仙居抽水蓄能電站甩負荷試驗及反演分析

汪德樓，過美超，李成軍，陳順義，王穎娜

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江新境生態環保科技有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

浙江仙居抽水蓄能電站安裝4臺單機容量為375 MW的混流可逆式水輪發電機組(水泵工況最大功率413 MW)，水輪機額定水頭為447 m，機組額定轉速375 r/min。電站機組為國內已建單機容量最大的抽水蓄能機組，在我國水電發展歷史上具有重要意義。電站輸水系統采用兩洞四機布置，輸水系統總長度約為2 216.1 m。

2 仙居抽水蓄能電站水泵水輪機特性介紹

可逆水泵水輪機組為了滿足機組發電、抽水雙向水流的需要，其轉輪葉片流道狹長，致使轉輪離心力較大，截止效應[1，2]明顯。從水泵水輪機全特性曲線來看，由于機組由水輪機至反水泵工況運行范圍存在一個“反S”形不穩定區域，特別是對高水頭段低比轉速的水泵水輪機“反S”更加明顯，在該“反S”內，1個單位轉速n11對應著3個單位流量Q11，因此水道系統內很小的水壓波動可能會導致在低水頭時水輪機工況起動空載不穩定，轉速發生波動，乃至無法并網運行。雖然目前一些電站使用單導葉接力器或設置非同步導葉接力器來解決或預防低水頭水輪機工況起動空載穩定性問題；但因為非同步導葉的開度與其他開度不同，造成轉輪室內水流不均勻，會引起較大的噪音和振動。因此，從水力設計上使得“反S”區在機組運行范圍之外是一個較好解決該問題的方法。仙居抽水蓄能電站400 MW機組的水泵水輪機的S區特性如圖1所示，可看出在頻率變化到達50.5 Hz時，運行范圍里無正斜率，說明“反S”區已經在運行范圍以外。現場運行時機組在低水頭水輪機工況啟動試驗也表明，在低水頭區域，機組啟動穩定，無轉速波動問題。

因此，仙居電站大容量水泵水輪機的“反S”區特性水力開發是成功，為機組的穩定運行打下了基礎。

圖1 電站的“反S”區范圍圖

3 關閉規律選擇說明

水泵水輪機機組甩負荷工況導葉關閉有一段直線關閉規律、兩段折線關閉規律及多段折線關閉規律等多種。其中一段折線關閉規律控制流程簡單，操作機構不易出現誤動作；兩段及多段關閉規律能較好地將蝸殼進口最大壓力、尾水管進口負壓及機組轉速的指標控制在規范要求之內，但是控制流程相對較復雜。在國內外抽水蓄能電站中，一段直線及多段折線關閉規律均有大量應用。如洪屏、廈門、泰安抽水蓄能電站為一段直線關閉[3]，響水澗、深圳抽水蓄能電站為兩段折線關閉[4]，宜興抽水蓄能電站為三段折線關閉[5]。仙居抽水蓄能電站水輪機及水泵工況導葉采取兩段方式關閉，水輪機工況導葉關閉規律見圖2所示，水泵工況導葉關閉規律見圖3所示。

圖2 水輪機工況關閉規律

圖3 水泵工況關閉規律

4 機組甩負荷試驗實測數據與仿真計算對比

4.1 甩負荷試驗工況及說明

國內抽水蓄能電站進行機組甩負荷試驗的電站較多，每個電站均具有其獨特的特點，仙居抽水蓄能電站屬于高水頭、大容量的電站，國內類似電站較少。本電站有兩個水力單元，共4臺可逆式水泵水輪發電機組，各機組均需做甩負荷試驗。因1號水力單元機組甩負荷試驗完成較早，本文僅對1號機組甩負荷試驗數據進行介紹分析。

4.2 甩100%試驗結果與數值仿真計算結果對比

因甩100%負荷工況為單機甩負荷最危險工況，本文僅對1號單機甩100%負荷進行仿真模擬計算并與試驗結果進行對比分析，計算結果見表1。

表1 實測數據與數值仿真計算結果對比

從表1和圖4～圖7可以看出，機組甩100%負荷時，機組轉速、蝸殼進口壓力、尾水管進水壓力變化過程線變化趨勢仿真計算與實測結果基本相同。對比計算結果表明：尾水管進口最小壓力誤差較大，蝸殼進口最大壓力誤差次之，其他各參數計算結果（修正后）均與試驗數據較為接近，誤差在1%之內。

圖4 蝸殼進口壓力實測變化曲線

圖5 蝸殼進口壓力仿真變化曲線

圖6 尾水管進口壓力實測變化曲線

圖7 尾水管進口壓力仿真變化曲線

4.3 仿真計算與實測結果誤差分析

4.3.1 尾水管最小壓力計算誤差較大原因分析

（1）尾水管最小壓力從實測數據及曲線看，極值點壓力脈動較小，考慮2.5%的脈動修正偏保守。若不考慮2.5%的壓力脈動修正則計算誤差為6.7%。

（2）尾水最小壓力計算誤差計算時，分母取值較小，導致相對誤差看起來較大。考慮壓力脈動時絕對誤差為16.3 m，若不考慮壓力脈動修正情況下絕對誤差為4.9 m。

（3）尾水管負壓是水泵水輪機水力開發的難點，尾水管進口最小壓力實測值比計算值要大，對機組運行安全有利。表明仙居抽水蓄能電站水泵水輪機尾水管負壓情況能到了很大的改善，證明了我國機組設計制造商的研發能力。

4.3.2 蝸殼進口最大壓力計算誤差原因分析

蝸殼進口壓力實測曲線（未經濾波處理），壓力脈動采樣頻率為600 Hz，從實測曲線可以看出由壓力脈動引起的波峰值僅有一個極值波峰超過7.2MPa。從已投產抽水蓄能電站（寶泉、仙游等）實測結果對比分析經驗看，實測數據均需通過濾波處理才能達到合同要求，本曲線為未經處理曲線，根據規范要求進行濾波處理后極值壓力將會有所改善。另外該峰值是否能真實反映蝸殼進口處的壓力脈動值也值得商議，在機組甩75%負荷時，現場實測數據就出現過無葉區壓力脈動振蕩劇烈的情況，壓力極值超過8.0 MPa，廠家技術人員認為測試數據有誤，后將壓力側頭從水輪機層直接引至機墩內，壓力脈動測試值得到明顯改善。綜上所述，將該極值濾波后蝸殼進口最大壓力約為706.7 m，則計算誤差為-0.53%。

5 極端工況預測

針對電站運行過程中可能遇到的極端控制性工況進行復核計算，并根據1號機組甩100%負荷試驗實測數據與仿真計算對比情況進行計算壓力脈動及計算誤差的修正。判斷極端工況下，蝸殼進口壓力是否超過合同及規范要求。極端工況說明如下：

蝸殼進口最大壓力極值工況T1：上庫水位672.5 m，下庫校核洪水位213.87 m，額定水頭，額定出力，兩臺機同時突甩負荷，導葉正常關閉。

尾水管進口最小壓力極值工況T2：上庫正常蓄水位675.00 m，下庫死水位178.00 m，兩機發電，額定出力，兩臺機組相繼甩負荷導葉正常關閉。

結合1號機甩100%負荷試驗結果，壓力脈動修正取值，蝸殼進口壓力脈動取7%甩前凈水頭，尾水管進口進口壓力脈動取2.5%甩前凈水頭；從前文分析可知蝸殼進口最大壓力計算誤差為負偏差，尾水管進口最小壓力為正偏差，偏差的存在將導致蝸殼進口最大壓力相對偏小，尾水管最小壓力相對偏大，有利于計算結果，滿足合同及規范要求。為保守起見，控制工況極值預測不考慮計算誤差，僅考慮壓力脈動修正，計算結果見表2、表3。

表2 極端工況T1過渡過程計算結果

表3 極端工況T2過渡過程計算結果

由計算結果可知，考慮壓力脈動修正后，在極端工況蝸殼進口最大壓力為777.80 m，小于設計壓力784 m；考慮壓力脈動修正后，在極端工況尾水管進口最小壓力為3.82 m，大于規范要求壓力-8 m。因此仙居抽水蓄能電站在各過渡過程工況下機組均是安全的。

6 結論

根據1號機甩負荷試驗實測數據，對仙居抽水蓄能電站進行相同邊界條件下的數值仿真計算，計算結果與實測數據吻合度較好，論證了數值仿真方法及模型的準確性。對過渡過程極端工況進行機組甩負荷仿真計算，并對計算結果加以修正，修正后的蝸殼進口最大壓力及尾水管進口最小壓力均滿足合同要求。預測結果為該電站的安全穩定運行提供了依據。