抽水蓄能電站球閥參與機組過渡過程調節研究

翟進男

摘要：隨著抽水蓄能電站在我國的加快開發與建設，傳統的機組過渡過程調節方式存在一定的局限性，越來越多的抽蓄電站采用了球閥參與機組過渡過程調節的運行方式。該文概述了球閥參與抽蓄機組過渡過程調節的意義，介紹了抽蓄機組過渡過程及球閥參與抽蓄電站機組過渡過程調節的國內外研究現狀，指出了目前球閥參與抽蓄機組過渡過程調節研究和應用中存在的主要問題，并對未來的研究給出了建議。

關鍵詞：抽水蓄能電站球閥過渡過程關閉策略

中圖分類號：TV743文獻標識碼：A???? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Study on Ball Valve Participating in Unit Transient Regulation in Pumped Storage Power Station

ZHAI Jinnan

（Hebei Fengning Pumped Storage Co.， Ltd.， Chengde， Hebei Province，068350 China）

Abstract： With the rapid development and construction of pumped storage power stations in China， the traditional regulation mode of unit transition process has some limitations. More and more pumping storage power stations use ball valves to participate in the regulation of unit transition process. This paper summarizes the significance of ball valve participating in the regulation of pumping and storage unit transition process， introduces the research status of pumping and storage unit transition process and ball valve participating in pumping and storage power station unit transition process regulation at home and abroad， points out the main problems existing in the research and application of ball valve participating in pumping and storage unit transition process regulation， and gives suggestions for future research.

Key Words： Pumped storage power station; Ball valve; Transition process; Close policy

在實現“碳達峰、碳中和”目標、構建以新能源為主體的新型電力系統背景下，新能源將成為電能供給增長的主體。而抽水蓄能電站運行靈活、反應快速、調節性能良好、技術成熟，對于提高電力系統調節能力和大規模可再生能源消納水平，促進削峰填谷，提供負荷中心供電支撐、應急保障等方面具有重要作用。近期，國家電網發布的“碳達峰、碳中和”行動方案已顯示：“十四五”期間，國家電網將加大抽水蓄能電站規劃選點和前期工作，再安排開工建設一批項目，到2025年，國家電網經營區抽水蓄能裝機容量將超過5 000萬kW。大力發展抽水蓄能已勢在必行。水電機組過渡過程調節保證計算是電站建設可行性研究階段的一項重要工作內容，直接關系到電站運行的安全性和穩定性，抽水蓄能電站亦如此。目前，國內已有少量抽水蓄能電站采用球閥參與過渡過程調節的方式進行甩負荷停機，如惠州抽蓄電站、寶泉抽蓄電站、張河灣抽蓄電站和黑麋峰抽蓄電站等多家電站。對于傳統的水電站安全運行理念和觀點來說，球閥作為電站運行安全的重要保障設施不宜參與過渡過程調節。水規總院發布的《調節保證設計專題報告編制暫行規定》也明確指出了“進水閥不應參與水力過渡過程調節”，表明了其對于球閥參與過渡過程調節的謹慎態度。因此，面對即將來到的抽水蓄能電站規模化發展，加強球閥參與過渡過程調節的研究具有重要意義。

1 球閥參與機組過渡過程調節的意義

目前，國內大部分抽水蓄能電站機組均不采用球閥參與機組過渡過程調節，而抽蓄電站基本采用可逆式機組，機組的轉速變化會對機組過流量產生較大影響，因其轉輪流道狹長且直徑大，故水流易形成較大的離心力，當機組設計為高水頭和高揚程時，即便機組處于水輪機工況運行，也可能因水泵的離心作用而產生較大的離心力，阻止水流進入轉輪，當機組轉速接近飛逸轉速時，該離心力迅速升高，機組不可避免地進入全特性曲線的“S”形區域，雖然此時機組導葉開度和轉速變動不大，但會使機組流量劇烈變化，同時轉輪前后壓力將出現大幅波動，進而引起蝸殼內部較大的壓力脈動。不難看出，對于抽蓄機組而言，其甩負荷工況下的水力過渡過程十分復雜，特別是在極端相繼甩負荷工況下，容易發生機組轉速、引水管道壓力、蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力等特征參數的瞬態值過大，甚至高于控制值，形成電站安全運行隱患，而傳統的優化機組過渡過程調節品質方式，優化導葉關閉規律其作用十分有限。因此，尋找一種更好的控制策略以改善機組過渡過程動態調節品質有著迫切的現實需求。

2球閥參與過渡過程調節的相關研究現狀

目前，國外內部分專家學者已展開了抽蓄機組過渡過程及球閥參與抽蓄電站機組過渡過程調節的相關研究，并取得了一些有益的成果。

2.1 國外研究現狀

Svarstad等[1]針對抽蓄機組為滿足電力市場需求而在實際運行中工況、快速頻繁切換的特性，對抽蓄機組工況轉換的過渡過程進行了研究，通過對兩種幾何不同的機組分別開展實驗，分析了工況快速轉變時機組和壓力管道所產生的壓力脈動情況。實驗結果表明，機組最高的壓力振幅出現在泵工況的中斷模式下，在該運行過程中所產生的高振幅正是從泵工況轉變到水輪機工況運行的最大問題。以往的研究中大多采用CFD分析機組在較大導葉開度時對應的不穩定工況下的水流情況，而在實際機組運行過程中，導葉往往會在機組發生過渡過程之前關閉到一個更小的角度，使得整個過程的時間延長。Stens等[2]通過比較不同導葉開度下抽蓄機組從抽水工況到發電工況的瞬態轉變過程，分析了導葉開度如何影響機組的壓力波動。證實了機組在工況轉換前將導葉關閉到更小開度時，雖然延長導葉關閉時間，但大大減小了尾水管中的壓力脈動，轉輪葉片的進水邊壓力也有所減小，但另一方面也會造成導葉的扭矩增大。U Je?e等[3]針對水泵水輪機在抽水工況和發電工況之間的轉換的水流不穩定，對可逆式機組在非設計工況運行時發生的不穩定性進行了研究，并將研究成果成功應用在了捷克的抽蓄電站機組優化中，使機組在優化后具有更廣泛的運行范圍。

2.2 國內研究現狀

球閥參與抽蓄機組過渡過程調節的工程應用在我國出現較晚，因此早期國內并無相關方面的研究。近年來，隨著抽蓄電站在國內的不斷開發建設和運行，國內專家學者也開始關注到球閥參與機組過渡過程調節這一問題，并開展了一些相關的研究工作。目前，球閥參與抽蓄機組過渡過程調節的研究主要集中在導葉-球閥協聯關閉策略和球閥動水關閉兩個方面。導葉-球閥協聯關閉策略方面，李孟瑤等[4]為提高抽水蓄能電站相繼甩負荷工況的動態品質，提出了一種基于多目標算法的導葉-球閥協聯關閉策略，仿真試驗結果表明所提出的導葉-球閥協聯關閉策略更好地協調了機組轉速與管道水擊壓力之間的矛盾，可為相繼甩負荷工況下電站的安全穩定運行提供有效的技術指導。黃偉等[5]為解決極端甩負荷工況下單純采用優化導葉關閉規律的策略無法滿足調節保證計算要求的問題，提出了一種進水球閥與導葉協同調節的過渡過程控制策略，并通過一維數值模擬評估了導葉關閉規律、水泵水輪機特性及球閥關閉規律等因素對機組轉速、蝸殼及尾水管壓力的影響，最后通過工程實例驗證了該控制策略的有效性。鄭慧娟等[6]以清遠抽水蓄能電站為例，對導葉-球閥協聯關閉規律進行研究，通過數值模擬分析了導葉-球閥協聯關閉規律對機組過渡過程的影響，模擬了機組的整個過渡過程，驗證了球閥參與機組過渡過程有利于滿足調保計算要求;同時，試驗結果表明了選擇合適的導葉關閉規律和關閉時間的重要性。球閥動水關閉方面，于輝等[7]對抽水蓄能電站進行數值模擬，提取甩負荷過渡過程關鍵參數，根據仿真結果確定球閥流場邊界條件;然后計算球閥流道內流場壓力與速度分布;最后基于流場仿真結果建立球閥結構流固耦合模型，求解球閥瞬態過程結構強度相關參數分布。胡勇健等[8]針對不同負荷下球閥動水關閉進行試驗，通過分心試驗所得各項動應力值及振動位移值，驗證了球閥具備動水關閉能力且不會產生有害振動，同時驗證了甩全負荷這一極端工況下時球閥關閉的安全性。陳大森等[9]通過對球閥進行動水關閉試驗，評價抽水蓄能電站球閥及相關設備的抗振性能和安全性，同時驗證了極端工況下球閥運行的安全性和可靠性。

3存在的主要問題

目前，球閥參與機組過渡過程調節已引起業界的廣泛關注，部分專家學者也進行了相關的理論研究和探索，但在實際的研究和應用過程中仍然存在一些問題亟待解決。

3.1缺乏球閥過流曲線特性研究

球閥參與機組過渡過程調節使得調節保證計算除原有計算之外，還需增加球閥的壓力變化計算。而計算球閥的壓力變化首先要具有球閥的過流特性曲線。目前，因國內多數電站未使用球閥參與機組過渡過程調節，造成多數生產廠家沒有開展針對球閥進行特性曲線的試驗。缺乏球閥過流曲線特性的研究，勢必會影響到球閥參與機組過渡過程調節的有效應用。

3.2球閥本體安全性研究不足

球閥參與機組甩負荷調節，使其由機組防飛逸的后備保護措施變為主動參與機組甩負荷流量調節，造成與原球閥設計理念不一致，對球閥本體安全性提出了更高的要求;球閥參與機組甩負荷調節還使得其動水關閉的使用較常規電站要更加頻繁，進一步提高了對球閥自身的技術要求;而國內抽蓄電站起步較晚，常規水電站機組大多不采用球閥作為主進水閥，故球閥本體安全性研究較少，直接影響到球閥參與機組過渡過程調節的安全使用。

3.3球閥運行狀態的監測不夠

球閥一旦參與機組過渡過程調節，便成為了調節保證計算中的一個重要部件，其所承受的水壓相對原球閥勢必大幅升高，如發生漏水或者損壞會直接影響到機組的安全穩定運行，甚至威脅到整個電站的安全，其安全運行的重要性不言而喻。而目前大多電站還未對球閥的安全運行引起足夠的重視，同樣缺乏對球閥及球閥室更加全面、準確和高效的監測。

4結語

抽水蓄能電站球閥參與機組過渡過程調節是一個涉及水、機、電三種時變非線性系統相互作用的異常復雜的綜合過渡過程，要做到整個過程的安全穩定十分不易。未來，對于更多抽蓄電站可能采用的球閥參與機組過渡過程調節這一運行方式，建議加強以下幾個方面的研究。

（1）隨著國內抽蓄電站數量不斷增加，各電站球閥結構不盡相同，其過流特性也相差較大，應進一步加強球閥過流曲線特性的研究，重點開展球閥在各開度下的局部損失系數研究，以滿足球閥參與機組過渡過程調節要求。

（2）加強開展球閥過渡過程尤其是極端工況甩負荷情況下球閥動水關閉的受力研究，解決原有抽蓄機組球閥動水關閉過程中球閥本體所受水推力、水力對球閥活門轉軸的最大作用力矩等數據依靠經驗公式進行估算造成的計算精度不高等問題，有效保障球閥參與機組甩負荷調節的安全性。

（3）加強導葉-球閥協聯關閉策略的研究，以尋找更優的導葉-球閥協聯關閉策略，進一步改善機組過渡過程調節的動態品質。

參考文獻

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