抽水蓄能機組甩負荷試驗研究

郭建強，羅國虎，王 熙，瞿 潔，李金偉

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)負荷低谷時利用系統(tǒng)富余電力將水從下水庫抽到上水庫儲存，在負荷高峰時將上水庫儲存的水放到下水庫進行發(fā)電，將上、下庫中水的勢能變化轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)電能的充放和功率的調(diào)節(jié)，是電力系統(tǒng)最成熟的調(diào)節(jié)電源，在系統(tǒng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等“六大功能”[1-6]。

截至2021 年底，我國抽水蓄能電站投運總裝機規(guī)模36 390 MW，在建總裝機規(guī)模61 530 MW，已建、在建規(guī)模均居世界首位。

抽水蓄能電站一般具有較長的引水和尾水系統(tǒng)，因此在機組甩負荷過程中由于水擊現(xiàn)象導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速上升、蝸殼壓力上升以及尾水管壓力下降較常規(guī)水電站更為突出，機組甩負荷試驗被視作一項檢驗機組性能和工程質(zhì)量的重要手段，是每臺機組投入試運行和商業(yè)運行前必須開展的重要試驗[7]。

2 機組基本參數(shù)

水泵水輪機和發(fā)電電動機的基本參數(shù)分別如表1、表2 所示。

表1 水泵水輪機基本參數(shù)

表2 發(fā)電電動機基本參數(shù)

3 試驗測點布置

甩負荷試驗主要核驗蝸殼進口壓力最大值、機組轉(zhuǎn)速上升率、尾水錐管進口壓力最小值。為盡可能真實反映蝸殼進口壓力和尾水錐管進口壓力，結(jié)合現(xiàn)地測量條件，2 號機組壓力傳感器布設(shè)如下：

（1）蝸殼進口：布設(shè)在球閥后的直管段上，采用準齊平安裝方式，1 個測點。

（2）尾水錐管進口：布設(shè)在尾水進人門上方左側(cè)的驗水閥上，采用準齊平安裝方式，1 個測點。

此外，還接入了轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度以及有功功率3個監(jiān)控量信號。

4 試驗工況

本文著重分析2 號機組單機甩50%、100%額定負荷時的轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力、尾水錐管進口壓力的變化趨勢。

（1）單機甩50%額定負荷：上庫水位582.02 m，下庫水位229.76 m，毛水頭352.26 m。

（2）單機甩100%額定負荷：上庫水位580.47 m，下庫水位232.31 m，毛水頭348.16 m。

5 試驗結(jié)果分析

5.1 甩50%額定負荷試驗

甩50%額定負荷時的有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢（含甩前穩(wěn)定過程）如圖1 所示。

圖1 有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢

由圖1 可知：機組甩50%額定負荷，轉(zhuǎn)速最大上升率為16.64%，活動導(dǎo)葉快速一段式關(guān)閉。

除轉(zhuǎn)速最大上升率外，甩負荷試驗還著重關(guān)注蝸殼進口壓力最大值和尾水錐管進口壓力最小值。

甩負荷過程中，機組轉(zhuǎn)速先增大后減小，蝸殼進口和尾水錐管進口處的壓力為非周期性的，研究表明機組內(nèi)部的壓力可以分解為趨勢項與脈動項。趨勢項以低頻為主，脈動項則由多種高頻成分混疊而成。壓力趨勢項獲取方法較多，如采用低通濾波器法[8]、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法[9]、變分模態(tài)分解法[10]、Savitzky-Golay 濾波器[11-13]等。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與變分模態(tài)分解依賴參數(shù)較多，且存在模態(tài)混疊問題。本文采用廣泛應(yīng)用且成熟的低通濾波器法對蝸殼進口和尾水錐管進口壓力數(shù)據(jù)進行處理以獲得趨勢項，脈動項即為原始采樣數(shù)據(jù)與壓力趨勢項的差值[14]。

甩50%額定負荷時的蝸殼進口壓力時域圖、壓力趨勢項時域圖以及壓力脈動項時域圖見圖2；尾水錐管進口壓力時域圖、壓力趨勢項時域圖以及壓力脈動項時域圖見圖3。

圖2 蝸殼進口壓力

圖3 尾水錐管進口壓力

根據(jù)相關(guān)標準[15]，穩(wěn)態(tài)工況下的壓力脈動采用峰峰值進行評價。對于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)分析時長滿足一定條件時，峰峰值大小與時長近似無關(guān)[16]；暫態(tài)情況下，當時長較大時所獲得的峰峰值不能準確反映峰峰值的變化規(guī)律，而當時長較小時所獲得的峰峰值又不穩(wěn)定，因此表3 給出了蝸殼進口、尾水錐管進口的壓力脈動在不同時長下（1 倍額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位數(shù)分別為1.5%和98.5%（97%置信度）[15]。

由表3 可以看出：不同時長下，蝸殼進口和尾水錐管進口的壓力脈動峰峰值變化幅度較為平緩，取其平均值作為計算依據(jù)。

表3 甩50%額定負荷壓力脈動峰峰值

5.2 甩100%額定負荷試驗

甩100%額定負荷時的有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢（含甩前穩(wěn)定過程）如圖4 所示。

圖4 有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢

由圖4 可知：機組甩100%額定負荷，轉(zhuǎn)速最大上升率為34.76%，活動導(dǎo)葉為兩段式關(guān)閉。

甩100%額定負荷時的蝸殼進口壓力時域圖、壓力趨勢項時域圖以及壓力脈動項時域圖見圖5；尾水錐管進口壓力時域圖、壓力趨勢項時域圖以及壓力脈動項時域圖見圖6。

圖5 蝸殼進口壓力

圖6 尾水錐管進口壓力

表4 給出了蝸殼進口、尾水錐管進口的壓力脈動在不同時長下（1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位數(shù)分別為1.5%和98.5%（97%置信度）。

由表4 可以看出：不同時長下，蝸殼進口和尾水錐管進口的壓力脈動峰峰值變化幅度較為平緩，取其平均值作為計算依據(jù)。

表4 甩100%額定負荷壓力脈動峰峰值

5.3 試驗值與合同保證值的對比分析

甩50%、100%額定負荷的試驗結(jié)果如表5 所示。蝸殼進口壓力最大值為對應(yīng)時刻趨勢項值加上峰峰值平均值的一半（換算到導(dǎo)葉中心線高程），尾水錐管進口壓力最小值為對應(yīng)時刻趨勢項值減去峰峰值平均值的一半。因蝸殼進口壓力測點位于導(dǎo)葉中心線高程，故無需進行高程修正計算。尾水錐管進口壓力測點位于尾水進人門上方左側(cè)的驗水閥上，滿足位于轉(zhuǎn)輪下方0.3D2～1.0D2（D2為轉(zhuǎn)輪下環(huán)與葉片連接處出水邊直徑）

機組過渡過程參數(shù)合同保證值如下：

（1）在所有過渡過程工況（飛逸工況除外）中機組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速上升率不大于45%；

（2）蝸殼進口中心線處最大壓力值不大于600.0 m.WC；

（3）尾水管進口（轉(zhuǎn)輪出口）處最低壓力值不小于0 m.WC（計入渦流引起的壓力下降和計算誤差后）。

由表5 可以看出：機組甩50%、100%額定負荷時的轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進口壓力最大值、尾水錐管進口壓力最小值均滿足合同保證值。

表5 甩負荷試驗結(jié)果

6 總結(jié)

本文分析了金寨抽水蓄能電站2 號機組甩50%、100%額定負荷下的轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進口壓力最大值以及尾水錐管進口壓力最小值。針對甩負荷過程中的壓力數(shù)據(jù)，采用低通濾波器法（截止頻率為0.2 倍轉(zhuǎn)頻）以獲得趨勢項，進而獲得脈動項。在不同時長下（1 倍額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）分析了壓力脈動峰峰值（97%置信度），取其平均值計算得出了蝸殼進口壓力最大值和尾水錐管進口壓力最小值，為合理、準確計算壓力極值提供了技術(shù)支撐。與合同保證值對比分析顯示轉(zhuǎn)速上升率和壓力極值均滿足要求，為抽水蓄能機組甩負荷試驗分析提供了實例參考。