清原抽水蓄能電站水泵工況斷電過渡過程數值模擬計算研究

張懷生

(遼寧省朝陽市喀左縣水利局， 遼寧 朝陽 122300)

1 工程概況

遼寧清原抽水蓄能電站位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣北三家鄉境內，為當前東北地區在建的最大抽水蓄能電站，預計2021年首批機組投入運行[1]。清原抽水蓄能電站工程為Ⅰ等大(1)型工程，永久性主要建筑物級別為1級，設計洪水標準為200 a一遇，校核洪水標準為2000 a一遇[2]，電站的正常蓄水位為725.00 m，設計洪水位為726.10 m，校核洪水位為726.54 m。清原抽水蓄能電站位于撫順市和沈陽市之間，位于遼寧省的負荷中心部位，具有十分優越的地理位置。電站建成后可以承擔遼寧電網的調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等任務。電站工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房系統和地面開關站等建筑物組成[3]。清原抽水蓄能電站的總裝機規模為1200 MW，設有四臺300 MW機組。電站設計有兩條引水主洞，電站的四臺機組很據引水主洞分成沒有水力聯系的兩個單元。電站的尾水隧洞為單機布置，且長度不同，其中4號機組最長為328.09 m，1號機組最短，為288.93 m。在機組水泵工況正運行過程中，如果供電系統由于突發情況造成供電停止，而流道中的水流沒有及時切斷，則機組在經過正轉正流、正轉逆流以及反轉逆流等階段后，最終會進入停泵飛逸狀態，進而對整個機組和輸水管道系統造成比較嚴重的安全威脅[4]。因此，本文通過數值模擬的方式對水泵工況斷電過渡過程計算，以驗證機組設計的有效性。

2 仿真模型的構建

2.1 仿真工具的選取

MATLAB(Matrix Laboratory)是由美國是Math Works公司推出的一款大型通用化商業數學軟件，具有數值分析、繪圖、控制系統仿真、圖像和信號處理以及財務和金融等諸多方面的功能[5]。該軟件的基本數據單位是矩陣，其指令表達十分契合數學和工程領域的常用形式，因此在解算方面相比類似軟件十分簡潔和快捷[6]。因此，本次研究基于該軟件中的SIMULINK 仿真模塊，建立清原抽水蓄能電站的仿真模型，并進行必要的仿真計算。

S-Function 為利用非圖形化語言描述的一個功能模塊，主要用于對特定系統進行仿真模擬，可以利用MATLAB、C 和 C++等多種語言進行編寫。鑒于研究中對水輪機調節具有顯著的非線性特征，難以通過現有的模塊進行仿真，因此研究中采用MATLAB編寫S-Function函數進行水輪機調節仿真模擬。

2.2 仿真模型的建立

要進行清原抽水蓄能電站的水力過渡過程的仿真模擬計算，首先需要利用MATLAB 軟件中的 Simulink 工具箱，將數學模型轉化為仿真模型。在具體的構建過程中，利用Simulink 工具箱將仿真模塊按照數學模型進行有序連接，最后封裝成各個部位的仿真模型[7]。將分別建立的水輪機、簡單管道、分叉管道以及串聯管道的Simulink 模型再進行組合連接，建立起整個機組的仿真模型[8]。

3 仿真模擬結果與分析

3.1 導水機構正常關閉仿真結果分析

3.1.1 額定工況斷電過渡過程

在水輪機導葉正常關閉情況下的3#和4#機組同時斷電過渡過程進行仿真模擬計算，其初始工況如表1所示，各關鍵節點的水壓力計算結果如表2所示，3#機組的相對轉速變化曲線、蝸殼進口壓力波動曲線以及尾水管進口壓力波動曲線分別見圖1～圖3。由計算結果可知，在斷電之后，水泵的轉速呈現出逐漸減小的趨勢，并沒有發生轉速上升的波動現象。從壓力角度來看，蝸殼進口壓力呈現出先降后升的態勢，尾水管進口的壓力則呈現出先升后降的態勢。從計算結果可知，在上述關閉條件下，由于斷電后導葉迅速關閉，轉速一直為負值，并沒有過渡到水輪機狀態，機組過渡過程的諸參數可以滿足調節保證計算。

表1 初始工況參數

表2 導水機構正常關閉過渡過程計算結果 m

圖1 水泵機組相對轉速隨時間變化圖

圖2 蝸殼進口壓力波動圖

圖3 尾水管進口壓力波動圖

3.1.2 其他初始工況過渡過程計算結果

在斷電后導葉正常關閉條件下，對上庫 375.5 m，下庫 102.6 m，兩臺機導葉全開(工況1)和上庫 375.5 m，下庫 64 m，兩臺機帶額定負荷(工況2)兩種初始工況進行過渡過程仿真計算，其具體參數如表3所示，仿真計算結果如表4和表5所示。由計算結果可知，從壓力角度來看，蝸殼進口壓力呈現出先降后升的態勢，尾水管進口的壓力則呈現出先升后降的態勢。最大水擊壓力值為413.63 m，產生在工況1條件下3#和4#機組同時斷電。由表4可知，尾水管的最低水位高度為42.09 m，發生在工況1條件下3#和4#機組同時斷電甩額定負荷時。總之，從仿真計算結果可知，其他工況下的各項指標均可以滿足調節保證計算要求。

表3 其他初始工況參數

表4 其他初始工況下蝸殼水壓計算結果 m

表5 其他初始工況下尾水管水壓計算結果 m

3.2 導水機構異常關閉過渡過程

在機組遭遇突然斷電進行關機時，4#機組可以正常關機而3#機組拒動，對上述導水機構異常關閉過渡過程進行仿真計算，其初始工況如表1所示，仿真計算結果如表6所示。由于兩機組關閉方式不同，根據仿真計算結果繪制出圖4所示的兩機組的相對轉速變化曲線。由計算結果可知，在斷電之后，水泵的轉速呈現出逐漸減小的趨勢，并沒有發生轉速上升的波動現象。但是，拒動的3#機組會進入飛逸狀態，但是其轉速較小，并不會超過額定轉速的一半，因此不會對機組造成顯著的不利影響。從壓力角度來看，蝸殼進口壓力呈現出先降后升的態勢，在第二個波峰時達到最大值。尾水管進口的壓力則呈現出先升后降的態勢。其中，3#機機組蝸殼進口的最大壓力值和最小壓力值分別為401.52 m和 28.86 m；4#機機組蝸殼進口的最大壓力值和最小壓力值分別為為402.96 m和30.72 m。故最大水擊壓力為402.96 m，機組過渡過程的諸參數可以滿足調節保證計算。

表6 導水機構非正常關閉過渡過程計算結果 m

圖4 導水機構非正常關閉兩機組相對轉速隨時間變化圖

4 結 語

在抽水蓄能電站運行中，采用直線關閉規律。一旦發生突發事件造成水泵斷電，失去動力作用的水流的向上流動慣性就會迅速消失，轉而受到重力作用而向下流動。因此，如果關閉時間較長，機組就會由于向下水流的作用而轉入水輪機工況，并對機組的安全運行造成顯著的不利影響。本文的仿真計算結果顯示，在導水機構正常關閉情況下，由于關閉歷時較短，因此不會發生機組的反轉。當導水機構異常關閉時，拒動機組會進入飛逸狀態，但是其轉速較小，并不會超過額定轉速的一半，最大擊水壓力和最小擊水壓力也在調節保證計算允許范圍內。