抽水蓄能電站過渡過程蝸殼壓力設計研究

鄧 磊，宋德強，周 攀 ，丁景煥

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抽水蓄能電站過渡過程蝸殼壓力設計研究

鄧 磊1，宋德強2，周 攀1，丁景煥1

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京，100161; 2. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江牡丹江，157005）

為了深入研究抽水蓄能電站過渡過程蝸殼壓力設計，對多家設計院和抽水蓄能電站進行了調研。研究結果表明，蝸殼設計壓力比以往設計均有提高，原因為現場實測結果與設計結果偏差較大。實測結果壓力脈動大，而壓力脈動大的原因與水泵水輪機的水輪機運行區域范圍過于靠近S區或位于S區的正上方有關。本文建議水輪機運行區域范圍距離S區有一定的距離。

抽水蓄能電站；過渡過程；蝸殼壓力；壓力脈動；水泵水輪機S區

0 前言

抽水蓄能電站調節保證控制值的選取事關電站的建設質量和投產運行后電站的運行安全。前期國內牽涉到調節保證設計的主要設計規范有《DL/T 5186-2004 水力發電廠機電設計規范》和《DL/T 5208-2005抽水蓄能電站設計導則》。近年來，已建投產的部分抽水蓄能電站過渡過程逐漸引起了國內較大的爭議，針對調節保證設計這一專題，2013年10月水利水電規劃設計總院發布了“水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫行規定（試行）”（以下簡稱“暫行規定”）；2005版本的“抽水蓄能電站設計導則”也正在修訂過程中，2015年已發布征求意見稿，但還未正式發布。

為研究總結已建抽水蓄能電站過渡過程壓力設計的工程經驗，選擇對國內標準、水規總院暫行規定、國內三大典型設計院、國外廠商和新源系統內已建和在建抽水蓄能電站進行設計調研，以期對后期新建抽水蓄能電站工程的設計和建設提供指導。

1 標準設計調研

1.1 DL/T 5186-2004 水力發電廠機電設計規范

下文簡稱“機電設計規范”。

（1）機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率保證值，按以下不同情況選取：

額定水頭小于20m時，宜為70%～100%；額定水頭為20m～40m時，宜為70%～50%；額定水頭為40m～100m時，宜為50%～30%；額定水頭為100m～300m時，宜為30%～25%；額定水頭大于300m時，宜小于25%（可逆式蓄能機組宜小于30%）。

最大壓力升高率保證值，應按計算值并留有適當裕度確定。

1.2 DL/T 5208-2005抽水蓄能電站設計導則

下文簡稱“設計導則”。

（1）水泵水輪機甩負荷和水泵斷電時的最大壓力升高率，按以下不同情況考慮：

額定水頭小于300m時，按DL/T5186中的規定執行；額定水頭大于300m時，宜小于30%，并應進行技術經濟比較。

計算最大壓力升高率ξ時，可取上庫水位與蝸殼進口中心的高程差作為基準值。

最大設計內水壓力值，應在計算值的基礎上考慮壓力脈動等因素，宜留有適當裕度。

1.3 水規總院暫行規定

“暫行規定”中關于蝸殼壓力設計要求如下：

調節保證設計值應在水力過渡過程計算值的基礎上考慮計算誤差進行修正后確定，水擊壓力設計值還應考慮壓力脈動的影響。可行性研究設計階段，抽水蓄能電站目前可參考以下標準執行。隨著工程經驗和時間的積累，將進一步對修正量的選取進行調整和完善。

（1）對于最大水頭大于200m的抽水蓄能電站：引水系統壓力脈動引起的壓力上升可按甩前凈水頭的7%~5%選取；計算誤差可按壓力上升值的10%選取。尾水系統渦流引起的壓力下降可按甩前凈水頭的3.5%~2%選取，計算誤差可按尾水管進口壓力下降值的7%~10%選取。

（2）對于最大水頭小于200m的抽水蓄能電站：輸水系統壓力脈動引起的壓力變化、計算誤差可根據電站實際情況及工程經驗選取。

1.4 NB/T 抽水蓄能電站設計導則（征求意見稿）

下文簡稱“設計導則征求意見稿”。

（1）機組調試期間，必要時應對甩負荷和水泵斷電等工況進行過渡過程計算，并與調試測試成果進行對比分析。

（2）調節保證設計值應根據水力過渡過程計算結果，考慮一定的壓力脈動裕量及計算誤差確定，并應滿足以下要求：

1）蝸殼進口最大壓力升高設計值，當額定水頭小于300m時，應滿足現行行業標準《水力發電廠機電設計規范》DL/T5186的有關規定；當額定水頭大于300m時，宜小于40%，高于40%應進行技術經濟比較。計算壓力升高率ξ時，以上庫正常蓄水位與蝸殼進口中心高程之差作為基準值。

2）輸水系統沿線各斷面最高處的最小壓力不應低于0.02MPa；尾水管進口斷面的最大真空度保證值不應大于0.08MPa，且不應出現負壓脫流現象。

1.5 設計標準比較研究

1.5.1 關于水頭的分界點問題

水規總院的暫行規定是200m水頭以上壓力脈動和計算誤差按照暫行規定執行，200m水頭以下參照執行。NB/T抽水蓄能電站設計導則（征求意見稿）以300m為分界點，存在標準和暫行規定沖突的情況，建議對水頭的分界點進行統一。

1.5.2 關于蝸殼壓力設計提高的問題

（1）按照“機電設計規范”和“設計導則”，按蝸殼壓力上升率允許最大30%進行計算，前期這兩個標準考慮蝸殼壓力上升率時，針對計算結果只是考慮一部分的裕度，沒有提出壓力脈動影響和計算誤差這兩個概念，因此前期抽水蓄能電站的蝸殼壓力上升率基本上在30%以內，少部分可能略微超過30%，但也有限。

另外凈水頭有不同的取值方式，設計單位從安全的角度出發基本按“甩前最大凈水頭”等于“上庫正常蓄水位最大值與蝸殼進口中心的高程差”的方式進行設計。

（2）根據“設計導則征求意見稿”規定“蝸殼壓力上升率調節保證設計值應根據水力過渡過程計算結果，考慮一定的壓力脈動裕量及計算誤差確定”和“額定水頭大于300m時，蝸殼壓力上升率宜小于40%，高于40%應進行技術經濟比較?！?，可以得出：蝸殼壓力上升率的最大值通常為40%，這40%是包含了壓力脈動和計算誤差的，蝸殼壓力設計值總體比原來提高了約10%。

按照“設計導則征求意見稿”規定：蝸殼壓力設計值中壓力脈動和計算誤差的取值方式按照“暫行規定”執行，計算誤差為4%（10%′40%）的甩前凈水頭，和壓力脈動引起的蝸殼壓力上升5%~7%相加得出：蝸殼壓力設計裕度增加值為9%~11%的甩前凈水頭。

考慮蝸殼壓力最大計算值（133%最大甩前凈水頭）作為基值進行比較，則增加的9%~11%甩前凈水頭蝸殼壓力設計裕度相當于蝸殼壓力最大計算值的6.27%~8.27%(9%~11%/1.33)。

即暫行規定之后，蝸殼壓力計算的上升率約在33%左右，比前期30%的規定提高了約3%，同時考慮了約6.27%~8.27%蝸殼壓力最大計算值的計算誤差和壓力脈動。

另根據“設計導則征求意見稿”，計算壓力升高率時，以上庫正常蓄水位與蝸殼進口中心高程之差作為基準值。因為“凈水頭”比“上庫正常蓄水位與蝸殼進口中心高程之差”小，如果按照“上庫正常蓄水位與蝸殼進口中心高程之差”的40%進行計算，則蝸殼壓力與過渡過程計算結果相比，還將進一步提高。

2 設計院調研總結

水規總院暫行規定出來后，對國內三家典型設計院，華東勘測設計院、北京勘測設計院和中南勘測設計院進行了設計調研，調研結果顯示在水規總院暫行規定出來之后，各大設計院對于蝸殼壓力的選取均有了較大幅度的增長。

2.1 華東院調研總結

華東院典型電站蝸殼設計壓力調研結果見表1。

表1 華東院典型電站蝸殼設計壓力調研結果

“暫行規定”出來之前，華東勘測設計院設計基本在可研階段蝸殼壓力計算值基礎上按照3%～5%裕度進行蝸殼壓力合同值的確定。在“暫行規定”出來之后，按照暫行規定執行，但是華東院對于蝸殼壓力設計值，在考慮了壓力脈動和計算誤差裕度后確定的調節保證設計值基礎上再次上浮了3.75%（1050/1012）的裕度?？烧J為加了裕度后再次增加了裕度，與前期華東院設計的電站相比提高了5%以上裕度。

2.2 北京院調研總結

北京院典型電站蝸殼設計壓力調研結果見表2。

表2 北京院典型電站蝸殼設計壓力調研結果

“暫行規定”出來之前，北京勘測設計院設計基本在可研階段蝸殼壓力計算值的基礎上增加的裕度按照以下取值方法：壓力脈動取甩前凈水頭的5%，計算誤差取壓力上升值的10%進行蝸殼壓力合同值的確定。在最終確定招標值時，在按照上述計算方法得出的蝸殼壓力值基礎上進行單位量綱的換算，將單位由mH2O轉換為MPa，這樣單位量綱的換算再次增加了約2%的裕度。

在“暫行規定”出來之后，按照暫行規定執行，確定方法為：蝸殼計算最大值加上壓力脈動（甩前凈水頭7%，較以前取值5%大2%）加上計算誤差（壓力上升值的10%），在計算結果附近圓整的基礎上，將單位由mH2O轉換為MPa，這樣單位量綱的換算增加了約2%的裕度，可認為加了裕度后再次增加了裕度，與前期北京院設計的電站相比提高了3%~5%的裕度。

2.3 中南勘測設計研究院調研結果

中南院典型電站蝸殼設計壓力調研結果見表3。從該設計調研表格可以得出：“暫行規定”出來之前，中南勘測設計院設計基本在可研計算值的基礎上增加了7%~10%的裕度?！皶盒幸幎ā背鰜碇?，根據暫行規定執行，本文暫未調研“暫行規定”之后中南院設計的詳細計算成果。

表3 中南院典型電站蝸殼設計壓力調研結果

3 國外廠商設計調研

我國在和外國廠商的交流中，外國廠商主要是日本的廠商和法國ALSTOM提供了一些設計經驗，本報告對調研數據進行了相應的計算分析，見表4。“暫行規定”制定期間部分數值來源于這次的經驗交流。

表4 國外廠商蝸殼壓力設計裕度值調研表

備注：壓力上升率按照前期標準按30%進行計算。

從表4可以看出，關于蝸殼壓力設計裕度值，按照前期標準允許的30%壓力上升率進行計算，東芝公司考慮的壓力脈動和裕度（等同于暫行規定的計算誤差）為8.5%甩前凈水頭；ALSTOM公司考慮壓力脈動和裕度為8.8%甩前凈水頭。

日立公司按照第一峰考慮為3.26%凈水頭，按照第二峰考慮為3%～12%甩前凈水頭；三菱公司按照第一峰考慮為5%甩前凈水頭，按照第二峰考慮為11%甩前凈水頭。大部分蝸殼壓力的峰值，實測在第一峰的概率很大。日立公司和三菱公司的做法可以理解為，假定第一峰的計算值加上第一峰的裕度值為蝸殼壓力設計值1，第二峰的計算值與第二峰的裕度值相加為蝸殼壓力設計值2，兩者進行比較，哪個大取哪個。因此不能簡單的理解為日立公司和三菱公司的裕度值加了11%左右。假設蝸殼壓力設計值1大于蝸殼壓力設計值2，則日立公司裕度取值為3.26%，三菱公司裕度取值為5%。

水規總院“暫行規定”蝸殼壓力的裕度范圍為甩前凈水頭的8%～10%，東芝公司為8.5%，ALSTOM公司為8.8%，日立公司為3.26%，三菱公司為5%。實際我國目前在建的典型抽蓄電站蝸殼壓力設計裕度績溪為10%，豐寧為10.8%，敦化為12.7%，蝸殼壓力計算取值裕度比水規總院的規定大，也比國外廠商的大。

4 新源公司系統抽水蓄能電站蝸殼設計壓力調研

新源系統內抽水蓄能電站蝸殼壓力設計調研情況見表5。

表5 新源系統內抽水蓄能電站蝸殼壓力設計調研表

分析表5可知，電站蝸殼壓力合同值與靜水頭的比值后期基本達到40%及以上，前期在35%以下，在建抽水蓄能電站蝸殼設計壓力較前期抽水蓄能電站蝸殼設計壓力有明顯提高。

5 蝸殼壓力設計提高原因研究

5.1 蝸殼壓力實測值與計算值偏差大

根據多家抽水蓄能電站甩負荷過渡過程的測試經驗，現場甩負荷試驗蝸殼壓力實測數據壓力脈動都比較大，有的電站蝸殼壓力脈動振幅超過100mH2O，單側壓力脈動幅度超過50mH2O，導致蝸殼實測壓力與甩負荷工況蝸殼計算壓力相差較大，這是蝸殼設計壓力提高的技術因素。某電站單機甩負荷和雙機甩負荷試驗實測數據、計算數據和根據水規總院暫行規定的修正比較結果見表6。

表6 抽水蓄能電站甩負荷蝸殼壓力實測值、計算值和修正值比較表