鄧 磊，宋德強(qiáng)，周 攀 ，丁景煥

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抽水蓄能電站過渡過程蝸殼壓力設(shè)計(jì)研究

鄧 磊1，宋德強(qiáng)2，周 攀1，丁景煥1

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京，100161; 2. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江牡丹江，157005）

為了深入研究抽水蓄能電站過渡過程蝸殼壓力設(shè)計(jì)，對多家設(shè)計(jì)院和抽水蓄能電站進(jìn)行了調(diào)研。研究結(jié)果表明，蝸殼設(shè)計(jì)壓力比以往設(shè)計(jì)均有提高，原因?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果偏差較大。實(shí)測結(jié)果壓力脈動大，而壓力脈動大的原因與水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域范圍過于靠近S區(qū)或位于S區(qū)的正上方有關(guān)。本文建議水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域范圍距離S區(qū)有一定的距離。

抽水蓄能電站；過渡過程；蝸殼壓力；壓力脈動；水泵水輪機(jī)S區(qū)

0 前言

抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證控制值的選取事關(guān)電站的建設(shè)質(zhì)量和投產(chǎn)運(yùn)行后電站的運(yùn)行安全。前期國內(nèi)牽涉到調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)規(guī)范有《DL/T 5186-2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》和《DL/T 5208-2005抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》。近年來，已建投產(chǎn)的部分抽水蓄能電站過渡過程逐漸引起了國內(nèi)較大的爭議，針對調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)這一專題，2013年10月水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布了“水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)專題報告編制暫行規(guī)定（試行）”（以下簡稱“暫行規(guī)定”）；2005版本的“抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則”也正在修訂過程中，2015年已發(fā)布征求意見稿，但還未正式發(fā)布。

為研究總結(jié)已建抽水蓄能電站過渡過程壓力設(shè)計(jì)的工程經(jīng)驗(yàn)，選擇對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、水規(guī)總院暫行規(guī)定、國內(nèi)三大典型設(shè)計(jì)院、國外廠商和新源系統(tǒng)內(nèi)已建和在建抽水蓄能電站進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)研，以期對后期新建抽水蓄能電站工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)調(diào)研

1.1 DL/T 5186-2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范

下文簡稱“機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范”。

（1）機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率保證值，按以下不同情況選?。?/p>

額定水頭小于20m時，宜為70%～100%；額定水頭為20m～40m時，宜為70%～50%；額定水頭為40m～100m時，宜為50%～30%；額定水頭為100m～300m時，宜為30%～25%；額定水頭大于300m時，宜小于25%（可逆式蓄能機(jī)組宜小于30%）。

最大壓力升高率保證值，應(yīng)按計(jì)算值并留有適當(dāng)裕度確定。

1.2 DL/T 5208-2005抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則

下文簡稱“設(shè)計(jì)導(dǎo)則”。

（1）水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷和水泵斷電時的最大壓力升高率，按以下不同情況考慮：

額定水頭小于300m時，按DL/T5186中的規(guī)定執(zhí)行；額定水頭大于300m時，宜小于30%，并應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

計(jì)算最大壓力升高率ξ時，可取上庫水位與蝸殼進(jìn)口中心的高程差作為基準(zhǔn)值。

最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力值，應(yīng)在計(jì)算值的基礎(chǔ)上考慮壓力脈動等因素，宜留有適當(dāng)裕度。

1.3 水規(guī)總院暫行規(guī)定

“暫行規(guī)定”中關(guān)于蝸殼壓力設(shè)計(jì)要求如下：

調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值應(yīng)在水力過渡過程計(jì)算值的基礎(chǔ)上考慮計(jì)算誤差進(jìn)行修正后確定，水擊壓力設(shè)計(jì)值還應(yīng)考慮壓力脈動的影響。可行性研究設(shè)計(jì)階段，抽水蓄能電站目前可參考以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。隨著工程經(jīng)驗(yàn)和時間的積累，將進(jìn)一步對修正量的選取進(jìn)行調(diào)整和完善。

（1）對于最大水頭大于200m的抽水蓄能電站：引水系統(tǒng)壓力脈動引起的壓力上升可按甩前凈水頭的7%~5%選取；計(jì)算誤差可按壓力上升值的10%選取。尾水系統(tǒng)渦流引起的壓力下降可按甩前凈水頭的3.5%~2%選取，計(jì)算誤差可按尾水管進(jìn)口壓力下降值的7%~10%選取。

（2）對于最大水頭小于200m的抽水蓄能電站：輸水系統(tǒng)壓力脈動引起的壓力變化、計(jì)算誤差可根據(jù)電站實(shí)際情況及工程經(jīng)驗(yàn)選取。

1.4 NB/T 抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則（征求意見稿）

下文簡稱“設(shè)計(jì)導(dǎo)則征求意見稿”。

（1）機(jī)組調(diào)試期間，必要時應(yīng)對甩負(fù)荷和水泵斷電等工況進(jìn)行過渡過程計(jì)算，并與調(diào)試測試成果進(jìn)行對比分析。

（2）調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果，考慮一定的壓力脈動裕量及計(jì)算誤差確定，并應(yīng)滿足以下要求：

1）蝸殼進(jìn)口最大壓力升高設(shè)計(jì)值，當(dāng)額定水頭小于300m時，應(yīng)滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5186的有關(guān)規(guī)定；當(dāng)額定水頭大于300m時，宜小于40%，高于40%應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。計(jì)算壓力升高率ξ時，以上庫正常蓄水位與蝸殼進(jìn)口中心高程之差作為基準(zhǔn)值。

2）輸水系統(tǒng)沿線各斷面最高處的最小壓力不應(yīng)低于0.02MPa；尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度保證值不應(yīng)大于0.08MPa，且不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象。

1.5 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較研究

1.5.1 關(guān)于水頭的分界點(diǎn)問題

水規(guī)總院的暫行規(guī)定是200m水頭以上壓力脈動和計(jì)算誤差按照暫行規(guī)定執(zhí)行，200m水頭以下參照執(zhí)行。NB/T抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則（征求意見稿）以300m為分界點(diǎn)，存在標(biāo)準(zhǔn)和暫行規(guī)定沖突的情況，建議對水頭的分界點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一。

1.5.2 關(guān)于蝸殼壓力設(shè)計(jì)提高的問題

（1）按照“機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范”和“設(shè)計(jì)導(dǎo)則”，按蝸殼壓力上升率允許最大30%進(jìn)行計(jì)算，前期這兩個標(biāo)準(zhǔn)考慮蝸殼壓力上升率時，針對計(jì)算結(jié)果只是考慮一部分的裕度，沒有提出壓力脈動影響和計(jì)算誤差這兩個概念，因此前期抽水蓄能電站的蝸殼壓力上升率基本上在30%以內(nèi)，少部分可能略微超過30%，但也有限。

另外凈水頭有不同的取值方式，設(shè)計(jì)單位從安全的角度出發(fā)基本按“甩前最大凈水頭”等于“上庫正常蓄水位最大值與蝸殼進(jìn)口中心的高程差”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)“設(shè)計(jì)導(dǎo)則征求意見稿”規(guī)定“蝸殼壓力上升率調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果，考慮一定的壓力脈動裕量及計(jì)算誤差確定”和“額定水頭大于300m時，蝸殼壓力上升率宜小于40%，高于40%應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較?！?，可以得出：蝸殼壓力上升率的最大值通常為40%，這40%是包含了壓力脈動和計(jì)算誤差的，蝸殼壓力設(shè)計(jì)值總體比原來提高了約10%。

按照“設(shè)計(jì)導(dǎo)則征求意見稿”規(guī)定：蝸殼壓力設(shè)計(jì)值中壓力脈動和計(jì)算誤差的取值方式按照“暫行規(guī)定”執(zhí)行，計(jì)算誤差為4%（10%′40%）的甩前凈水頭，和壓力脈動引起的蝸殼壓力上升5%~7%相加得出：蝸殼壓力設(shè)計(jì)裕度增加值為9%~11%的甩前凈水頭。

考慮蝸殼壓力最大計(jì)算值（133%最大甩前凈水頭）作為基值進(jìn)行比較，則增加的9%~11%甩前凈水頭蝸殼壓力設(shè)計(jì)裕度相當(dāng)于蝸殼壓力最大計(jì)算值的6.27%~8.27%(9%~11%/1.33)。

即暫行規(guī)定之后，蝸殼壓力計(jì)算的上升率約在33%左右，比前期30%的規(guī)定提高了約3%，同時考慮了約6.27%~8.27%蝸殼壓力最大計(jì)算值的計(jì)算誤差和壓力脈動。

另根據(jù)“設(shè)計(jì)導(dǎo)則征求意見稿”，計(jì)算壓力升高率時，以上庫正常蓄水位與蝸殼進(jìn)口中心高程之差作為基準(zhǔn)值。因?yàn)椤皟羲^”比“上庫正常蓄水位與蝸殼進(jìn)口中心高程之差”小，如果按照“上庫正常蓄水位與蝸殼進(jìn)口中心高程之差”的40%進(jìn)行計(jì)算，則蝸殼壓力與過渡過程計(jì)算結(jié)果相比，還將進(jìn)一步提高。

2 設(shè)計(jì)院調(diào)研總結(jié)

水規(guī)總院暫行規(guī)定出來后，對國內(nèi)三家典型設(shè)計(jì)院，華東勘測設(shè)計(jì)院、北京勘測設(shè)計(jì)院和中南勘測設(shè)計(jì)院進(jìn)行了設(shè)計(jì)調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示在水規(guī)總院暫行規(guī)定出來之后，各大設(shè)計(jì)院對于蝸殼壓力的選取均有了較大幅度的增長。

2.1 華東院調(diào)研總結(jié)

華東院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果見表1。

表1 華東院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果

“暫行規(guī)定”出來之前，華東勘測設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)基本在可研階段蝸殼壓力計(jì)算值基礎(chǔ)上按照3%～5%裕度進(jìn)行蝸殼壓力合同值的確定。在“暫行規(guī)定”出來之后，按照暫行規(guī)定執(zhí)行，但是華東院對于蝸殼壓力設(shè)計(jì)值，在考慮了壓力脈動和計(jì)算誤差裕度后確定的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上再次上浮了3.75%（1050/1012）的裕度?？烧J(rèn)為加了裕度后再次增加了裕度，與前期華東院設(shè)計(jì)的電站相比提高了5%以上裕度。

2.2 北京院調(diào)研總結(jié)

北京院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果見表2。

表2 北京院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果

“暫行規(guī)定”出來之前，北京勘測設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)基本在可研階段蝸殼壓力計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加的裕度按照以下取值方法：壓力脈動取甩前凈水頭的5%，計(jì)算誤差取壓力上升值的10%進(jìn)行蝸殼壓力合同值的確定。在最終確定招標(biāo)值時，在按照上述計(jì)算方法得出的蝸殼壓力值基礎(chǔ)上進(jìn)行單位量綱的換算，將單位由mH2O轉(zhuǎn)換為MPa，這樣單位量綱的換算再次增加了約2%的裕度。

在“暫行規(guī)定”出來之后，按照暫行規(guī)定執(zhí)行，確定方法為：蝸殼計(jì)算最大值加上壓力脈動（甩前凈水頭7%，較以前取值5%大2%）加上計(jì)算誤差（壓力上升值的10%），在計(jì)算結(jié)果附近圓整的基礎(chǔ)上，將單位由mH2O轉(zhuǎn)換為MPa，這樣單位量綱的換算增加了約2%的裕度，可認(rèn)為加了裕度后再次增加了裕度，與前期北京院設(shè)計(jì)的電站相比提高了3%~5%的裕度。

2.3 中南勘測設(shè)計(jì)研究院調(diào)研結(jié)果

中南院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果見表3。從該設(shè)計(jì)調(diào)研表格可以得出：“暫行規(guī)定”出來之前，中南勘測設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)基本在可研計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加了7%~10%的裕度?！皶盒幸?guī)定”出來之后，根據(jù)暫行規(guī)定執(zhí)行，本文暫未調(diào)研“暫行規(guī)定”之后中南院設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算成果。

表3 中南院典型電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研結(jié)果

3 國外廠商設(shè)計(jì)調(diào)研

我國在和外國廠商的交流中，外國廠商主要是日本的廠商和法國ALSTOM提供了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本報告對調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算分析，見表4?！皶盒幸?guī)定”制定期間部分?jǐn)?shù)值來源于這次的經(jīng)驗(yàn)交流。

表4 國外廠商蝸殼壓力設(shè)計(jì)裕度值調(diào)研表

備注：壓力上升率按照前期標(biāo)準(zhǔn)按30%進(jìn)行計(jì)算。

從表4可以看出，關(guān)于蝸殼壓力設(shè)計(jì)裕度值，按照前期標(biāo)準(zhǔn)允許的30%壓力上升率進(jìn)行計(jì)算，東芝公司考慮的壓力脈動和裕度（等同于暫行規(guī)定的計(jì)算誤差）為8.5%甩前凈水頭；ALSTOM公司考慮壓力脈動和裕度為8.8%甩前凈水頭。

日立公司按照第一峰考慮為3.26%凈水頭，按照第二峰考慮為3%～12%甩前凈水頭；三菱公司按照第一峰考慮為5%甩前凈水頭，按照第二峰考慮為11%甩前凈水頭。大部分蝸殼壓力的峰值，實(shí)測在第一峰的概率很大。日立公司和三菱公司的做法可以理解為，假定第一峰的計(jì)算值加上第一峰的裕度值為蝸殼壓力設(shè)計(jì)值1，第二峰的計(jì)算值與第二峰的裕度值相加為蝸殼壓力設(shè)計(jì)值2，兩者進(jìn)行比較，哪個大取哪個。因此不能簡單的理解為日立公司和三菱公司的裕度值加了11%左右。假設(shè)蝸殼壓力設(shè)計(jì)值1大于蝸殼壓力設(shè)計(jì)值2，則日立公司裕度取值為3.26%，三菱公司裕度取值為5%。

水規(guī)總院“暫行規(guī)定”蝸殼壓力的裕度范圍為甩前凈水頭的8%～10%，東芝公司為8.5%，ALSTOM公司為8.8%，日立公司為3.26%，三菱公司為5%。實(shí)際我國目前在建的典型抽蓄電站蝸殼壓力設(shè)計(jì)裕度績溪為10%，豐寧為10.8%，敦化為12.7%，蝸殼壓力計(jì)算取值裕度比水規(guī)總院的規(guī)定大，也比國外廠商的大。

4 新源公司系統(tǒng)抽水蓄能電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力調(diào)研

新源系統(tǒng)內(nèi)抽水蓄能電站蝸殼壓力設(shè)計(jì)調(diào)研情況見表5。

表5 新源系統(tǒng)內(nèi)抽水蓄能電站蝸殼壓力設(shè)計(jì)調(diào)研表

分析表5可知，電站蝸殼壓力合同值與靜水頭的比值后期基本達(dá)到40%及以上，前期在35%以下，在建抽水蓄能電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力較前期抽水蓄能電站蝸殼設(shè)計(jì)壓力有明顯提高。

5 蝸殼壓力設(shè)計(jì)提高原因研究

5.1 蝸殼壓力實(shí)測值與計(jì)算值偏差大

根據(jù)多家抽水蓄能電站甩負(fù)荷過渡過程的測試經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗(yàn)蝸殼壓力實(shí)測數(shù)據(jù)壓力脈動都比較大，有的電站蝸殼壓力脈動振幅超過100mH2O，單側(cè)壓力脈動幅度超過50mH2O，導(dǎo)致蝸殼實(shí)測壓力與甩負(fù)荷工況蝸殼計(jì)算壓力相差較大，這是蝸殼設(shè)計(jì)壓力提高的技術(shù)因素。某電站單機(jī)甩負(fù)荷和雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和根據(jù)水規(guī)總院暫行規(guī)定的修正比較結(jié)果見表6。

表6 抽水蓄能電站甩負(fù)荷蝸殼壓力實(shí)測值、計(jì)算值和修正值比較表