抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況雙機(jī)同甩組合工況研究

張 飛，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

我國運(yùn)行和在建大型抽水蓄能機(jī)組輸水系統(tǒng)普遍采用“一管多機(jī)”方式，如浙江仙居[1]、江西HP[2]等采用一管兩機(jī)方式，浙江天荒坪[3]、海南瓊中[4]等采用“一管三機(jī)”方式，廣東清遠(yuǎn)[5]采用“一管四機(jī)”方式等。其中，尤以“一管兩機(jī)”式抽水蓄能電站最多。抽水蓄能電站在不同階段均需要對(duì)機(jī)組大波動(dòng)過程進(jìn)行水力過渡計(jì)算以實(shí)現(xiàn)電站和機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。根據(jù)我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10072—2018[6]，抽水蓄能電站水力過渡過程計(jì)算應(yīng)準(zhǔn)確模擬輸水系統(tǒng)水力特性和機(jī)組特性，合理擬定計(jì)算工況。引水系統(tǒng)采用“一管兩機(jī)”、尾水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一洞”時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電工況同時(shí)甩負(fù)荷的基本設(shè)計(jì)工況為不同水位組合下的額定負(fù)荷工況，即額定負(fù)荷時(shí)“2臺(tái)→0”。因此對(duì)于該型式抽水蓄能電站，針對(duì)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷工況（以下簡(jiǎn)稱雙機(jī)同甩），設(shè)計(jì)單位、主機(jī)制造單位和第三方水力過渡過程計(jì)算單位普遍只計(jì)算兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩額定負(fù)荷工況。規(guī)程規(guī)范默認(rèn)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時(shí)蝸殼進(jìn)口和尾水進(jìn)口壓力達(dá)到極值，然而，事實(shí)確是如此嗎？

“一管兩機(jī)”方案中，兩臺(tái)機(jī)組并不總是負(fù)荷相等，如一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行于100%Pe、另一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行于80%Pe，一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行于100%Pe、另一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷等。目前抽水蓄能機(jī)組普遍投入成組控制，機(jī)組處于自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)模式運(yùn)行，參與調(diào)頻機(jī)組的負(fù)荷隨時(shí)發(fā)生波動(dòng)，且抽水蓄能機(jī)組多采用單元接線方式，當(dāng)發(fā)生電氣故障時(shí)，如500kV開關(guān)跳閘、主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作等情況，將造成同一流道多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩不同負(fù)荷。在這些工況下如果兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷，是否這一情形較雙機(jī)甩額定負(fù)荷惡劣，其本意是從風(fēng)險(xiǎn)較低向較高方向執(zhí)行雙機(jī)同甩試驗(yàn)，各單位均未對(duì)這一組合負(fù)荷工況進(jìn)行校核（以下稱“一管兩機(jī)”同時(shí)甩不同負(fù)荷為組合工況）。同時(shí)，我們注意到，目前抽水蓄能機(jī)組普遍在調(diào)試或者竣工驗(yàn)收階段要求做雙機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)，此時(shí)普遍做法是從雙機(jī)同甩50%、75%和100%負(fù)荷依次執(zhí)行，然而對(duì)于特定電站，是雙機(jī)同甩50%的風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)低于雙機(jī)同甩100%的風(fēng)險(xiǎn)？

基于以上問題，本文選取具有截然不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的三座典型“一管兩機(jī)”式抽水蓄能電站，針對(duì)水力過渡過程進(jìn)行建模，采用實(shí)際所用導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)雙機(jī)同甩組合工況進(jìn)行計(jì)算并分析，以期回答上述問題。

1 計(jì)算模型

1.1 軟件平臺(tái)

本文研究采用為SIMSEN軟件平臺(tái)。SIMSEN是瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)的一款用于電網(wǎng)、變速驅(qū)動(dòng)設(shè)備和水力系統(tǒng)分析的仿真計(jì)算軟件，該軟件在抽水蓄能機(jī)組過渡過程計(jì)算方面得到了世界范圍內(nèi)普遍驗(yàn)證[7-9]。

1.2 機(jī)組參數(shù)

本研究針對(duì)三個(gè)典型電站的輸水系統(tǒng)及機(jī)組進(jìn)行建模，分別是HP電站1號(hào)流道與1/2號(hào)機(jī)組、HMF電站2號(hào)流道3/4號(hào)機(jī)組和YX電站2號(hào)流道3/4號(hào)機(jī)組，分別采用一段式、兩段式和三段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。HP電站與YX電站上游管路為“一管兩機(jī)”共用一個(gè)上游調(diào)壓井，下游管路亦為“一管兩機(jī)”共用一個(gè)尾水調(diào)壓井；HMF電站上游側(cè)管路為“一管兩機(jī)”共用一個(gè)上游調(diào)壓井，下游側(cè)“單管單機(jī)”分設(shè)各自調(diào)壓井。三個(gè)電站與機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律分別如圖1所示，SIMSEN環(huán)境下的計(jì)算模型分別如圖2所示，全特性曲線分別如圖3所示。

表1 電站及機(jī)組關(guān)鍵特征參數(shù)Table 1 Key parameters of power plants and units

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 1 Closing laws of guide vane

1.3 計(jì)算設(shè)置

為研究三個(gè)電站實(shí)際工作狀態(tài)下雙機(jī)甩不同負(fù)荷時(shí)的狀態(tài)，在實(shí)際圖1所示導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律情況下，各站各選取一個(gè)典型上下庫水位進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算水位如表2所示。

表2 計(jì)算工況對(duì)應(yīng)水位Table 2 Water levels of calculations

雙機(jī)同甩時(shí)各臺(tái)機(jī)組所帶負(fù)荷組合為（50%～100%）Pe（額定負(fù)荷），每臺(tái)機(jī)組負(fù)荷組合步長(zhǎng)為5%Pe，每個(gè)電站共計(jì)算100個(gè)雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況。

為保證建模準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與制造廠、設(shè)計(jì)院和其他單位所出具報(bào)告中的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，采用SIMSEN建模獲得的結(jié)果與相應(yīng)報(bào)告結(jié)果偏差小于1%，表明程序可靠。

2 計(jì)算結(jié)果

雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況下，HP、HMF和YX三個(gè)電站蝸殼進(jìn)口壓力最大值和尾水出口壓力最小值計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

針對(duì)計(jì)算特征水位下，雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時(shí)蝸殼進(jìn)口最大壓力，從圖4可見：

（1） HP電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口壓力近似隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力分別達(dá)到最大值，這表明對(duì)于HP電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險(xiǎn)工況。

（2） HMF電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，在雙機(jī)同甩67%Pe時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力達(dá)到最大值，其中3號(hào)機(jī)組為465.34m，而雙機(jī)同甩100%Pe時(shí)3號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大值為450.39m，偏差為14.95m；這表明對(duì)于HMF電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷不是雙甩組合工況中的最危險(xiǎn)工況。

（3）YX電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口壓力隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力分別達(dá)到最大值，這表明對(duì)于YX電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險(xiǎn)工況。

針對(duì)計(jì)算特征水位下，雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時(shí)尾水進(jìn)口最小壓力，從圖5可見：

圖2 SIMSEN計(jì)算模型Figure 2 Calculation models in SIMSEN

（1） HP電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，尾水管進(jìn)口壓力的最小值并未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對(duì)本臺(tái)機(jī)組而言，本臺(tái)機(jī)組帶100%Pe，相鄰機(jī)組帶70%Pe，此時(shí)雙機(jī)同甩時(shí)本臺(tái)機(jī)組尾水進(jìn)口壓力達(dá)到最小值；兩臺(tái)機(jī)組尾水進(jìn)口最小值發(fā)生在1號(hào)機(jī)組70%Pe、2號(hào)機(jī)組100%Pe時(shí)，此時(shí)1號(hào)機(jī)組尾水進(jìn)口最小值為20.78m，該值較雙機(jī)同甩100%Pe時(shí)尾水進(jìn)口壓力最小值37.17m小16.39m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院《暫行規(guī)定》[10]，考慮3%的壓力脈動(dòng)修正和10%的計(jì)算誤差，修正后尾水進(jìn)口壓力最小值為-1.42m，顯然該值已不滿足調(diào)節(jié)保證要求。考慮到實(shí)際僅對(duì)一個(gè)水位組合下的雙機(jī)同甩工況進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際其他水頭組合下雙機(jī)同甩時(shí)尾水進(jìn)口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，因此HP電站現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高雙機(jī)同甩時(shí)尾水進(jìn)口壓力數(shù)值，排除水柱分離的隱患。

（2）HMF電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，尾水管進(jìn)口壓力的最小值亦未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對(duì)本臺(tái)機(jī)組而言，本臺(tái)機(jī)組帶80%Pe，相鄰機(jī)組帶69%Pe，此時(shí)雙機(jī)同甩時(shí)本臺(tái)機(jī)組尾水進(jìn)口壓力達(dá)到最小值；兩臺(tái)機(jī)組尾水進(jìn)口最小值發(fā)生在4號(hào)機(jī)組80%Pe、3號(hào)機(jī)組69%Pe時(shí)，此時(shí)4號(hào)機(jī)組尾水進(jìn)口最小值為14.99m，該值較雙機(jī)同甩100%Pe時(shí)尾水進(jìn)口壓力最小值39.89m小24.90m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院《暫行規(guī)定》[10]，修正取甩前凈水頭2%的壓力脈動(dòng)和5%壓力下降值的計(jì)算誤差，修正后的尾水進(jìn)壓力為5.95m，已經(jīng)小于保證值；如果修正取甩前凈水頭3.5%的壓力脈動(dòng)和10%壓力下降值的計(jì)算誤差，修正后的尾水進(jìn)壓力為-1.57m；考慮到實(shí)際僅對(duì)一個(gè)水位組合下的雙機(jī)同甩工況進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際其他水頭組合下雙機(jī)同甩時(shí)尾水進(jìn)口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，這表明，HMF電站在雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時(shí)尾水管進(jìn)口壓力已不滿足合同保證值的要求，可能處于危險(xiǎn)邊緣中。

（3）YX電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力的最小值均發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況，最小值為41.82m；雙機(jī)同甩時(shí)尾水進(jìn)口壓力最小值趨勢(shì)與目前認(rèn)知相符；YX電站尾水進(jìn)口壓力最小值裕量較大。

圖3 全特性曲線Figure 3 Four-quadrant characteristic curves

圖4 蝸殼進(jìn)口壓力最大值計(jì)算結(jié)果Figure 4 Calculation results of maximum pressure for spiral case inlet

圖5 尾水進(jìn)口壓力最小值計(jì)算結(jié)果Figure 5 Calculation results of minimum pressure for draft tube inlet

從圖4和圖5中亦可見：雙機(jī)同甩組合工況時(shí)，同一流道中的兩臺(tái)機(jī)組其壓力極值并不相等，如HP電站1號(hào)流道中1號(hào)機(jī)組100%Pe、2號(hào)機(jī)組60%Pe時(shí)雙機(jī)同甩所獲得的1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值與2號(hào)機(jī)組100%Pe、1號(hào)機(jī)組60%Pe所計(jì)算出的2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值并不相等，其原因主要是流道差異導(dǎo)致。

3 引發(fā)問題

從第二節(jié)分析結(jié)果可見，雖然某些抽水在雙機(jī)同時(shí)甩特定負(fù)荷組合時(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)。甩負(fù)荷時(shí)，尾水錐管內(nèi)必然存在空化[11，12]，空化至一定程度則將產(chǎn)生水柱分離-彌合現(xiàn)象[13]，造成機(jī)組抬機(jī)等事故，因此必須控制尾水管進(jìn)口壓力。

NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)專題報(bào)告編制暫行規(guī)定（試行）的通知》（以下簡(jiǎn)稱《暫行規(guī)定》）是我國抽水蓄能電站設(shè)計(jì)的根本遵循，其中NB/T 10072—2018規(guī)定了調(diào)節(jié)保證的設(shè)計(jì)工況，而《暫行規(guī)定》則給出了蝸殼進(jìn)口壓力和尾水出口壓力的修正方法。NB/T 10072—2018中所推薦的“一管兩機(jī)”雙機(jī)同甩工況調(diào)節(jié)保證計(jì)算只包含雙機(jī)同甩額定負(fù)荷，未明確指出需要對(duì)雙機(jī)同甩負(fù)荷的組合工況進(jìn)行計(jì)算。而根據(jù)HP電站計(jì)算結(jié)果，尾水進(jìn)口最小壓力并不發(fā)生在雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況，根據(jù)HMF電站計(jì)算結(jié)果，蝸殼進(jìn)口壓力和尾水進(jìn)口壓力極值均不是發(fā)生在雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況。因此，需要對(duì)NB/T 10072—2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，明確在電站設(shè)計(jì)階段，必須對(duì)不同水位組合下雙機(jī)同甩不同負(fù)荷組合工況進(jìn)行計(jì)算，以確保所設(shè)計(jì)電站運(yùn)行安全可靠。

由于我國早期電站均存在相繼甩負(fù)荷不能滿足要求的問題，此時(shí)雙機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷成為關(guān)鍵控制工況。從一管兩機(jī)型式電站實(shí)際運(yùn)行而言，同一水力單元中每臺(tái)機(jī)組不同負(fù)荷運(yùn)行已成為常態(tài)，雙機(jī)同甩不同負(fù)荷的組合工況發(fā)生的概率遠(yuǎn)大于雙機(jī)相繼甩負(fù)荷，而早期電站設(shè)計(jì)時(shí)普遍對(duì)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況進(jìn)行校驗(yàn)，未對(duì)不同負(fù)荷的組合工況進(jìn)行校驗(yàn)，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)某些特定電站可能存在極大隱患。故應(yīng)對(duì)我國采用共水力單元的一管多機(jī)型式抽水蓄能電站進(jìn)行重新復(fù)核，以期找到最危險(xiǎn)的組合工況，避免在此組合工況下運(yùn)行，降低電站安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于運(yùn)行電站，從HP電站和HMF電站計(jì)算結(jié)果看，在雙機(jī)同時(shí)甩特定組合工況時(shí)，尾水進(jìn)口壓力已經(jīng)接近危險(xiǎn)狀態(tài)中，在現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律前提下，需采取特定運(yùn)行措施以避免雙機(jī)同甩時(shí)尾水管發(fā)生水柱分離-彌合現(xiàn)象。

由于調(diào)試抽水蓄能電站普遍進(jìn)行“一管多機(jī)”同時(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)[13，14]，而實(shí)施時(shí)普遍為每臺(tái)機(jī)組帶同等負(fù)荷，從低負(fù)荷向高負(fù)荷甩起，其本意是從低風(fēng)險(xiǎn)向高風(fēng)險(xiǎn)方向依次執(zhí)行，然而存在偏離這一風(fēng)險(xiǎn)原則的可能。而從HMF電站計(jì)算結(jié)果看，對(duì)于特定電站這種試驗(yàn)實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)改變。此時(shí)，應(yīng)在水力過渡過程計(jì)算的指導(dǎo)下合理確定“一管多機(jī)”同時(shí)甩負(fù)荷的工況點(diǎn)。這點(diǎn)對(duì)于目前正在調(diào)試電站尤為重要。

十三五期間我國開工建設(shè)了大量抽水蓄能電站，2015年開工了安徽金寨、山東沂蒙、河南天池等6座抽水蓄能電站，2016年開工了陜西鎮(zhèn)安、遼寧清原等5座抽水蓄能電站，2017年開工了河北易縣、浙江寧海等6座抽水蓄能電站，2018年開工浙江衢江、河北撫寧等5座抽水蓄能電站，2019年開工了山西垣曲、安徽桐城等4座抽水蓄能電站。這些電站普遍采用一管多機(jī)式設(shè)計(jì)方案，在基建電站轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)完成的情況下，當(dāng)對(duì)調(diào)節(jié)保證進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須對(duì)多機(jī)同甩組合工況進(jìn)行校核，以尋求最佳導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，避免蝸殼進(jìn)口壓力超過設(shè)計(jì)保證值，以及尾水管進(jìn)口斷面出現(xiàn)水柱分離-彌合現(xiàn)象。

上述問題的出現(xiàn)，對(duì)目前設(shè)計(jì)院、主機(jī)制造單位和第三方科研院所等高校調(diào)節(jié)保證計(jì)算提出了新的要求。對(duì)特定電站而言，需要加強(qiáng)雙機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷組合工況的校核，在機(jī)組水力過渡過程報(bào)告中增加不同水位組合下雙機(jī)同甩不同負(fù)荷組合工況的數(shù)值仿真，重新評(píng)估雙甩下的機(jī)組安全性，而不僅僅只計(jì)算不同水位組合下的雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況。

4 結(jié)論

本文在SIMSEN軟件平臺(tái)上，針對(duì)三座抽水蓄能電站不同的水力單元及機(jī)組進(jìn)行建模，探討了“一管兩機(jī)”型式下雙機(jī)同時(shí)甩不同負(fù)荷工況下的蝸殼進(jìn)口最大壓力和尾水出口最小壓力的分布情況，獲得以下結(jié)論：

（1） 對(duì)于某些抽水蓄能電站，雙機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大壓力和尾水進(jìn)口最小壓力并不出現(xiàn)在雙機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷工況。

（2） 應(yīng)研究蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水進(jìn)口最小壓力與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、機(jī)組全特性曲線、流道水力參數(shù)等因素的影響關(guān)系，以有效指導(dǎo)調(diào)節(jié)保證計(jì)算。

（3） 在運(yùn)抽水蓄能電站需校核雙機(jī)同時(shí)甩不同負(fù)荷時(shí)的調(diào)節(jié)保證參數(shù)，以指導(dǎo)電站優(yōu)化運(yùn)行。

（4） 在建電站調(diào)節(jié)保證參數(shù)優(yōu)化時(shí)需充分考慮雙機(jī)同時(shí)甩不同負(fù)荷工況，導(dǎo)葉關(guān)閉優(yōu)化應(yīng)考慮這些工況。

（5） 調(diào)試電站在“一管兩機(jī)”同時(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)施前應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果合理選擇負(fù)荷點(diǎn)。

（6）建議修訂NB/T 10072—2018，明確“一管兩機(jī)”型式抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證的基本設(shè)計(jì)工況應(yīng)包含雙機(jī)同時(shí)甩不同負(fù)荷的組合工況。