抽水蓄能電站過渡過程雙軟件反演分析

周喜軍，楊 靜，丁景煥，韓文福，郭 鵬，魏 歡，李東闊

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引 言

大規(guī)模可再生新能源并網(wǎng)已成為當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。但新能源發(fā)電具有出力隨機(jī)、波動性大等特征，嚴(yán)重影響大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和供電質(zhì)量。抽水蓄能機(jī)組具有啟停迅速和調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)點(diǎn)，能快速有效地跟蹤、響應(yīng)電網(wǎng)的波動負(fù)荷，是構(gòu)建能源轉(zhuǎn)型的現(xiàn)代電網(wǎng)必不可少的工具。

電站運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換過程稱為過渡過程。抽水蓄能電站正是通過頻繁的機(jī)組啟停、增減負(fù)荷等工況轉(zhuǎn)換過渡過程在電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。但運(yùn)行經(jīng)驗表明，水電站機(jī)組及其附屬設(shè)備的事故，大多是在過渡過程中發(fā)生的。可見，過渡過程的穩(wěn)定性關(guān)系到整個電站的運(yùn)行安全。與常規(guī)水電站在電網(wǎng)中主要承擔(dān)發(fā)電任務(wù)不同，抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的任務(wù)包括抽水、發(fā)電、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等，各種運(yùn)行工況下的排列組合高達(dá)20余種。且抽水蓄能機(jī)組受電站長輸水系統(tǒng)布置、水泵水輪機(jī)全特性、狹長的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流道、甩負(fù)荷流量多峰性等多種因素影響，其過渡過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)水電站。設(shè)計及運(yùn)行控制難度較高，稍有不當(dāng)均有可能引發(fā)嚴(yán)重事故。

過渡過程數(shù)值計算是目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的過渡過程分析方法，通過計算可對電站水力系統(tǒng)的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行判斷[1]。許多研究單位都編制了專門的過渡過程計算程序?qū)υ搯栴}進(jìn)行研究。為保證采用不同軟件進(jìn)行電站過渡過程設(shè)計的可靠性，水利水電規(guī)劃設(shè)計總院專門對抽水蓄能電站的過渡過程計算提出具體要求，抽水蓄能電站在電站從預(yù)可行性研究至投運(yùn)的每個階段都需要依據(jù)不少于兩款過渡過程計算軟件來共同開展電站過渡過程計算，確保設(shè)計安全。

通過咨詢調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在所有的計算軟件中，SIMSEN是國內(nèi)外各大機(jī)組制造廠商普遍認(rèn)可且采用較多的軟件，而國內(nèi)的浪淘石在電站設(shè)計過程中也應(yīng)用較多，因此本文的研究工作也基于SIMSEN和浪淘石兩款計算軟件平臺開展。

為進(jìn)一步提高軟件計算過渡過程結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)來對比并修正過渡過程計算結(jié)果顯然是從根本上提高計算準(zhǔn)確性的有效手段。反演分析技術(shù)就是利用電站投產(chǎn)后現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果來驗證數(shù)值計算結(jié)果的一種方法[2]。反演分析一方面可為計算分析提供準(zhǔn)確的修正量，指導(dǎo)提高過渡過程的設(shè)計，另一方面可對已完成的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，增強(qiáng)技術(shù)管理人員的把關(guān)能力，將運(yùn)行期的過渡過程事故經(jīng)驗有效反饋至前期設(shè)計階段，深化對過渡過程認(rèn)識的精細(xì)程度[3]。

可見，結(jié)合反演計算深入研究計算與實(shí)測運(yùn)行中的差異對揭示過渡過程本質(zhì)是必不可少的。本文即采用這種結(jié)合電站現(xiàn)場實(shí)測的過渡過程數(shù)據(jù)與SIMSEN和浪淘石兩款過渡過程計算軟件結(jié)果進(jìn)行對比的反演分析方法，擬通過細(xì)致的反演分析研究，提高過渡過程的計算精確度，促進(jìn)電站全壽命周期的過渡過程設(shè)計安全性，形成對工程應(yīng)用的有效指導(dǎo)，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電站主要參數(shù)

實(shí)測電站的主要參數(shù)及機(jī)組參數(shù)見表1。

實(shí)測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的對比是反演分析技術(shù)的核心。本文中反演分析對比數(shù)據(jù)主要考慮三個最為重要的過渡過程控制參數(shù)，其要求如下：

（1）蝸殼進(jìn)口最大壓力不大于887m。

（2）最大轉(zhuǎn)速上升率不大于50%。

（3）尾水管進(jìn)口最小壓力不小于0m。

2 反演分析方法

過渡過程現(xiàn)場試驗中通過壓力信號采集方法獲得壓力變化數(shù)據(jù)。壓力數(shù)據(jù)中包括脈動和誤差。而過渡過程計算軟件均基于一維計算理論，受其限制，計算結(jié)果得到的是壓力均值的變化曲線，不包含脈動壓力及計算誤差，二者直接進(jìn)行對比不利于對結(jié)果的精細(xì)分析。因此，首先對獲得的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了信號分解處理。所用分解方法為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition[4]，EMD）。

EMD方法是一種將非線性、非平穩(wěn)信號分解成一系列調(diào)頻調(diào)幅信號的自適應(yīng)分解方法。可將壓力信號分解為趨勢項和脈動項，其中趨勢項代表壓力波動均值。如圖1所示給出了甩負(fù)荷過渡過程蝸殼進(jìn)口壓力的實(shí)測數(shù)據(jù)分解成均值壓力趨勢線和脈動壓力的結(jié)果，分解后獲得的趨勢線直接與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖2所示，圖中可以看出分解后的趨勢線與計算結(jié)果二者波動趨勢及幅值基本一致，表明用實(shí)測數(shù)據(jù)分解后的趨勢線與計算結(jié)果進(jìn)行對比是可行的。圖1中分解后的脈動壓力表明甩負(fù)荷過程中脈動壓力幅值也是逐漸變化的，在接近飛逸工況時幅值最高。后期為提高計算準(zhǔn)確性，還需對實(shí)測脈動結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，以便為計算提供修正。

圖1 實(shí)測蝸殼進(jìn)口壓力經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解Figure 1 Empirical mode decomposition of measured pressure at spiral casing inlet

圖2 實(shí)測數(shù)據(jù)分解后的趨勢項與計算結(jié)果的比較Figure 2 Comparison between the trend term of the measured data and the calculated results

3 電站反演分析實(shí)例

3.1 計算模型及工況

過渡過程計算采用的SIMSEN[5]過渡過程軟件是由瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)，被國內(nèi)外多個制造廠如福伊特、東電及多所高校采用的過渡過程計算軟件。武漢大學(xué)開發(fā)的浪淘石軟件也已被國內(nèi)數(shù)十個電站采用，采用這兩個具有代表性的計算軟件開展反演分析驗證，反映過渡過程計算中的共性問題更有說服力。

基于這兩個計算軟件平臺，所建立的電站水力系統(tǒng)模型如圖3及圖4所示，模型包括上游水庫、引水管路、機(jī)組、上下游調(diào)壓室、閘門井、尾水管路，下游水庫等元件的水力系統(tǒng)。計算采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律如圖5所示，水泵斷電工況采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律與水輪機(jī)工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律相同。

因瀝青公路易受雨水侵蝕，所以需積極加強(qiáng)對其防護(hù)，在鋪設(shè)完成之后，施工技術(shù)人員需反復(fù)用瀝青及時地在公路兩側(cè)進(jìn)行涂刷，想要達(dá)到較好的防雨效果，一般需涂刷3遍以上，不然容易造成塌陷的發(fā)生。施工技術(shù)人員為了保證公路排水性能，需建造防水性能非常好的盲溝，按照實(shí)際情況進(jìn)行，可對其起到很好的防護(hù)作用。不僅如此，為了防止公路路面受到雨水對其侵蝕，進(jìn)一步提升防水性能，可在公路兩旁種植植物。

圖3 SIMSEN數(shù)值仿真計算模型Figure 3 SIMSEN calculation model

圖4 浪淘石數(shù)值仿真計算模型Figure 4 LANG TAOSHI calculation model

表2 反演分析計算工況Table 2 Back analysis compute conditions

分析工況選擇了典型的過渡過程雙機(jī)甩負(fù)荷工況及水泵斷電工況，這兩個工況的詳細(xì)信息見表2所示。基于這兩個工況的計算結(jié)果，分析機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速三個主要控制參數(shù)的實(shí)測值與計算值的差異。

3.2 雙機(jī)甩負(fù)荷工況反演計算分析

雙機(jī)甩100%負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉工況，1號和2號機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口最小壓力、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速三個控制參數(shù)計算與實(shí)測趨勢線的對比結(jié)果如圖6～圖11所示。從圖6、圖7中可以看到，兩款軟件計算的蝸殼進(jìn)口最大壓力計算值均與實(shí)測值非常接近，軟件計算的壓力均值線與實(shí)測壓力趨勢線的波動趨勢基本一致，三者吻合較好，偏差僅1%左右。由于2號機(jī)組水道略長，因此壓力值略高。相比而言，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值計算的蝸殼進(jìn)口最大壓力出現(xiàn)時間略微不同，且壓力最大值后的波動也有一定差異。這可能是由于過渡過程計算中設(shè)置的波速與實(shí)際電站流道中波速不一致造成的壓力傳播差異，但該差別并不影響電站的安全性。

圖5 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 5 Guide vane closing law

圖6 雙甩1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力對比Figure 6 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 1# unit at load-rejection

圖7 雙甩2號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力對比Figure 7 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 2# unit at load-rejection

機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值計算結(jié)果與實(shí)測值如圖8、 圖9中所示，二者的結(jié)果也非常接近，計算的機(jī)組轉(zhuǎn)速波動曲線與實(shí)測波動基本一致，尤其是在出現(xiàn)轉(zhuǎn)速極值的第一個波形，三者基本重合，偏差在1%以內(nèi)。SIMSEN軟件計算中未考慮水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（不考慮計算結(jié)果偏保守，設(shè)計更安全），因此轉(zhuǎn)速最大值略高，但最大轉(zhuǎn)速均未超過45%。可見數(shù)值計算的轉(zhuǎn)速上升極值是非常可靠的。

尾水管進(jìn)口最小壓力的波動波形如圖10、圖11所示，兩款軟件計算的結(jié)果是一致的，相對實(shí)測結(jié)果數(shù)值計算的尾水管最小壓力值更低。考慮到甩負(fù)荷后尾水管內(nèi)流動受轉(zhuǎn)輪出口漩渦及脫流的影響，流場紊亂程度較高，計算值若加上尾水管內(nèi)壓力脈動修正量后明顯會進(jìn)一步降低最小壓力值。因此該計算值偏低的結(jié)果在實(shí)際工程設(shè)計中更為合理。

圖8 雙機(jī)甩負(fù)荷1號機(jī)組轉(zhuǎn)速對比Figure 8 Measured and calculated runner speed of 1# unit at load-rejection

圖9 雙機(jī)甩負(fù)荷2號機(jī)組轉(zhuǎn)速對比Figure 9 Measured and calculated runner speed of 2# unit at load-rejection

圖10 雙甩1號機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力對比Figure 10 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 1# unit at load-rejection

圖11 雙甩2號機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力對比Figure 11 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 2# unit at load-rejection

3.3 水泵斷電工況反演計算分析

對水泵工況兩機(jī)抽水?dāng)嚯姟?dǎo)葉正常關(guān)閉的工況也進(jìn)行了反演計算及分析。對計算的蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，其值如表3所示。

從表中可以看到，對于電站1號水力單元雙機(jī)切泵工況，兩款軟件計算的蝸殼進(jìn)口最大壓力值比較接近，但與實(shí)測值均有3%左右的偏差，數(shù)值軟件的計算值均偏高。蝸殼進(jìn)口最小壓力極值的計算結(jié)果中，SIMSEN軟件的計算結(jié)果與實(shí)測相差不超過2m，基本可視為一致，浪淘石軟件也僅存在2%左右的誤差。

尾水管進(jìn)口最小壓力計算結(jié)果也與實(shí)測值比較接近，但數(shù)值計算值更低，設(shè)計偏安全。從尾水管進(jìn)口最大壓力值的比較可以看出，SIMSEN的計算結(jié)果基本與實(shí)測一致，浪淘石的計算結(jié)果相差5m左右，偏差4%。

機(jī)組轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果預(yù)見了機(jī)組在水泵斷電的時候1號和2號機(jī)組均出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最大上升值計算結(jié)果也與實(shí)測值非常接近，分別達(dá)到462.7r/min和492.9r/min，與實(shí)測結(jié)果基本一致。

表3 1號和2號機(jī)組抽水?dāng)嚯姽r試驗與計算結(jié)果分析Table 3 Measured and calculated results of two Units pumping emergency shutdown（ESD）

續(xù)表

4 計算與實(shí)測偏差原因分析

（1）數(shù)值計算結(jié)果中未考慮實(shí)際流場中的壓力脈動影響是造成二者偏差的主要原因。

從圖1的實(shí)測壓力數(shù)據(jù)分解也可以看出，過渡過程工況壓力脈動值是變化的，因此確定一個工況的合理取值存在難度。目前工程中蝸殼進(jìn)口最大壓力僅粗略取值為5%～7%、電站尾水管進(jìn)口最小壓力取值為2%～3.5%。合理的壓力脈動修正量如何選取尚未有定論。

另一方面實(shí)測壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也需進(jìn)一步確認(rèn)。如目前尾水管進(jìn)口壓力測量通常僅在錐管一側(cè)安置傳感器。但在過渡過程紊亂的尾水管流場中，選擇單一測點(diǎn)的脈動作為整個截面脈動的參考其準(zhǔn)確性存疑。且傳感器的安置方式也會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這些均為計算修正量的準(zhǔn)確確定帶來不利影響。

因此，基于實(shí)測結(jié)果對計算進(jìn)行修正需要首先確保實(shí)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，其次通過不同工況的綜合分析合理確定修正量，為計算結(jié)果的反演分析提供更有效的指導(dǎo)。

（2）數(shù)值計算中的參數(shù)設(shè)置也是造成二者差異的一個重要因素。

如流道不同位置波速的設(shè)置。抽水蓄能電站一般為高水頭電站，最大水錘壓強(qiáng)出現(xiàn)在第一相末，波速對最大壓力結(jié)果存在一定的影響[6]。但真實(shí)流場的波速難以通過實(shí)測獲得，計算中波速一般根據(jù)流道特性及計算人員的經(jīng)驗在1000～1400m/s之間取值，對計算結(jié)果帶來一定的誤差。

其次，水力系統(tǒng)中通常用當(dāng)量直徑代替過流斷面變化的流道。如抽水蓄能電站進(jìn)出水口、蝸殼、尾水管等都需要進(jìn)行當(dāng)量。采用不同的非均勻圓管當(dāng)量直徑計算方法得出的結(jié)果并不相同，影響流場計算結(jié)果[7]。

另外，調(diào)壓室和閘門井阻抗孔損失系數(shù)以及流道不同部位流動損失的確定也會影響波動幅值和衰減速度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面，合理取值也對水力過渡過程計算十分關(guān)鍵[8-9]。其確定方法也有待進(jìn)一步研究確定。

5 結(jié)論

本文結(jié)合具有代表性的雙機(jī)甩負(fù)荷過渡過程工況和抽水?dāng)嚯姽r，介紹了基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析數(shù)值計算結(jié)果的反演分析方法。

分析結(jié)果表明，所采用的兩款數(shù)值計算軟件均能反映過渡過程工況的關(guān)鍵控制參數(shù)變化，計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的趨勢線基本一致。驗證了前期采用計算軟件進(jìn)行過渡過程預(yù)測的合理性。

分析了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與計算參數(shù)設(shè)置可能是造成計算與實(shí)測結(jié)果之間存在偏差的主要原因。但總體而言，偏差在工程應(yīng)用可接受的范圍內(nèi)。

后續(xù)還將通過更多電站更多工況的反演計算，系統(tǒng)的研究設(shè)計值、實(shí)測值與計算值的差異。提高實(shí)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，為過渡過程計算結(jié)果提供準(zhǔn)確的修正，提高預(yù)測的可靠性。為更合理的進(jìn)行抽水蓄能電站的過渡過程設(shè)計提供有效指導(dǎo)。