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(wěn)定運行和電站安全。水電站過渡過程計算，實質(zhì)上是解決水力慣性、機組慣性和調(diào)整性能三者的矛盾，以期達到電能質(zhì)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(tǒng)數(shù)學模型，提出相應的計算條件和計算工況，分析優(yōu)化導葉關閉規(guī)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(zhuǎn)速上升率等指標滿足調(diào)節(jié)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(jù)。抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)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(tǒng)及機組參數(shù)

永泰抽水蓄能電站站址位于福建省永泰縣白云鄉(xiāng)。電站樞紐主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和下水庫及地面開關站等建筑物組成。輸水系統(tǒng)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(diào)壓井和下庫進/出水口組成。引水系統(tǒng)采用一管雙機，尾水系統(tǒng)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(diào)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(shù)見表1：

表1 機組參數(shù)

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(tǒng)建立計算的數(shù)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(jù)電站資料，對輸水系統(tǒng)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(diào)壓井和下庫閘門井， PIPE1～PIPE17代表輸水系統(tǒng)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(diào)節(jié)保證要求及計算工況

3.1 調(diào)節(jié)保證要求

(1)機組最大轉(zhuǎn)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(tǒng)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(xiàn)蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最小壓力和機組轉(zhuǎn)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(guī)律的優(yōu)化

抽水蓄能電站機組的導葉關閉規(guī)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(zhuǎn)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(lián)合計算，以尋求最優(yōu)的導葉關閉規(guī)律[5-7]。經(jīng)過多次優(yōu)化計算與理論分析，導葉關閉規(guī)律如圖2所示。

圖2 導葉關閉規(guī)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(guī)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(shù)據(jù)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(shù)均能滿足調(diào)節(jié)保證要求。雙機相繼甩負荷工況JHT6的2號機組各參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)在最大水頭且雙機同甩額定負荷工況(JHT5)，滿足調(diào)節(jié)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(xiàn)在最大水頭且雙機相繼甩額定負荷工況(JHT6)，滿足調(diào)節(jié)保證要求。

(3)機組轉(zhuǎn)速最大上升率為39.92%，小于控制值44.5%，出現(xiàn)在額定水頭且雙機同甩額定負荷工況(JHT3)，滿足調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速上升率是機組進行剛強度計算和結構設計的重要依據(jù)。針對永泰抽水蓄能電站，通過仿真計算與理論分析，優(yōu)化篩選出最優(yōu)導葉關閉規(guī)律。對可能出現(xiàn)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(diào)節(jié)保證要求，為機組的安全穩(wěn)定運行提供保障，也為后續(xù)高水頭抽水蓄能電站過渡過程計算提供參考。