抽水蓄能電站輸水系統上游調壓室設置條件研究

宮 奎，王 玨，李云龍，柴建峰，楊 靜

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能電站在目前智能電網的發展中擁有著不可替代的作用，由于抽水蓄能電站自身的特點，輸水系統作為鏈接上、下水庫的“通道”，其重要性不言而喻。但抽水蓄能電站輸水系統普遍較長，通常設置調壓室來改善輸水系統的運行條件，由于歷史及認知所限，涉及上游調壓室設置判別的因素條件較少，在工程實踐中，常常還需要綜合遇到的實際情況初判、復判等加以靈活運用，部分工程項目在現初期設計時采用了調壓室設置，在工程后期經論證、優化后進行了取消。對于常規水電站上游調壓室設置條件，前人已做過深入研究，但對抽水蓄能電站調壓室設置判據研究較少，為此結合目前抽水蓄能電站實際情況對相關設置判據進行研究是有必要的。

1 上游調壓室設置條件

多年來，抽水蓄能電站上游調壓室設置與否沿用的是《水電站調壓室設計規范》（DL/T 5058—1996 ），在前期論證工作中，作為工程前期初設時估算使用，后被《水電站調壓室設計規范》（NB/T 35021—2014）取代。在2014版規范3.2.1和3.3.1章節中，分別從電站調節保證安全性和調節穩定性兩個方面對抽水蓄能電站的上游調壓室設置進行了規定。現列舉如下：

（1）設置上游調壓室初步判別條件：按壓力管道中水流慣性時間常數Tw作初步判別[1]。

[Tw]為Tw的允許值，一般取2～4s。[Tw]的取值隨電站在電力系統中的作用而異[2]，當水電站作孤立運行，或機組容量在電力系統中所占的比重超過50%時，宜用小值；當比重小于10%～20%時可取大值[3]。

（2）電站運行穩定性與水流慣性時間常數Tw、機組加速時間常數Ta等密切相關，可按式（3）或者按圖1“Tw-Ta與調速性能關系圖”，對是否需要設置調壓室進行初步判斷[4]。

當不滿足式（3）時，可以按照圖1所示關系圖進行初步判斷：當處在①區可不設調壓室，處在③區須設置調壓室，處在②區需詳細研究設置調壓室的必要性。

2 實際工程調壓室設置

通過對國內部分抽水蓄能電站進行調研，經收集、整理、分析，得到這些電站上游調壓室設置情況統計。根據各電站相關報告、圖紙等資料，分別針對不設置上游調壓室、設置上游調壓室情況，計算得出各電站水流慣性時間常數和機組加速時間常數[5]，計算結果見表1。其中水流慣性時間常數為未考慮調壓室情況的計算值。

圖1 Tw-Ta與調速性能關系圖Figure 1 Relationship between Tw-Ta and speed regulation performance

同時，根據計算情況，將表1中計算的值，按照圖1原則，對應放到上述三個區域中，可以得到這些電站的Tw-Ta分布圖。

表1 部分抽水蓄能電站Tw、Ta及調壓室設置情況Table 1 Tw、Ta and surge chamber settings of some pumped storage power stations

續表

圖2 部分抽水蓄能電站Tw-Ta分布圖Figure 2 Tw-Ta distribution diagram of some pumped storage power stations

根據表1和圖2結果，經分析可以看出：

（1）從調節保證參數角度考慮。

按照[Tw]為Tw的允許值，一般取2～4s原則，在統計電站中不存在規范中規定的水流慣性時間超過4s、必須設置上游調壓室的情況，大多數電站按照現行原則對調壓室進行設置，個別電站在工程前期如可行性研究報告等中保留上游調壓室的設置，多為考慮調節品質保證、地形地質影響等因素印象[6]，在后續設計及工程實踐中，需經綜合論證后得出推薦方案。

（2）調節品質角度分析。

從圖2中可以，在進行統計、分析的19個電站中，絕大多數電站均處于調節性能良好的區域，個別電站位于比較接近較好、良好區域分界線區域。在接近分界線、調節較好的電站里，也大多設置了上游調壓室。

3 從甩負荷試驗、機組參數設計值等情況分析

通過抽水蓄能電站甩負荷試驗，甩負荷后機組各項指標情況變化方面，可以將試驗結果與調保計算成果對比分析，復核抽水蓄能電站輸水系統、球閥等抗沖擊能力，檢驗調速系統的動態調節性能，驗證機組蝸殼壓力上升、機組轉速率等設計情況，以及與規范的吻合程度等情況，對于抽水蓄能電站的安全穩定運行具有重大意義[7]。

本文通過部分抽水蓄能電站的雙機甩負荷試驗實測數據和運行參數對比，用以分析上游調壓室設置判據的適用情況，相關雙機甩負荷試驗結果以及設定的機組允許出現的極限值見表2。電站甩負荷試驗蝸殼壓力限定、轉速上升限定值對比見圖3和圖4。

表2 部分抽水蓄能電站甩負荷試驗參數Table 2 Load rejection test parameters of pumped storage power station

圖3 甩負荷試驗蝸殼壓力與限定值對比Figure 3 The volute pressure of load rejection test compared with limit value

通過試驗實測數據和合同中規定的極限運行參數對比，可以計算出電站甩負荷時蝸殼壓力的安全裕度。安全裕度是體現電站調節保證設計水平的重要指標[7]。結合圖2 部分抽水蓄能電站Tw-Ta分布圖可知：

（1）對于處于或接近調節性能較好區域的抽水蓄能電站，均設置了上游調壓室，相關抽水蓄能電站安全裕度相對適中。

（2）對于處于調節性能良好區域的抽水蓄能電站，設置了上游調壓室。

（3）對于其余電站，均未設置上游調壓室。

從上述分析中可以得出，按照調壓室設計規范進行調壓室設置的電站，在開展甩負荷試驗時，其安全裕度是在合理范圍內[8]。

圖4 甩負荷試驗機組轉速與限定值對比Figure 4 The unit speed of the load rejection test compared with the limit value

4 結束語

（1）關于抽水蓄能電站上游調壓室的設置判定問題，現行調壓室設計規范已經給出了相對清晰合理的界定。上游調壓室的判定條件已經沿用近三十年，經已建電站驗證較為合理。

（2）通過工程實際情況與規范對比分析可以看出，現行的上游調壓室設計規范基本能夠滿足抽水蓄能電站調節保證要求，Tw值滿足要求可以作為上游調壓室設置必要條件進行初判斷，調節穩定性滿足要求是調壓室設置的制約因素，但Tw判斷方法并非是構成抽水蓄能電站設置調壓室與否的唯一決定性因素。

（3）部分電站在工程前期設計中，經Tw公式初判時處于2s附近時，在經工程布置、調保計算等其他工作論證后仍需設置上游調壓室的工程，在甩負荷實驗時安全裕度有富裕，但調節品質明顯轉好。

（4）在具體的工程實踐中，為保障抽水蓄能電站的安全穩定運行，上游調壓室的設置問題，需綜合工程規劃、地形地質、樞紐布置、施工、造價及運維便利等多方面考慮，結合過渡過程計算成果、模型試驗等進行充分論證后謹慎實施。