抽水蓄能電站引水系統布置方案對水力過渡過程影響

劉 霞，雷谷峰，鄭建興

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 概述

平江抽水蓄能電站上水庫位于福壽山福壽林場的大福坪，下水庫位于福壽山山腳的吉星村。上、下水庫均處在汨羅江二級支流百福水上游。電站地處湖南東北部，緊鄰湖南電網負荷中心長、株、潭地區，距離長沙市75 km，距平江縣城39 km，地理位置優越。工程的開發任務主要是承擔湖南電網的調峰、填谷、調頻、調相和緊急事故備用等任務。

電站總裝機容量為1 400 MW，裝設4臺單機容量為350 MW的可逆式機組，電站引水系統、尾水系統均采用2洞4機的布置方式，引水系統采用兩級斜井方案，1級斜井長度約為424 m，2級斜井長度約為433 m。水流進、出廠房的方式為正進正出。設有尾水調壓室，輸水系統總長約3 089 m。

平江抽水蓄能電站可研報告于2016年通過審查，可研階段輸水系統采用兩級斜井的布置方案，由于1級斜井及2級斜井均為400 m級斜井，考慮到斜井長度較長，存在一定的施工難度，招標設計階段對一豎井一斜井布置方案的可行性進行了對比分析研究，本文主要針對一豎井一斜井布置方案的過渡過程進行復核，并與兩級斜井方案進行對比分析。

2 復核計算主要目的、思路與方法

2.1 一豎井一斜井方案復核思路

平江抽水蓄能電站招標設計階段為研究輸水系統一豎井一斜井布置方案的可行性，分別利用2種不同計算軟件（以下簡稱軟件W、軟件H），與本電站相近水頭/揚程和比轉速的2個不同轉輪全特性曲線（以下簡稱曲線X、曲線D），分別針對輸水系統一豎井一斜井方案進行了控制工況過渡過程復核計算。經初步分析，引水上平段最小內水壓力已成為該方案比較選擇的制約性因素，因此復核計算的重點為引水上平段最小內水壓力，同時關注蝸殼末端最大壓力上升值、尾水管進口最小壓力下降值及機組轉速最大上升率等參數。

根據一豎井一斜井方案的輸水系統布置，②輸水系統（3號、4號機組）長度較①輸水系統（1號、2號機組）長度更大，故針對3號、4號機組進行復核。

2.2 大波動過渡過程復核計算控制值

大波動過渡過程復核計算控制值如下：

（1）可研階段蝸殼進口最大壓力升高率按照30%控制(約1 001 m·H2O)；

（2）尾水管進口最小壓力：

設計工況：HB≥30 m·H2O；

校核工況：HB≥16 m·H2O；

（3）輸水道全線各斷面最高點處的最小壓力：Hsmin≥2.0 m·H2O；

（4）機組最大轉速上升率：βmax≤45%。

2.3 大波動過程復核計算工況

大波動過渡過程復核計算工況包括各種水位組合下機組增負荷、機組甩負荷導葉正常關閉、機組正常啟動抽水、水泵突然斷電導葉正常關閉的設計工況；以及機組甩負荷一臺機組導葉拒動、水泵斷電一臺機組導葉拒動、各種組合工況等校核工況，具體工況在此從略。

3 一豎井一斜井過渡過程復核結果及分析

兩級斜井布置方案過渡過程計算極值詳見表1。沿用可研階段的關閉規律進行一豎井一斜井方案過渡過程計算，復核計算結果統計詳見表2。

表1 可研階段兩級斜井計算結果表

表2 一豎井一斜井計算結果表

由表2結果，主要分析如下：

（1）上平段最小內水壓力軟件H（曲線D）計算結果最小，為1 017.93 m·H2O，與可研階段兩級斜井方案計算極值相差較大，一豎井一斜井方案計算極值更差，超過了計算控制值。

（2）蝸殼進口最大壓力軟件W（曲線D）計算結果最大，為1 042.49 m·H2O，軟件H（曲線D）計算結果也超出了計算控制值，相比可研階段兩級斜井方案，一豎井一斜井方案計算極值更差。

（3）尾水管進口最小壓力結果最小為33.10 m·H2O，機組最大轉速上升計算結果最大為41.79%，與可研階段兩級斜井方案計算極值相差較小，不是制約因素。

4 引水上平段末端最小壓力敏感性分析

4.1 軟件W（曲線D）計算分析

針對一豎井一斜井方案，軟件W（曲線D）計算結果蝸殼進口最大壓力計算值不滿足可研階段控制值要求，同時上平段最小內水壓力稍有裕量，根據工程經驗，同時參考相關文獻研究成果，加長導葉關閉時間，可降低蝸殼進口最大壓力[1，2]，為了進一步復核軟件W（曲線D）可研階段采用的26 s關閉規律是否適合一豎井一斜井方案，同時探索上平段最小內水壓力與關閉規律之間的影響關系。分別對導葉關閉規律26 s、30 s、34 s、38 s、42 s進行了敏感性分析,有研究表明，對于400 m以上水頭的水電站機組，采用直線關閉規律是最簡單、有效、合理方案[3]。故此處敏感性分析均采用直線關閉規律。

上平段最小內水壓力及蝸殼進口最大壓力計算值隨著導葉關閉規律改變的趨勢圖見圖1。由圖1可以看出，隨著導葉關閉時間的延長，蝸殼進口最大壓力隨之降低；引水上平段最小內水壓力在26～34 s之間隨著關閉時間的延長而增大，在34 s達到最大值，但在34 s之后，隨之關閉時間的延長而減小；當關閉時間大于等于38 s時，引水上平段最小內水壓力已不滿足控制值要求。

圖1 上平段最小壓力及蝸殼進口最大壓力隨導葉關閉時間變化趨勢圖

表3 26 s關閉規律計算極值與34 s關閉規律計算極值對比表

由以上計算對比分析，可以看出，相比26 s關閉規律，采用34 s關閉規律時，引水上平段最小內水壓力裕量更大，蝸殼進口最大壓力更小。尾水管進口最小壓力和機組最大轉速上升計算結果均滿足計算控制值的要求。

4.2 軟件H（曲線D）計算分析

針對②輸水系統（3號、4號機組）引水上平段末端最小內水壓力問題，復核可研階段40 s直線關閉規律是否適合一豎井一斜井方案，同時尋求關閉規律與上平段末端最小內水壓力的關系，是否可以通過改變關閉規律尋求改善途徑，采用軟件H（曲線D）分別對20 s、25 s、30 s、35 s、45 s、50 s關閉規律進行了計算。蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力隨導葉關閉時間變化趨勢詳見圖2。

由圖2可以看出，隨著導葉關閉時間的延長，蝸殼進口最大壓力隨之降低；引水上平段最小內水壓力在40 s處于最小值，可以通過改變導葉關閉規律而得到適當改善。經初步計算分析結果，采用50 s的直線關閉規律，引水上平段最小內水壓力為1 020.26 m·H2O，可以滿足計算控制值的要求。

圖2 蝸殼進口最大壓力及上平段最小壓力隨導葉關閉時間變化趨勢圖

5 結論及建議

5.1 主要結論

（1）通過對導葉關閉規律進一步優化和敏感性計算分析可以看出，如引水系統采用一豎井一斜井方案，蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力均可以得到有效改善，但需要更長的導葉關閉時間。

（2）基于可研階段的機組參數及關閉規律，對引水系統一豎井一斜井方案復核結果可以看出，蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力較兩斜井方案結果更差。因此，從改善水力過渡過程角度出發，采用兩級斜井方案更有利。

5.2 有關建議

隨著抽水蓄能電站應用水頭的不斷提高，以及電站建設條件等因素的影響，近年來在建抽水蓄能電站蝸殼及引水系統的設計壓力跟以往的經驗相比，大部分已突破了以往規范的要求[4]。2019年3月頒布實施的能源行業標準NB/T 10072-2018 《抽水蓄能電站設計規范》已將蝸殼進口最大壓力上升率提高至40%[5]。鑒于此，后續抽水蓄能電站在進行輸水系統布置時，可在工程投資、施工難度以及電站安全等方面找到更好的平衡點。