蓄水位733.00m，上水庫(kù)死水位716.00m，下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位183.29m，下水庫(kù)正常蓄水位181.00m，下水庫(kù)死水位163.00m，引水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)豎井式布置，在豎井中部設(shè)置中平段，輸水道總長(zhǎng)約為2646.80m，其中引水隧洞長(zhǎng)1369.50m，尾水隧洞長(zhǎng)1277.30m，尾水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)“一坡到頂”布置。

該機(jī)組過(guò)渡過(guò)程參數(shù)蝸殼進(jìn)口中心線上壓力最大值不大于850 m水柱，尾水管進(jìn)口壓力不少于0m水柱，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率不大于50%。

2 仿真計(jì)算

2.1 特征線法[3]

目前對(duì)于水電機(jī)組水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算通常采用特征線法，其計(jì)算原理如下。

封閉管道中的瞬變流采用運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程進(jìn)行描述，如下兩式所示：

上述兩方程中：H表示沿程水頭，單位為m；V表示平均速度，單位為m/s；g表示重力加速度，單位為m/s2；f表示達(dá)西—威爾巴哈摩擦系數(shù)；θ表示管道中心線與水平線上的夾角，單位為（°）；D表示管道直徑，單位為m；a表示水擊波速，單位為m/s。

表1 機(jī)組基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Basic parameters of pump storage unit

引入一未知因子λ，將上述兩方程進(jìn)行線性組合得到：

根據(jù)微分法則可得：

其中，C+特征線方程適用于上游引水管路，C-特征線方程適用于下游輸水管路。

2.2 仿真結(jié)果[4]

抽蓄機(jī)組的水力過(guò)渡過(guò)程牽涉水力、機(jī)械和電氣三方面內(nèi)容，其計(jì)算模型復(fù)雜，因此多采用商用軟件進(jìn)行。該電站水力過(guò)渡過(guò)程采用SIMSEN過(guò)渡過(guò)程計(jì)算軟件進(jìn)行。利用該軟件建立的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 該電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算模型Figure 1 Model configuration for the transient calculation of power station

水力干擾模擬作為水力過(guò)渡過(guò)程模擬計(jì)算的重要內(nèi)容，其主要目的是分析受干擾機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，該電站水力干擾模擬計(jì)算工況之一為：上庫(kù)水位725m，下庫(kù)水位174m， 1、2號(hào)機(jī)組均帶額定300MW負(fù)荷，2號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷，1號(hào)機(jī)組作為受干擾機(jī)組。計(jì)算中2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉速率取值每秒2.857%，并假定受干擾1號(hào)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速不變，活動(dòng)導(dǎo)葉不動(dòng)作。該工況水力干擾模擬計(jì)算得出1號(hào)機(jī)組蝸殼末端壓力最大值為704m水柱,1號(hào)機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力最小值42m水柱，2號(hào)機(jī)組蝸殼末端壓力最大值為759m水柱,2號(hào)機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力最小值46m水柱，滿足過(guò)渡過(guò)程壓力限值要求，此外，1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)最大瞬時(shí)出力為額定出力的135%（發(fā)電機(jī)效率取值98%，折算出發(fā)電機(jī)出力404.8MW），持續(xù)時(shí)間2s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1[5]的要求。部分計(jì)算結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和轉(zhuǎn)速上升率變化曲線Figure 2 Time waveform of guide vane opening and speed rise of unit 1# and unit 2#

圖3 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組蝸殼末端壓力和尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure 3 Time waveform of pressure at spiral case end and draft tube inlet of unit 1# and unit 2#

圖4 1號(hào)機(jī)組水泵水輪機(jī)出力變化曲線Figure 4 Time waveform of pump turbine output of unit 1#

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)

該電站采用一管雙機(jī)布置，即1號(hào)與2號(hào)機(jī)組共用一條引水輸水管路，3號(hào)與4號(hào)機(jī)組共用一條引水輸水管路，電站整組啟動(dòng)調(diào)試期間對(duì)1號(hào)與2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)機(jī)組均進(jìn)行了水力干擾、雙機(jī)甩負(fù)荷調(diào)試試驗(yàn)，為了與上述模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，分析1號(hào)與2號(hào)機(jī)組的水力干擾試驗(yàn)。

1號(hào)與2號(hào)機(jī)組布置的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)包括有功功率、發(fā)電機(jī)斷路器（GCB）、導(dǎo)葉開(kāi)度、轉(zhuǎn)速、壓力、振動(dòng)及主軸擺度等測(cè)點(diǎn)。

在上庫(kù)水位729.5m、下庫(kù)水位169.6m條件下，進(jìn)行了甩100%額定負(fù)荷的水力干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)流程為1號(hào)和2號(hào)機(jī)組均先帶100%額定負(fù)荷300MW運(yùn)行，調(diào)速器為運(yùn)行時(shí)常用的功率模式，在運(yùn)行一段時(shí)間振擺數(shù)據(jù)穩(wěn)定且試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)錄波啟動(dòng)后，分2號(hào)機(jī)組GCB甩負(fù)荷，記錄各參數(shù)并觀測(cè)1號(hào)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

水力干擾試驗(yàn)過(guò)程1號(hào)、2號(hào)機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示，1、2號(hào)機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開(kāi)度、轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線如圖5~圖8所示。

表2 水力干擾試驗(yàn)過(guò)程1、2號(hào)機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statics of key parameters of unit 1# and 2# in hydraulic disturbance field test

圖5 1號(hào)機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開(kāi)度、轉(zhuǎn)速變化曲線Figure5 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 1#

圖6 1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure6 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 1#

圖7 2號(hào)機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開(kāi)度、轉(zhuǎn)速變化曲線Figure 7 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 2#

圖8 2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure 8 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 2#

該水力干擾試驗(yàn)過(guò)程，1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值7.000MPa（714.3m水柱），尾水管進(jìn)口壓力最小值0.398MPa（40.6m水柱），機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在100%額定轉(zhuǎn)速，未見(jiàn)明顯波動(dòng)；2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值7.713MPa（787.0m水柱），尾水管進(jìn)口壓力最小值0.164MPa（16.7m水柱），轉(zhuǎn)速上升率32.5%，上述指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)最大出力376.1MW，上升率為25.4%，持續(xù)時(shí)間小于0.1s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1的要求。此外，1號(hào)機(jī)組的振動(dòng)擺度幅值增幅不大，各輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常。可見(jiàn)，2號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)1號(hào)機(jī)組產(chǎn)生了一定的影響，但1號(hào)機(jī)組仍能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，水力干擾試驗(yàn)成功。

與模擬計(jì)算結(jié)果相比較，1號(hào)機(jī)組實(shí)測(cè)蝸殼壓力最大值、尾水管進(jìn)口壓力最小值與模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，2號(hào)機(jī)組實(shí)測(cè)蝸殼壓力最大值比模擬計(jì)算結(jié)果稍大，尾水管進(jìn)口壓力最小值比模擬計(jì)算結(jié)果偏小，這可能與模擬計(jì)算不能算出壓力脈動(dòng)，而結(jié)果修正時(shí)計(jì)入的壓力脈動(dòng)量偏小有關(guān)。1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)出力實(shí)測(cè)值376.1MW比模擬計(jì)算結(jié)果404.8MW要小，這與模擬計(jì)算時(shí)假定導(dǎo)葉開(kāi)度不變，而試驗(yàn)時(shí)調(diào)速器處于功率模式有關(guān)。當(dāng)調(diào)速器處于功率模式時(shí)，是以有功功率信號(hào)作為反饋信號(hào)，若功率反饋值與設(shè)定值存在偏差，則會(huì)相應(yīng)地調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度。2號(hào)機(jī)組GCB分閘甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉快速關(guān)閉導(dǎo)致蝸殼進(jìn)口出現(xiàn)水錘壓力波，水錘壓力波向上游壓力鋼管傳播，由于1號(hào)與2號(hào)機(jī)組采用一管雙機(jī)布置，1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力增大，導(dǎo)致水泵水輪機(jī)的工作水頭上升，水泵水輪機(jī)的出力也上升，也即發(fā)電機(jī)出力增大，因?yàn)?號(hào)機(jī)組調(diào)速器處于功率模式，此時(shí)導(dǎo)葉會(huì)相應(yīng)關(guān)閉，因此，1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力出現(xiàn)最大值時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)葉開(kāi)度的減小，從而使得發(fā)電機(jī)最大出力值比模擬計(jì)算值要小。此外，1號(hào)發(fā)電機(jī)出力第二次峰值與壓力鋼管的調(diào)壓井有關(guān)，若沒(méi)有調(diào)壓井則1號(hào)發(fā)電機(jī)出力最大值肯定要比實(shí)測(cè)值要大得多。還有，1號(hào)發(fā)電機(jī)出力最大值與運(yùn)行水頭和2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律有關(guān)。這些對(duì)發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)的定值設(shè)置提高了要求[6]，既要避免發(fā)電機(jī)定子電流過(guò)大損害發(fā)電機(jī)，又要避免1號(hào)機(jī)組輕易發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)。

4 結(jié)論

（1）介紹了水電機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算常用的特征線法，針對(duì)某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾模擬計(jì)算結(jié)果和真機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組的蝸殼進(jìn)口壓力最大值、尾水管進(jìn)口壓力最小值、轉(zhuǎn)速上升率等滿足設(shè)計(jì)要求，發(fā)電機(jī)最大出力滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。2號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)1號(hào)機(jī)組產(chǎn)生了一定的影響，但1號(hào)機(jī)組仍能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，水力干擾試驗(yàn)成功。

（2）該電站水力干擾試驗(yàn)的方法和結(jié)果可為其他抽水蓄能電站開(kāi)展類似試驗(yàn)時(shí)提供參考借鑒。

（3）該電站模擬計(jì)算結(jié)果用來(lái)校核機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性是可信的，該電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算模型的建立和計(jì)算方法可以為校核新建電站的設(shè)計(jì)及已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性提供技術(shù)參考。