洪屏抽水蓄能電站現場甩負荷試驗及數值反演分析

章夢捷 吳都 李高會 姚敏杰 和扁

摘要：抽水蓄能電站過渡過程的準確預測是電站設計及運行的重要問題。通過建立洪屏抽水蓄能電站引水發電系統過渡過程數值模型，模擬了電站現場甩負荷試驗工況，并與實測數據進行了對比驗證，得到了數值仿真與實測數據的誤差。基于該模型，計算了電站可能出現的危險過渡過程工況，并根據試驗以及多個機組廠家的誤差經驗公式，對計算結果進行了修正。結果表明：實測數據與數值仿真數據基本一致，但實際壓力包含了壓力脈動使得數值模擬結果偏危險，需通過試驗或經驗公式進行修正。該抽蓄電站的過渡過程控制參數考慮誤差和壓力脈動后，均未超過設計值，保障了電站的安全。現場試驗及反演分析成果可為類似電站的設計及運行提供參考。

關 鍵 詞：

過渡過程; 引水發電系統; 甩負荷; 壓力脈動; 反演分析; 抽水蓄能電站

中圖法分類號： S277.9;TV675

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.031

1 研究背景

抽水蓄能電站目前是電力系統中唯一能夠大規模儲能的裝置，其調峰、填谷功能對于電網的安全穩定運行至關重要。隨著風電、太陽能等新能源在電網中比重的增加，抽水蓄能電站的調節也日益頻繁，引發了系統的過渡過程。由于抽水蓄能電站中的水泵水輪機組具有流道狹長的特點，其綜合特性曲線中通常存在著明顯的倒“S”特征[1-2]，過渡過程中會出現較大的水錘壓力并伴隨劇烈的壓力脈動[3]，如果控制不當，將會嚴重威脅到電站甚至電網的安全運行。

抽水蓄能電站的引水發電系統是復雜的非線性系統，過渡過程中會涉及到水力、機械及電氣的耦合作用。目前的研究也主要是針對水力系統的布置形式[4-6]、機械系統的特性[7]和控制方式[8-9]以及電氣系統[10]對過渡過程的影響。對于該系統過渡過程的研究主要依靠一維數值仿真，可以得到系統中參數的變化過程，但水錘壓力是平均壓力，無法反映實際中存在的劇烈壓力脈動情況。隨著計算機及三維CFD技術的發展，可以對過渡過程中水泵水輪機內流態的演變和壓力脈動情況進行三維仿真[11]，但計算效率相對較低，而且不容易實現復雜的調節過程。抽水蓄能電站在正式運行前，需進行甩負荷試驗，以檢查系統的參數是否符合設計要求，現場實測結果可以真實地反映系統的壓力、轉速等參數的變化情況，但試驗僅針對常規工況，無法進行危險過渡過程工況的試驗。

本文通過建立洪屏抽水蓄能電站的過渡過程數學模型，模擬了現場甩負荷試驗工況，并與實測數據進行了對比驗證。對該電站可能出現的危險過渡過程工況進行了預測，根據試驗誤差以及多個機組廠商的經驗公式，得到了危險工況下可能出現的系統參數極值，校核了結構設計值，以確保電站的運行安全。

2 引水發電系統及過渡過程數值模型

2.1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站設計安裝4臺單機容量為300 MW的可逆式抽水蓄能機組，總裝機容量為1 200 MW。水泵水輪機額定水頭為540 m，額定流量為62.09 m3/s，額定轉速為500 r/min，轉輪進口直徑為3.85 m，轉動慣量為3 800 t·m2。輸水系統全長約2 316 m，采用一洞兩機的水力布置形式，共有2個水力單元。本文的研究對象為1號水力單元，包含1號和2號機組。系統布置簡圖如圖1所示，水道詳細參數如表1所列。

2.2 過渡過程數值模型

2.2.1 有壓管道非恒定流方程

對于有壓管道，其非恒定流方程如下：

QAHx+Ht+a2gAQx-QAsinβ=0（1）

gHx+QA2Qx+1AQt+fQQ2DA2=0（2）

式中：H、Q、D、A、t、a、g、x、f、β分別為測壓管水頭、流量、管道直徑、管道面積、時間變量、水錘波速、重力加速度、沿管軸線的距離、摩阻系數及管軸線與水平面的夾角。

式（1）和式（2）可簡化為標準的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉化成管道水錘計算特征相容方程。

2.2.2 水泵水輪機節點特征方程

對于水泵水輪機的特性，目前還是采用機組的模型特性曲線。由于水泵水輪機組的特性曲線具有“S”形特性，當機組導葉開度不變時，一個單位轉速可能對應多個單位流量（或單位力矩）。目前通常利用Suter變換將水泵水輪機組特性曲線轉化成用機組水頭H、流量Q、轉速N、力矩M等參數表示的流量函數WH，以及力矩函數WB。

水泵水輪機轉輪特性采用Suter法描述，方程如下：

WH（x，y）=1n1′2+q1′2（3）

WB（x，y）=m1′2n1′2+q1′2（4）

x（y）=π+arctan-1q1′n1′（5）

式中：q1′=Q1′Q1r′、n1′=N1′N1r′、m1′=M1′M1r′分別為單位流量相對值、單位轉速相對值、單位力矩相對值;Q1′、N1′、M1′分別為單位流量、單位轉速、單位力矩;下標r表示額定工況下的參數;y為導葉開度相對值。

該電站引水發電系統的過渡過程數學模型還包括水庫、閘門井、調壓室、岔管以及球閥等邊界。由于篇幅所限，不再進行詳細介紹，具體的邊界條件方程及求解方法可參閱參考文獻[12]。

3 現場甩負荷試驗及過渡過程仿真

3.1 現場甩負荷試驗工況及說明

該抽水蓄能電站在正式運行前進行了甩負荷試驗。國內已建抽蓄機組甩負荷試驗情況表明，同一水力單元雙機同時甩負荷較單機甩負荷情況更為惡劣。該電站針對1號水力單元的1號和2號機組進行了雙機同甩負荷試驗，具體試驗工況描述如下。

測試工況1：上庫水位729.00 m，下庫水位169.00 m，2臺機組均帶75%（225 MW）負荷，2臺機組同時甩負荷，機組導葉以1/40 s的速度正常關閉。

測試工況2：上庫水位729.00 m，下庫水位169.00 m，2臺機均帶100%（300 MW）負荷，2臺機同時甩負荷，機組導葉以1/40 s的速度正常關閉。

試驗中測量的參數包括機組的有功功率、導葉開度、轉速、主軸擺度、機組振動與水壓脈動等。本文主要關注于機組甩負荷時蝸殼以及尾水管的壓力，并與數值模擬進行對比驗證。壓力測點的信息如表2所列。

3.2 試驗結果與數值仿真計算對比分析

本文中的數值仿真采用自行編制的抽水蓄能電站過渡過程仿真程序。數值計算中，首先對穩態運行工況進行比對，由上、下庫水位及機組出力推算導葉開度、流量和壓力，并與實測數據進行比對;其次，在此基礎上，采用與甩負荷試驗相同的調速器運動規律進行甩負荷過渡過程的數值模擬，數值計算的邊界條件與試驗實際情況一致。

對于機組蝸殼最大壓力和尾水管進口最小壓力計算誤差的相對偏差，采用“相對差值=（數值計算值-試驗實測值）/甩前凈水頭”;而對于機組最大轉速上升率計算誤差的偏差，則采用“差值=數值計算值-試驗實測值”。數值計算與現場實測的對比結果分別如表3所列及圖2～7所示。

由表3統計的控制參數極值可以看出：雙機甩滿負荷的情況下，系統的控制參數極值相對于甩部分負荷而言更危險;同時，甩負荷工況下，1號機組的蝸殼壓力和機組轉速上升率均大于2號機組，而2號機組尾水管進口的壓力低于1號機組。蝸殼最大壓力以及尾水管進口最小壓力的數值模擬相對于實測結果來說偏危險，因而設計時需在數值模擬的基礎上考慮安全余量。過渡過程的時域仿真過程與實測數據對比結果分別如圖2～7所示。機組轉速的變化過程在機組甩負荷初期，數值模擬與實測數據基本一致，但由于數值模擬中機組的特性采用模型綜合特性曲線，而且轉動慣量為常數，未考慮過渡過程中轉輪室內水體慣性等因素的變化，甩負荷后期，出現了一定的偏差。由于壓力脈動的存在，導致蝸殼壓力以及尾水管壓力存在高頻振蕩，且雙機甩滿負荷時要比甩部分負荷壓力脈動更劇烈。另外，滿負荷工況下，由于流速水頭的增加，導致了蝸殼及尾水管道進口初始壓力低于部分負荷工況。壓力數值仿真結果為平均水錘壓力，未考慮壓力脈動的影響，與實測數據存在一定的誤差，但兩者波形及變化規律基本一致，滿足工程應用的精度，驗證了數值仿真程序的準確性。本文將基于該數值仿真模型，模擬危險工況下的系統過渡過程控制參數。

3.3 危險過渡過程工況壓力極值的預測

為確保抽水蓄能電站運行的安全性，需要對該電站可能發生的危險過渡過程工況進行復核計算，并對計算結果進行修正。為此，考慮到壓力脈動的影響，修正原則為：按照已有試驗工況的最不利情況以及水泵水輪機廠家的修正公式進行修正。具體修正取用值如表4所列。

需說明的是，表4中試驗修正包含了壓力脈動和誤差的影響。針對該電站運行過程中可能遇到的危險控制性工況進行復核計算，并根據甩負荷試驗實測與計算情況進行壓力脈動的修正。控制性工況如下。

T1工況：上庫水位為733.00 m，下庫水位為163.00 m，2臺機組均帶100%（300 MW）負荷，2臺機組同時甩負荷，機組導葉以1/40 s的速度正常關閉。

T2工況：上庫水位為727.60 m，下庫水位為175.70 m，2臺機均帶100%（300 MW）負荷，2臺機同時甩負荷，機組導葉以1/40 s的速度正常關閉。

T1工況為尾水管進口最小壓力的控制工況，T2工況為機組蝸殼最大壓力和機組最大轉速上升率的控制工況，計算結果分別如表5所列和圖8～9所示。

由表5及圖8～9可知：同時甩負荷工況下，蝸殼進口最大壓力及機組轉速最大上升率均為1號機組，尾水管進口最小壓力發生在2號機組，與實測工況下情況一致，而且相對于實測工況，控制參數均更危險，需復核其安全裕度。根據表4中提出的修正原則，對危險工況下的控制參數極值進行了修正，修正結果如表6所列。

根據甩負荷試驗情況以及國內外多種修正方法進行修正，機組蝸殼最大壓力、尾水管進口最小壓力以及轉速最大上升率在修正后仍未超過結構設計值，因此輸水系統及機組安全能得到保證。

4 結 論

本文通過對洪屏抽水蓄能電站的現場甩負荷試驗實測結果與過渡過程數值仿真計算結果的對比分析，得出了由壓力脈動及計算誤差等影響產生的修正值，并對危險過渡過程工況進行了預測，得出以下結論。

（1） 實測數據與數值仿真數據基本一致，蝸殼最大壓力和機組轉速最大上升率均出現在1號機組，尾水管進口最小壓力出現在2號機組，但實際壓力包含了壓力脈動，使得數值模擬結果偏危險，需通過試驗或經驗公式進行修正。

（2） 在考慮誤差和壓力脈動進行修正后，洪屏抽水蓄能電站的過渡過程控制參數均未超過設計值，保障了電站的運行安全。

參考文獻：

[1] 劉竹青，孫卉，肖若富，等.水泵水輪機“S”特性及其性能改善[J].水力發電學報，2013（2）：257-260，270.

[2] 劉凱華，張宇寧，冼海珍.水泵水輪機運行中的若干典型過渡過程[J].排灌機械工程學報，2015，33（10）：866-873.

[3] 楊建東，胡金弘，曾威，等.原型混流式水泵水輪機過渡過程中的壓力脈動[J].水利學報，2016（7）：858-864.

[4] 張健，盧偉華，范波芹，等.輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發電學報，2008（5）：158-162.

[5] 蔣瑋，張健.輸水洞徑對可逆式機組相繼甩負荷尾水進口壓力影響[J].水電能源科學，2013（10）：159-161，229.

[6] 周海舟，魏運水，曹林寧.尾水調壓室位置對抽水蓄能電站過渡過程的影響[J].中國農村水利水電，2019（1）：193-197.

[7] 楊琳，陳乃祥.水泵水輪機轉輪全特性與蓄能電站過渡過程的相關性分析[J].清華大學學報（自然科學版），2003（10）：1424-1427.

[8] 劉德有，孫華平，游光華，等.含MGV裝置的可逆機組過渡過程計算數學模型[J].河海大學學報（自然科學版），2007（4）：448-451.

[9] 儲善鵬，張健，陳勝，等.機組導葉關閉規律對相繼甩工況的影響[J].排灌機械工程學報，2019，37（1）：31-37.

[10] 趙桂連，楊建東，楊安林.電氣過渡過程對轉速調節品質的影響[J].水力發電學報，2007（1）：135-138.

[11] 韓冬冬，于鳳榮，張思青.水泵水輪機水輪機工況全流道三維非定常數值模擬[J].排灌機械工程學報，2017，35（4）：325-332.

[12] 喬德里.實用水力過渡過程[M].三版.北京：中國水利水電出版社，2014.

（編輯：趙秋云）

Field load rejection test and numerical inversion analysis of Hongping

Pumped Storage Power Station

ZHANG Mengjie，WU Du，LI Gaohui，YAO Minjie，HE Bian

（PowerChina Huadong Engineering Co.，Ltd，Hangzhou 311122，China）

Abstract：

Accurate prediction of the transition process of pumped storage power station is an important problem in its design and operation.In this paper，the load rejection test condition of Hongping Power Station is simulated by establishing a numerical model of the transition process of the diversion system of the storage power station.The simulation results are verified by comparing with the measured data，and the error between the numerical simulation and the measured data is obtained.Based on the model，the extreme transition conditions of power station are simulated，and the calculated results are modified according to the experimental results and the error empirical formulas of several unit manufacturers.The results show that the measured data are basically consistent with the numerical simulation data，but the actual pressure contains pressure pulsation making the numerical simulation results dangerous，which needs to be corrected by experiment or empirical formula.After considering the error and pressure pulsation，the transition process control parameters of this pumping storage power station do not exceed the design value，which ensures the safety of the power station.The results of field test and inversion analysis can provide reference for the design and operation of similar power stations.

Key words：

transition process;water diversionand power generation system;load rejection;pressure pulsation;inversion analysis;pumped storage power station