永泰抽水蓄能電站水輪機工況過渡過程分析

周 超， 陳 太 平， 馬 安 婷

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

水電站過渡過程關系到機組的穩定運行和電站安全。水電站過渡過程計算，實質上是解決水力慣性、機組慣性和調整性能三者的矛盾，以期達到電能質量最佳，水工建筑和機組造價最省的目的[1]。過渡過程計算主要指通過建立水電站輸水系統數學模型，提出相應的計算條件和計算工況，分析優化導葉關閉規律并進行過渡過程計算，以確保水輪機蝸殼最大水壓上升值、尾水管最大真空度和機組最大轉速上升率等指標滿足調節保證要求[2-3]，并為機組的剛強度計算和結構設計(包括水輪機部件材料、板厚和結構型式等的選擇)提供重要依據。抽水蓄能電站輸水系統長，水工建筑物多，水力邊界條件復雜多變。因此，過渡過程計算是抽水蓄能電站設計中一項十分重要的工作。

1 電站概況、輸水系統及機組參數

永泰抽水蓄能電站站址位于福建省永泰縣白云鄉。電站樞紐主要由上水庫、輸水系統、地下廠房系統和下水庫及地面開關站等建筑物組成。輸水系統總長2 112.8 m，主要建筑物由上庫進/出水口、引水隧洞、高壓管道、尾水隧洞、尾水調壓井和下庫進/出水口組成。引水系統采用一管雙機，尾水系統采用雙機一洞的布置方式，在尾水隧洞上設有一座阻抗式調壓井。電站總裝機容量1 200 MW，安裝4臺單機容量3 00 MW的可逆式水泵水輪機組。機組參數見表1：

表1 機組參數

2 過渡過程計算軟件、計算方法及計算模型

2.1 過渡過程計算軟件和計算方法

采用商用化過渡過程計算軟件，對永泰抽水蓄能電站輸水系統建立計算的數學模型，運用全世界通行的特征線法，進行過渡過程工況的計算。

2.2 過渡過程計算模型

根據電站資料，對輸水系統最長的1號水力單元(含對稱布置的1號機和2號機)建立過渡過程計算模型，如圖1所示。圖中FTURB1、FTURB2分別代表1號和2號水泵水輪機組，RESERV1、RESERV2代表上、下水庫，STANK1、STANK2、STANK3分別代表上庫閘門井、尾水調壓井和下庫閘門井， PIPE1～PIPE17代表輸水系統各管段。

圖1 過渡過程計算模型簡圖(上圖為左半截，下圖為右半截)

3 調節保證要求及計算工況

3.1 調節保證要求

(1)機組最大轉速上升率βmax≤44.5%；

(2)蝸殼進口(水)壓力(修正值)不大于705.00 m·H2O；

(3)尾水管進口最小壓力(修正值)不低于-6 m·H2O。

3.2 計算工況

電站輸水系統采用一管雙機的布置方式，同一水力單元的兩臺機組在過渡過程工況下互相影響[4]。抽水蓄能電站機組同時甩負荷和相繼甩負荷時可能出現蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最小壓力和機組轉速上升極值的典型水輪機過渡過程工況見表2。

表2 水輪機過渡過程工況表

4 導葉關閉規律的優化

抽水蓄能電站機組的導葉關閉規律需在同甩負荷和相繼甩負荷工況下，均能滿足蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力和轉速上升的要求。因此，至少需要對最大水頭、額定水頭同甩負荷工況以及最大水頭相繼甩負荷工況進行聯合計算，以尋求最優的導葉關閉規律[5-7]。經過多次優化計算與理論分析，導葉關閉規律如圖2所示。

圖2 導葉關閉規律示意圖

水泵水輪機的最大導葉開度28度對應100%導葉相對開度，對應100%導葉接力器行程。導葉從100%開度關閉到0開度用時33秒。

5 計算結果及分析

5.1 計算結果

采用圖2所示的導葉關閉規律，對上表2所示的水輪機工況進行過渡過程計算，計算極值、修正值如表3所示。因兩機對稱布置，同工況下計算結果亦相同。采用多個抽水蓄能電站實測數據與仿真計算對比分析總結的“水頭-出力加權修正法”對各極值進行修正。

表3 計算極值、修正值

從表2可以看出：水輪機工況計算結果各參數均能滿足調節保證要求。雙機相繼甩負荷工況JHT6的2號機組各參數隨時間變化而變化，導葉相對開度變化、蝸殼進口壓力變化、尾水管進口壓力變化和機組相對轉速變化分別見圖3～6所示。

圖3 導葉相對開度變化

圖4 蝸殼進口壓力變化

圖5 尾水管進口壓力變化

圖6 機組相對轉速變化

5.2 計算結果分析

通過對上述水輪機工況進行過渡過程計算分析，可得出以下結論。

(1)蝸殼進口最大壓力計算值為633.81 m，修正后值為678.68 m，小于控制值705 m，出現在最大水頭且雙機同甩額定負荷工況(JHT5)，滿足調節保證要求。

(2)尾水管進口最小壓力計算值為13.43 m，修正后值為-3.63 m，大于控制值-6 m，出現在最大水頭且雙機相繼甩額定負荷工況(JHT6)，滿足調節保證要求。

(3)機組轉速最大上升率為39.92%，小于控制值44.5%，出現在額定水頭且雙機同甩額定負荷工況(JHT3)，滿足調節保證要求。

6 結 語

水電站過渡過程計算的蝸殼最大壓力上升值、尾水管最大真空度和機組最大轉速上升率是機組進行剛強度計算和結構設計的重要依據。針對永泰抽水蓄能電站，通過仿真計算與理論分析，優化篩選出最優導葉關閉規律。對可能出現極值的水輪機工況進行過渡過程計算，采用“水頭-出力加權修正法”對計算值進行修正。結果表明計算值和修正值均能滿足調節保證要求，為機組的安全穩定運行提供保障，也為后續高水頭抽水蓄能電站過渡過程計算提供參考。