抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程相關(guān)計(jì)算工況研究

江獻(xiàn)玉，王 玨，韓 標(biāo)，杜克楠，凌 超

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司十三陵蓄能電廠，北京市 102213）

近年來(lái)伴隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)抽水蓄能電站事業(yè)相應(yīng)發(fā)展很快，相關(guān)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)形成了豐富積累，但其中也面臨著一些新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如何更好地做好抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算就是其中之一。抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組需兼顧抽水、發(fā)電雙向運(yùn)行，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成為確保機(jī)組安全運(yùn)行的重要前提[1]，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算影響抽水蓄能電站機(jī)組安裝高程、壓力管道參數(shù)以及調(diào)壓室是否設(shè)置等，但過(guò)渡過(guò)程計(jì)算工況繁多、工作量巨大、設(shè)計(jì)有效保障難度大[2]，特別是電站設(shè)計(jì)初期，合適的計(jì)算工況選擇對(duì)電站設(shè)計(jì)方案的確定非常重要，任何考慮因素的偏差都會(huì)影響設(shè)計(jì)的結(jié)果。

1 研究背景

1.1 行業(yè)規(guī)定

在抽水蓄能電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算作為電站設(shè)計(jì)方案的一種重要校核方式，是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。2013年頒布的《水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算專題報(bào)告編制暫行規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《暫規(guī)》）更加明確了其重要性[3]，《暫規(guī)》第15條規(guī)定“在調(diào)節(jié)保證專題設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)至少采用兩種不同計(jì)算軟件進(jìn)行對(duì)比分析，且設(shè)計(jì)單位應(yīng)有獨(dú)立的分析成果”。因此，在進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí)，必須應(yīng)用不同軟件反復(fù)進(jìn)行復(fù)核比對(duì)，以確保設(shè)計(jì)合理可靠。

1.2 工況類型

《暫規(guī)》對(duì)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的工況進(jìn)行了界定，它將計(jì)算工況分為設(shè)計(jì)工況和校核工況[3]。

（1）設(shè)計(jì)工況。

在電站正常運(yùn)用范圍內(nèi)不利的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算邊界條件下，電站正常運(yùn)用（包括開(kāi)停機(jī)、增減負(fù)荷、正常工況轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)定運(yùn)行等狀態(tài)）或正常運(yùn)用時(shí)考慮一個(gè)偶發(fā)事件（設(shè)備故障、電力系統(tǒng)故障等）引起的過(guò)渡工況。

（2）校核工況。

在正常運(yùn)用條件下，考慮兩個(gè)相互獨(dú)立的偶發(fā)事件引起的過(guò)渡工況。過(guò)渡過(guò)程計(jì)算過(guò)程中一般不考慮三個(gè)獨(dú)立的偶發(fā)事件或設(shè)備故障疊加引起的過(guò)渡過(guò)程工況。

在進(jìn)行輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，承載能力極限狀態(tài)持久狀況的基本組合中，采用的相關(guān)參數(shù)為水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算設(shè)計(jì)工況成果；承載能力極限狀態(tài)偶然狀況偶然組合中，采用的相關(guān)參數(shù)為水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算校核工況成果。

1.3 計(jì)算現(xiàn)狀

過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，是在保證工程安全的前提條件下，以工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理為目標(biāo)，結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程模擬研究，確定輸水發(fā)電系統(tǒng)大波動(dòng)控制性參數(shù)（過(guò)渡過(guò)程計(jì)算值），評(píng)價(jià)小波動(dòng)穩(wěn)定性，必要時(shí)提出合理的運(yùn)行限制措施[4]。調(diào)節(jié)保證工況研究時(shí)，應(yīng)考慮過(guò)渡過(guò)程計(jì)算可能出現(xiàn)的工況，確定過(guò)渡過(guò)程計(jì)算值的控制工況。

過(guò)渡過(guò)程計(jì)算必須重視工況的選擇，不同工況選擇會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的控制值，進(jìn)而影響電站的總體設(shè)計(jì)。在抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中，通過(guò)改變水位、偶發(fā)事件和功率等因素，可以找到無(wú)數(shù)種工況組合[5]，部分抽水蓄能電站的過(guò)渡過(guò)程主要工況就可以達(dá)到數(shù)十種，工況眾多、控制工況選擇困難等問(wèn)題更加突出。

在眾多工況中，相當(dāng)一部分工況不會(huì)對(duì)電站安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[6]，但在一些極端小概率工況下（例如機(jī)組相繼甩負(fù)荷工況等），電站過(guò)渡過(guò)程的特征值可能會(huì)遠(yuǎn)超出控制范圍要求。選取不當(dāng)可能會(huì)造成控制參數(shù)選擇有誤，或可導(dǎo)致強(qiáng)度裕度不夠而發(fā)生事故[7]。如果以極端小概率工況為基礎(chǔ)進(jìn)行電站設(shè)計(jì)，電站投資可能會(huì)成倍增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電站的經(jīng)濟(jì)性[8]。因此，針對(duì)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算進(jìn)行計(jì)算工況區(qū)分、研究不同工況對(duì)電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果影響是很有意義的。

2 工程調(diào)研成果

2.1 控制工況調(diào)研

對(duì)國(guó)內(nèi)200～500m水頭的抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)研，搜集電站的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算報(bào)告，并從中找出了控制參數(shù)出現(xiàn)的工況。對(duì)相關(guān)電站計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，尋找調(diào)節(jié)保證控制工況規(guī)律。調(diào)研成果見(jiàn)表1。

表1 調(diào)研電站控制工況表Table 1 The control conditions of pumped storage power stations Investigated

續(xù)表

2.2 影響參數(shù)調(diào)研

對(duì)國(guó)內(nèi)已建、在建抽水蓄能電站開(kāi)展調(diào)研，通過(guò)相關(guān)資料分析過(guò)渡過(guò)程計(jì)算可能的影響參數(shù)，參數(shù)的各種組合基本涵蓋了機(jī)組的所有控制工況，在選擇抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證工況時(shí)只需要從中選擇電站控制參數(shù)出現(xiàn)的工況即可。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)最大壓力、系統(tǒng)最小壓力，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率，調(diào)壓室最高、最低涌浪等設(shè)計(jì)控制參數(shù)對(duì)電站的設(shè)計(jì)方案、工程投資影響較大，在開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)要尤為注意。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)影響參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表2。

表2 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)影響參數(shù)Table 2 Affecting parameters of unit operating status

3 控制工況分析及工況設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

3.1 蝸殼最大壓力計(jì)算工況

蝸殼末端壓力可以看作是兩部分的和，一部分是由上游水位決定的靜壓力；另外一部分是由于機(jī)組流量變化導(dǎo)致的水錘壓力。

從工況的角度來(lái)講，上游水位決定了蝸殼的靜壓力，上游水位越高靜壓力越大，因此上游水位較高的工況比較可能是蝸殼壓力上升最大的工況。另外，水錘壓力也是蝸殼末端壓力一個(gè)組成部分。簡(jiǎn)單來(lái)講，水錘壓力取決于機(jī)組流量變化率。因此，對(duì)于導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律確定的機(jī)組，初始流量越大的電站，流量變化越快，從而水錘壓力越大。

綜上所述，機(jī)組蝸殼壓力最大的工況一般出現(xiàn)在上游最高水位（或接近最高水位），同時(shí)機(jī)組流量較大的工況。比如，上游校核洪水位，機(jī)組滿輸出功率（或超輸出功率）運(yùn)行，或者上游正常蓄水位，機(jī)組滿輸出功率（或超輸出功率）運(yùn)行等。蝸殼最大壓力對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 蝸殼最大壓力對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Conditions corresponding to the maximum pressure of the volute

3.2 尾水管最小壓力計(jì)算工況

對(duì)于尾水管最小壓力的工況，與蝸殼末端最大壓力工況原理相同。一般會(huì)出現(xiàn)在電站下游死水位，電站滿負(fù)荷運(yùn)行工況。尾水管最小壓力對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

3.3 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升計(jì)算工況

針對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大的工況，規(guī)律較為統(tǒng)一，上述所有報(bào)告中均發(fā)生在機(jī)組甩負(fù)荷，導(dǎo)葉拒動(dòng)工況，而且一般為導(dǎo)葉一關(guān)一拒工況。由于水流是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，因此流量大的工況可能是機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大的工況。機(jī)組最大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

3.4 調(diào)壓室最高涌浪水位計(jì)算工況

（1）對(duì)于上游調(diào)壓室最高涌浪計(jì)算，相關(guān)規(guī)范中描述如下：上游調(diào)壓室按上庫(kù)正常蓄水位時(shí)，共用同一調(diào)壓室的（以下簡(jiǎn)稱共一調(diào)壓室）全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷，作為設(shè)計(jì)工況；按上庫(kù)校核洪水位時(shí)，相應(yīng)工況作校核。

表4 尾水管最小壓力對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)表Table 4 Conditions corresponding to the minimum pressure of draft tube

表5 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)工況統(tǒng)計(jì)表Table 5 Conditions corresponding to the maximum speed of the unit

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)上游調(diào)壓室，上述工況可以考慮作為調(diào)壓室最高水位的設(shè)計(jì)工況和校核工況。但是上述工況并不一定是上游調(diào)壓室最高涌浪發(fā)生的工況。上游調(diào)壓室的最高涌浪可考慮為如下工況：上庫(kù)校核洪水位，同一引水系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)增至額定輸出功率，流入上游調(diào)壓室流量最大時(shí)，所有機(jī)組甩負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉。

（2）對(duì)于下游調(diào)壓室最高涌浪計(jì)算，相關(guān)規(guī)范中描述如下：下游調(diào)壓室按廠房下游設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，共一調(diào)壓室的全部n臺(tái)機(jī)組由（n-1）臺(tái)增至n臺(tái)或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷突增至滿載作為設(shè)計(jì)工況，按廠房下游校核洪水位時(shí)相應(yīng)工況作校核，并復(fù)核設(shè)計(jì)洪水位時(shí)共一調(diào)壓室的全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷的第二振幅。

在常規(guī)計(jì)算中，還有兩種工況也常作為下游調(diào)壓室最高水位的計(jì)算校核工況：①尾水校核洪水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)抽水，在流入調(diào)壓室流量最大的時(shí)刻，抽水?dāng)嚯妼?dǎo)葉拒動(dòng)；②尾水校核洪水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組增負(fù)荷，在調(diào)壓室水位最高時(shí)刻，抽水?dāng)嚯妼?dǎo)葉拒動(dòng)。

3.5 調(diào)壓室最低涌浪水位的計(jì)算工況

（1）調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范列舉了下面的工作作為上游調(diào)壓室最低涌浪水位的設(shè)計(jì)和校核工況：

上游調(diào)壓室上庫(kù)死水位時(shí)共一調(diào)壓室的全部n臺(tái)機(jī)組由（n-1）臺(tái)增至n臺(tái)或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷突增至滿載，并復(fù)核上庫(kù)死水位時(shí)共一調(diào)壓室的全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷時(shí)的第二振幅（水泵工況）。

在常規(guī)計(jì)算中，以下兩種工況也常作為上游調(diào)壓室最低水位的計(jì)算校核工況：

上庫(kù)死水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)抽水，在流出上游調(diào)壓室流量最大的時(shí)刻，所有機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉拒動(dòng)；

上庫(kù)死水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)發(fā)電，在上游調(diào)壓室水位最低的時(shí)刻，所有機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉拒動(dòng)。

（2）下游調(diào)壓室：共一調(diào)壓室的全部機(jī)組在滿載及相應(yīng)下游水位瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷。

在常規(guī)計(jì)算中，以下兩種工況也常作為下游調(diào)壓室最低水位的計(jì)算校核工況：

下庫(kù)死水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)發(fā)電，在流出下游調(diào)壓室流量最大的時(shí)刻，所有機(jī)組甩負(fù)荷；

下庫(kù)死水位，同一系統(tǒng)的所有機(jī)組啟動(dòng)發(fā)電，在下游調(diào)壓室水位最低的時(shí)刻，所有機(jī)組甩負(fù)荷。

3.6 過(guò)渡過(guò)程計(jì)算工況標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合電站調(diào)研、研究與分析，針對(duì)抽水蓄能電站，建議過(guò)渡過(guò)程計(jì)算以下列工況作為重點(diǎn)工況：

T1：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉；

T2：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉拒動(dòng)；

T3：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉；

T4：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉拒動(dòng)；

T5：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉；

T6：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)甩負(fù)荷，導(dǎo)葉拒動(dòng)；

P1：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉關(guān)閉；

P2：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉拒動(dòng)；

P3：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉關(guān)閉；

P4：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉拒動(dòng)；

P5：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉關(guān)閉；

P6：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系統(tǒng)多臺(tái)機(jī)組抽水，同時(shí)斷電，導(dǎo)葉拒動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在目前抽水蓄能電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)中，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算已經(jīng)成為核心因素，大部分電站的調(diào)壓室設(shè)置過(guò)程中，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算值成為決定調(diào)壓室設(shè)置與否的決定性因素之一。因此，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算十分重要。

（1）抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中，工況組合繁多，不同工況選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不同，選擇適應(yīng)的計(jì)算工況，可以為電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障參考，又能較好地促進(jìn)電站的經(jīng)濟(jì)性。

（2）《暫規(guī)》中引入設(shè)計(jì)工況和校核工況，可以理解為采用概率論來(lái)解決調(diào)節(jié)保證問(wèn)題。其中，設(shè)計(jì)工況（考慮一個(gè)偶發(fā)事件）作為電站設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)小概率發(fā)生事件（考慮兩個(gè)獨(dú)立的偶發(fā)事件）作為校核工況，對(duì)一些極端小概率工況（考慮三個(gè)獨(dú)立的偶發(fā)事件）不做考慮。在電站實(shí)踐中較好地保證了電站安全又節(jié)約了投資，該方法是可行的。

（3）在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算過(guò)程中，很多因素會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，而計(jì)算工況的設(shè)置是影響計(jì)算結(jié)果的重要因素。當(dāng)抽水蓄能電站在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí)設(shè)置較為嚴(yán)苛的工況（概率極小的工況）時(shí)，過(guò)渡過(guò)程計(jì)算值將有較大提高，這將是安全余量較為富裕，可能對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益形成不利影響。