某抽水蓄能電站一管雙機水力干擾分析

唐擁軍，章 亮，王康生

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展和調結構轉型升級，抽水蓄能電站在電力系統中，尤其是在可再生能源開發利用中發揮著越來越重要的作用。現階段我國抽水蓄能事業迎來了發展高峰期，目前已有大量的電站處于在研、在設、在建和在運行狀態。為了節省工程投資，抽水蓄能電站普遍采用一管雙機或一管多機的布置形式，共用引水隧洞的機組間存在水力聯系，當其中一臺機組甩負荷或大幅度增減負荷時所產生的沿管線壓力變化和流量變化，勢必會引起其他運行機組工作水頭及引用流量的變化，從而對運行機組的穩定運行造成影響，即形成所謂的水力干擾[1]。由于抽水蓄能機組通常具有水頭高、引水管路長、轉速快、工況轉換頻繁、淹沒深度高等特點，因此，抽蓄機組的過渡過程更加復雜，對機組及電站的安全威脅更大，抽水蓄能機組過渡過程成為機組及電站安全運行所關注的重點[2]。電站在設計階段會進行各種過渡工程的數值仿真計算，不過仿真計算時對模型和邊界條件進行了一定的簡化，且計算結果不能得到各部位的壓力脈動變化情況，所以計算結果的準確性需現場試驗結果的驗證。考慮到對抽水蓄能機組一管雙機甩負荷研究的文獻已有不少，而水力干擾研究方面的文獻相對較少。于是本文對某抽水蓄能電站一管雙機水力干擾過程的仿真計算和現場試驗進行對比分析。

1 電站流道布置及機組基本參數

某電站裝機4臺300MW混流式抽蓄機組，機組基本參數見表1。上水庫設計洪水位734.78m，正常蓄水位733.00m，上水庫死水位716.00m，下水庫設計洪水位183.29m，下水庫正常蓄水位181.00m，下水庫死水位163.00m，引水系統采用兩洞四機豎井式布置，在豎井中部設置中平段，輸水道總長約為2646.80m，其中引水隧洞長1369.50m，尾水隧洞長1277.30m，尾水系統采用兩洞四機“一坡到頂”布置。

該機組過渡過程參數蝸殼進口中心線上壓力最大值不大于850 m水柱，尾水管進口壓力不少于0m水柱，機組轉速上升率不大于50%。

2 仿真計算

2.1 特征線法[3]

目前對于水電機組水力過渡過程的計算通常采用特征線法，其計算原理如下。

封閉管道中的瞬變流采用運動方程和連續方程進行描述，如下兩式所示：

上述兩方程中：H表示沿程水頭，單位為m；V表示平均速度，單位為m/s；g表示重力加速度，單位為m/s2；f表示達西—威爾巴哈摩擦系數；θ表示管道中心線與水平線上的夾角，單位為（°）；D表示管道直徑，單位為m；a表示水擊波速，單位為m/s。

表1 機組基本參數統計表Table 1 Basic parameters of pump storage unit

引入一未知因子λ，將上述兩方程進行線性組合得到：

根據微分法則可得：

其中，C+特征線方程適用于上游引水管路，C-特征線方程適用于下游輸水管路。

2.2 仿真結果[4]

抽蓄機組的水力過渡過程牽涉水力、機械和電氣三方面內容，其計算模型復雜，因此多采用商用軟件進行。該電站水力過渡過程采用SIMSEN過渡過程計算軟件進行。利用該軟件建立的過渡過程計算模型如圖1所示。

圖1 該電站過渡過程計算模型Figure 1 Model configuration for the transient calculation of power station

水力干擾模擬作為水力過渡過程模擬計算的重要內容，其主要目的是分析受干擾機組的運行穩定性，該電站水力干擾模擬計算工況之一為：上庫水位725m，下庫水位174m， 1、2號機組均帶額定300MW負荷，2號機組甩負荷，1號機組作為受干擾機組。計算中2號機組導葉關閉速率取值每秒2.857%，并假定受干擾1號機組額定轉速不變，活動導葉不動作。該工況水力干擾模擬計算得出1號機組蝸殼末端壓力最大值為704m水柱,1號機組尾水管進口壓力最小值42m水柱，2號機組蝸殼末端壓力最大值為759m水柱,2號機組尾水管進口壓力最小值46m水柱，滿足過渡過程壓力限值要求，此外，1號機組水輪機最大瞬時出力為額定出力的135%（發電機效率取值98%，折算出發電機出力404.8MW），持續時間2s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1[5]的要求。部分計算結果如圖2～圖4所示。

圖2 1號、2號機組導葉開度和轉速上升率變化曲線Figure 2 Time waveform of guide vane opening and speed rise of unit 1# and unit 2#

圖3 1號、2號機組蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力變化曲線Figure 3 Time waveform of pressure at spiral case end and draft tube inlet of unit 1# and unit 2#

圖4 1號機組水泵水輪機出力變化曲線Figure 4 Time waveform of pump turbine output of unit 1#

3 現場試驗

3.1 測點布置及試驗

該電站采用一管雙機布置，即1號與2號機組共用一條引水輸水管路，3號與4號機組共用一條引水輸水管路，電站整組啟動調試期間對1號與2號、3號與4號機組均進行了水力干擾、雙機甩負荷調試試驗，為了與上述模擬計算結果進行比較，分析1號與2號機組的水力干擾試驗。

1號與2號機組布置的試驗測點包括有功功率、發電機斷路器（GCB）、導葉開度、轉速、壓力、振動及主軸擺度等測點。

在上庫水位729.5m、下庫水位169.6m條件下，進行了甩100%額定負荷的水力干擾試驗，試驗流程為1號和2號機組均先帶100%額定負荷300MW運行，調速器為運行時常用的功率模式，在運行一段時間振擺數據穩定且試驗數據采集系統連續錄波啟動后，分2號機組GCB甩負荷，記錄各參數并觀測1號機組運行的穩定性。

3.2 試驗結果分析

水力干擾試驗過程1號、2號機組關鍵參數統計如表2所示，1、2號機組有功功率、導葉開度、轉速、蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力變化曲線如圖5~圖8所示。

表2 水力干擾試驗過程1、2號機組關鍵參數統計表Table 2 Statics of key parameters of unit 1# and 2# in hydraulic disturbance field test

圖5 1號機組有功功率、導葉開度、轉速變化曲線Figure5 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 1#

圖6 1號機組蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力變化曲線Figure6 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 1#

圖7 2號機組有功功率、導葉開度、轉速變化曲線Figure 7 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 2#

圖8 2號機組蝸殼進口、尾水管進口壓力變化曲線Figure 8 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 2#

該水力干擾試驗過程，1號機組蝸殼進口壓力最大值7.000MPa（714.3m水柱），尾水管進口壓力最小值0.398MPa（40.6m水柱），機組轉速穩定在100%額定轉速，未見明顯波動；2號機組蝸殼進口壓力最大值7.713MPa（787.0m水柱），尾水管進口壓力最小值0.164MPa（16.7m水柱），轉速上升率32.5%，上述指標滿足設計要求。1號機組發電機最大出力376.1MW，上升率為25.4%，持續時間小于0.1s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1的要求。此外，1號機組的振動擺度幅值增幅不大，各輔助系統運行正常?？梢?，2號機組甩負荷對1號機組產生了一定的影響，但1號機組仍能保持安全穩定運行，水力干擾試驗成功。

與模擬計算結果相比較，1號機組實測蝸殼壓力最大值、尾水管進口壓力最小值與模擬計算結果基本一致，2號機組實測蝸殼壓力最大值比模擬計算結果稍大，尾水管進口壓力最小值比模擬計算結果偏小，這可能與模擬計算不能算出壓力脈動，而結果修正時計入的壓力脈動量偏小有關。1號機組發電機出力實測值376.1MW比模擬計算結果404.8MW要小，這與模擬計算時假定導葉開度不變，而試驗時調速器處于功率模式有關。當調速器處于功率模式時，是以有功功率信號作為反饋信號，若功率反饋值與設定值存在偏差，則會相應地調整導葉開度。2號機組GCB分閘甩負荷后，導葉快速關閉導致蝸殼進口出現水錘壓力波，水錘壓力波向上游壓力鋼管傳播，由于1號與2號機組采用一管雙機布置，1號機組蝸殼進口壓力增大，導致水泵水輪機的工作水頭上升，水泵水輪機的出力也上升，也即發電機出力增大，因為1號機組調速器處于功率模式，此時導葉會相應關閉，因此，1號機組蝸殼進口壓力出現最大值時，因為導葉開度的減小，從而使得發電機最大出力值比模擬計算值要小。此外，1號發電機出力第二次峰值與壓力鋼管的調壓井有關，若沒有調壓井則1號發電機出力最大值肯定要比實測值要大得多。還有，1號發電機出力最大值與運行水頭和2號機組導葉關閉規律有關。這些對發電機過負荷保護的定值設置提高了要求[6]，既要避免發電機定子電流過大損害發電機，又要避免1號機組輕易發生非計劃停機。

4 結論

（1）介紹了水電機組過渡過程計算常用的特征線法，針對某抽水蓄能電站一管雙機水力干擾模擬計算結果和真機試驗進行了詳細分析，結果發現兩臺機組的蝸殼進口壓力最大值、尾水管進口壓力最小值、轉速上升率等滿足設計要求，發電機最大出力滿足相關標準要求。2號機組甩負荷對1號機組產生了一定的影響，但1號機組仍能保持安全穩定運行，水力干擾試驗成功。

（2）該電站水力干擾試驗的方法和結果可為其他抽水蓄能電站開展類似試驗時提供參考借鑒。

（3）該電站模擬計算結果用來校核機組運行穩定性是可信的，該電站過渡過程計算模型的建立和計算方法可以為校核新建電站的設計及已投運機組的運行穩定性提供技術參考。