黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組改造前后過渡過程計(jì)算與試驗(yàn)研究

劉 平，楊 恒，馬艷梅，鄭建興，凡家異

（1．湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410213；2．東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000；3．中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組具有工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜、水力條件多變的特點(diǎn)[1]，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)水電站事故發(fā)生在機(jī)組過渡過程中，因而對(duì)其進(jìn)行過渡過程分析研究尤為重要。抽水蓄能電站真機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)是對(duì)抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造和安裝質(zhì)量的關(guān)鍵考核性試驗(yàn)，也是對(duì)電站全系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、機(jī)組安全可靠性的實(shí)際檢驗(yàn)[2-5]。因此，除電站運(yùn)行前的過渡過程計(jì)算外，需對(duì)現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，為電站各種復(fù)雜的過渡過程計(jì)算預(yù)測提供堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)依據(jù)[6-7]。

本文將黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組改造前后現(xiàn)場真機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)計(jì)算預(yù)測結(jié)果與實(shí)測錄波結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，為電站及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障，也為其他機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)提供技術(shù)參考。同時(shí)對(duì)比了黑麋峰4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后過渡過程特性，證明了黑麋峰4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造的成功。

1 工程概述及仿真計(jì)算模型

1.1 工程概述

黑麋峰抽水蓄能電站位于湖南省長沙市，設(shè)有4 臺(tái)裝機(jī)容量300MW 的機(jī)組，采用引水系統(tǒng)一管兩機(jī)，尾水系統(tǒng)單管單機(jī)的布置方式[8]。2010 年10 月，黑麋峰4 號(hào)原機(jī)組完成調(diào)試并投入商運(yùn)。由于4 號(hào)原機(jī)組使用導(dǎo)葉非同步開啟方法，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用延時(shí)關(guān)閉規(guī)律，且過渡過程特性較差，存在限負(fù)荷運(yùn)行的問題。通過4 號(hào)機(jī)組水力優(yōu)化項(xiàng)目，對(duì)4 號(hào)機(jī)組重新進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)設(shè)計(jì)，更換了新的轉(zhuǎn)輪。2020 年12 月14 日，黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造后完成真機(jī)甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組各特征參數(shù)均滿足合同、相關(guān)補(bǔ)充協(xié)議或紀(jì)要的要求，標(biāo)志著4 號(hào)機(jī)組已具備帶全負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件。黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組改造前與改造后的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組改造前后主要參數(shù)Table 1 Main parameters of heimifeng power station before and after the renovation of the unit 4

1.2 仿真計(jì)算模型簡述

黑麋峰抽水蓄能過渡過程計(jì)算采用成熟的商業(yè)計(jì)算軟件，根據(jù)合同及相關(guān)會(huì)議要求，對(duì)電站輸水系統(tǒng)管道劃分為12 個(gè)管段，并建立合理的仿真計(jì)算模型。本文僅針對(duì)4 號(hào)機(jī)組單機(jī)甩負(fù)荷進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，其他機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。含3 號(hào)機(jī)組和4 號(hào)機(jī)組的2 號(hào)水力單元計(jì)算模型簡圖如圖1 所示。圖中FTURB1 表示3 號(hào)機(jī)組、FTURB2 表示4 號(hào)機(jī)組，RESERV1 表示上游水庫、RESERV2 表示下游水庫，STANK1表示上游閘門井，STANK2 和STANK3 表示下游閘門井。PIPE1 ～PIPE12 表示輸水系統(tǒng)各管道。

圖1 黑麋峰抽水蓄能電站2 號(hào)水力單元過渡過程計(jì)算簡圖Figure 1 Calculation sketch of the transition process of the 2# hydraulic unit of Heimifeng power station

2 過渡過程參數(shù)保證要求

黑麋峰抽水蓄能電站及其機(jī)組在各種過渡工況下，各主要特征參數(shù)按表2 予以保證。

表2 主要特征參數(shù)的調(diào)節(jié)保證要求Table 2 Transient guarantee requirements for the main characteristic parameters

根據(jù)《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)導(dǎo)則》要求，過渡過程各特征參數(shù)的計(jì)算需考慮壓力脈動(dòng)和計(jì)算誤差的修正[9]。因此，真機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比分析，宜為根據(jù)現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)實(shí)際的上、下庫水位預(yù)估計(jì)算得到的計(jì)算值經(jīng)修正后的值，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)置信度處理后的值進(jìn)行對(duì)比分析[1]。

3 水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

3.1 改造前4 號(hào)機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造前采用的關(guān)閉規(guī)律如圖2 所示，以導(dǎo)葉接力器全行程對(duì)應(yīng)于相對(duì)行程100%，該關(guān)閉規(guī)律為先延時(shí)10s，再兩段折線關(guān)閉，導(dǎo)葉開度拐點(diǎn)為36%，第一段關(guān)閉時(shí)間斜率為16.5s，第二段關(guān)閉時(shí)間斜率為35.944s。有效關(guān)閉總時(shí)長為33.5s。

圖2 4 號(hào)機(jī)組改造前導(dǎo)葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律Figure 2 Closing law of servomotor stroke before modification of unit 4

3.2 改造后4 號(hào)機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造后采取的水輪機(jī)工況關(guān)閉規(guī)律為：以導(dǎo)葉接力器全行程對(duì)應(yīng)于相對(duì)行程100%，采用一段直線關(guān)閉規(guī)律，導(dǎo)葉接力器從相對(duì)行程100%關(guān)到0 的總時(shí)間為46s，如圖3 所示。

圖3 4 號(hào)機(jī)組改造后導(dǎo)葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律Figure 3 Closing law of servomotor stroke after modification of unit 4

圖4 4 號(hào)機(jī)組改造后單甩75%額定負(fù)荷，蝸殼進(jìn)口壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速和尾水管進(jìn)口壓力實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Figure 4 Comparison of measured and calculated results of spiral case inlet pressure，unit speed and draft tube inlet pressure for single reject 75% of rated load after the modification of unit 4

圖5 4 號(hào)機(jī)組改造后單甩100%額定負(fù)荷，蝸殼進(jìn)口壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速和尾水管進(jìn)口壓力實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Figure 5 Comparison of measured and calculated results of spiral case inlet pressure，unit speed and draft tube inlet pressure for single reject 100% of rated load after the modification of unit 4

4 現(xiàn)場單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)計(jì)算與實(shí)測對(duì)比分析研究

4.1 4 號(hào)機(jī)組改造后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測與計(jì)算對(duì)比分析

4.1.1 4 號(hào)機(jī)組改造后單機(jī)甩負(fù)荷現(xiàn)場試驗(yàn)工況

黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造后進(jìn)行調(diào)試時(shí)，現(xiàn)場分別進(jìn)行了單機(jī)甩25%額定負(fù)荷、50%額定負(fù)荷、75%額定負(fù)荷及100%額定負(fù)荷的試驗(yàn)。本文僅對(duì)改造后4 號(hào)機(jī)組單機(jī)甩75%額定負(fù)荷和100%額定負(fù)荷試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比分析研究。現(xiàn)場甩負(fù)荷工況詳情如表3 所列。

表3 4 號(hào)機(jī)組改造后單機(jī)甩負(fù)荷現(xiàn)場試驗(yàn) 及反演計(jì)算工況Table 3 Field test and inversion calculation conditions of single machine load rejection after 4# machine transformation

4.1.2 計(jì)算極值與實(shí)測極值對(duì)比分析

采用成熟的過渡過程計(jì)算軟件對(duì)現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，并按照合同要求的修正方法，結(jié)合東方電機(jī)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場情況對(duì)機(jī)組各特征參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦拚８鶕?jù)相關(guān)會(huì)議紀(jì)要要求，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)采用97%置信度及移動(dòng)平均法處理后的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗(yàn)東方電機(jī)實(shí)測結(jié)果及計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4 所示，實(shí)測極值與計(jì)算極值的差值如表5 所示。

表4 4 號(hào)機(jī)組改造后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)東方電機(jī)實(shí)測極值及計(jì)算極值結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of measured extreme value and calculated extreme value results of DEC in single machine load rejection test after 4# machine transformation

表5 4 號(hào)機(jī)組改造后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)東方電機(jī)實(shí)測極值與計(jì)算修正后的值的差值分析Table 5 Analysis of the difference between the measured extreme value and the calculated corrected value of DEC in the single machine load rejection test after the transformation of the 4# machine

4.1.3 計(jì)算波形圖與實(shí)測錄波波形圖對(duì)比

綜合4 號(hào)機(jī)組改造后單甩75%額定負(fù)荷以及100%額定負(fù)荷試驗(yàn)工況的實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)果表明：機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力及轉(zhuǎn)速上升率的計(jì)算波形與實(shí)測錄波圖形變化趨勢基本相符，極值出現(xiàn)的時(shí)間區(qū)間基本相符；各特征參數(shù)實(shí)測極值相較于計(jì)算修正后的極值基本相同。

4.2 4 號(hào)機(jī)組改造前后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測與計(jì)算對(duì)比

4.2.1 實(shí)測極值與計(jì)算極值計(jì)算對(duì)比分析

黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組改造前后現(xiàn)場單機(jī)甩100%額定負(fù)荷的工況參數(shù)如表6 所示。其蝸殼進(jìn)口最大相對(duì)壓力、尾水管進(jìn)口最小相對(duì)壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率的實(shí)測極值與計(jì)算極值差值的絕對(duì)值如表7 所示。

表6 轉(zhuǎn)輪改造前后4 號(hào)機(jī)組單機(jī)甩負(fù)荷工況對(duì)比Table 6 Comparison of single machine load rejection conditions of unit 4 before and after transformation

表7 4 號(hào)機(jī)組改造前后單機(jī)甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測極值與計(jì)算修正后的值的差值分析Table 7 Analysis of the difference between the measured extreme value and the calculated value of the single machine rejecting 100% rated load test before and after the modification of unit 4

4.2.2 實(shí)測錄波波形圖與計(jì)算波形圖對(duì)比分析

4 號(hào)機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后時(shí)單甩100%工況尾水管進(jìn)口壓力現(xiàn)場實(shí)測與計(jì)算對(duì)比如圖6 所示，蝸殼進(jìn)口壓力現(xiàn)場實(shí)測與計(jì)算對(duì)比如圖7 所示。

圖6 4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后單甩100%額定負(fù)荷工況尾水管進(jìn)口壓力對(duì)比Figure 6 Comparison of draft tube inlet pressure under single rejecting 100% rated load condition before and after runner modification of unit 4

圖7 4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后單甩100%額定負(fù)荷工況蝸殼進(jìn)口壓力Figure7 Comparison of spiral case inlet pressure under single rejecting 100% rated load condition before and after runner modification of unit 4

由表7 和圖6、圖7 可得：

（1）4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前尾水管進(jìn)口壓力最小值計(jì)算與實(shí)測的差值為13.9m，占水頭的4.3%；轉(zhuǎn)輪改造后該差值為2.7m，占水頭的0.9%。相較于轉(zhuǎn)輪改造前，改造后轉(zhuǎn)輪甩負(fù)荷尾水管進(jìn)口壓力最小值計(jì)算與實(shí)測更接近，且極值更大，具有更大的安全余量。

4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前蝸殼進(jìn)口壓力最大值計(jì)算與實(shí)測的差值為25.5m，占水頭的7.9%；轉(zhuǎn)輪改造后該差值為2.5m，占水頭的0.8%。相較于轉(zhuǎn)輪改造前，改造后轉(zhuǎn)輪甩負(fù)荷蝸殼進(jìn)口壓力最大值計(jì)算與實(shí)測更接近，且極值更小，具有更大的安全余量。

（2）4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造后尾水管進(jìn)口壓力實(shí)測錄波圖形相較于轉(zhuǎn)輪改造前毛刺較少，壓力脈動(dòng)引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小，能更好地反映甩負(fù)荷過程中蝸殼及尾水管進(jìn)口壓力的變化趨勢。

4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造后蝸殼進(jìn)口壓力實(shí)測錄波圖形與轉(zhuǎn)輪改造前相比壓力脈動(dòng)引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度整體相差不大，但極值毛刺略少。轉(zhuǎn)輪改造前后蝸殼進(jìn)口壓力實(shí)測結(jié)果水平相當(dāng)。

（3）對(duì)于過渡過程特性，黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造主要針對(duì)的是甩負(fù)荷時(shí)的尾水管進(jìn)口最小壓力的相關(guān)問題，在4 號(hào)機(jī)組改造前后單機(jī)甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)中，改造后的轉(zhuǎn)輪過渡過程特性優(yōu)于改造前的轉(zhuǎn)輪。

5 結(jié)論

本文對(duì)黑麋峰抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與計(jì)算預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，并將4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明：

（1）各現(xiàn)場試驗(yàn)的工況下，蝸殼進(jìn)口壓力最大值、尾水管進(jìn)口壓力最小值和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率最大值的計(jì)算波動(dòng)圖形變化趨勢與實(shí)測錄波圖形變化趨勢相符，極值發(fā)生時(shí)間區(qū)間相符，實(shí)測與經(jīng)修正后的計(jì)算極值吻合很好。這證明了過渡過程數(shù)學(xué)建模的準(zhǔn)確性、計(jì)算方法的可靠性，說明機(jī)組可安全穩(wěn)定度過甩負(fù)荷過渡過程。

（2）對(duì)比4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造前后甩負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪改造后甩負(fù)荷各特征參數(shù)實(shí)測值與計(jì)算值更為接近，改造后實(shí)測極值有更大的安全余量，且改造后實(shí)測錄波圖形的毛刺和數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于改造前實(shí)測錄波圖形。這驗(yàn)證了黑麋峰4 號(hào)機(jī)組改造后的轉(zhuǎn)輪過渡過程特性優(yōu)于改造前的轉(zhuǎn)輪。此外，改造后的轉(zhuǎn)輪采用導(dǎo)葉一段直線關(guān)閉規(guī)律，相較于改造前轉(zhuǎn)輪所采用的導(dǎo)葉延時(shí)及兩段折線關(guān)閉，關(guān)閉規(guī)律更為簡單，便于實(shí)際操作，可避免分段關(guān)閉操作失靈等風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，轉(zhuǎn)輪改造后取消了非同步導(dǎo)葉及球閥參與調(diào)節(jié)，機(jī)組運(yùn)行更加安全穩(wěn)定[10]。整體來說改造后轉(zhuǎn)輪比改造前轉(zhuǎn)輪過渡過程特性更優(yōu)，可保證電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。