海南瓊中抽水蓄能電站一管三機甩負(fù)荷預(yù)測分析

黃笑同，陳 源，黃 梅

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內(nèi)，工程建成后其主要任務(wù)是承擔(dān)海南電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等任務(wù)。電站設(shè)計安裝3臺200 MW可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總裝機容量600 MW。引水系統(tǒng)采用一洞三機布置形式，尾水系統(tǒng)采用三機一洞，設(shè)尾水調(diào)壓室。電站于2017年12月首臺機投入商運，2018年7月全廠3臺機組全面投入商業(yè)運行。2018年7月，在南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司以及瓊中抽水蓄能有限公司的主導(dǎo)和各方的密切配合下進行了機組甩負(fù)荷試驗。

2 機組甩負(fù)荷預(yù)測的理論基礎(chǔ)和基本思路

2.1 概述

對三機甩負(fù)荷預(yù)測的基本思路是通過對雙機甩負(fù)荷試驗的實測數(shù)據(jù)進行分析，提取試驗工況下的計算誤差及壓力脈動，以此作為對三機同時甩負(fù)荷的數(shù)值模擬的均值壓力的修正量。從整體來看，是一個將雙機甩負(fù)荷信號分解，提取計算誤差以及壓力脈動信息，再重構(gòu)三機甩負(fù)荷信號的過程。

機組甩負(fù)荷是一個包含復(fù)雜、劇烈水力變化的過渡過程，對于機組甩負(fù)荷時蝸殼、尾水管均值壓力的預(yù)測可通過數(shù)值模擬軟件進行計算；目前各大設(shè)計院、高校以及機組制造廠家均有較成熟的計算軟件和手段對機組甩負(fù)荷過程進行模擬，計算結(jié)果廣泛應(yīng)用于電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計、機組參數(shù)選擇以及試驗分析等。但隨著抽水蓄能發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展，尤其是對于壓力脈動的認(rèn)識和研究的深入，采用傳統(tǒng)的、基于特征線法開發(fā)的軟件、程序的計算結(jié)果與機組甩負(fù)荷實測數(shù)據(jù)存在一定偏差，對于工況更嚴(yán)苛的機組甩負(fù)荷試驗的參考、指導(dǎo)意義存在一定局限性。為更準(zhǔn)確地預(yù)測機組甩負(fù)荷時的壓力脈動以及特征線法的數(shù)值計算誤差，引入經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析法。

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)由美國國家宇航局美籍華人黃鍔(NordenE.Huang)[1]等人于1998年創(chuàng)造性地提出的，之后廣泛應(yīng)用于濾波、故障檢測、醫(yī)學(xué)分析等領(lǐng)域[2-3]。該方法優(yōu)點在于在對信號進行處理時無須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，可依據(jù)數(shù)據(jù)自身時間尺度特征來進行信號分解，是一種自適應(yīng)信號時頻處理方法。而EMD 方法在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號的分解，在處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)上，具有非常明顯的優(yōu)勢，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號序列，具有很高的信噪比。機組甩負(fù)荷過程中，壓力振蕩較大，頻率成分多樣，是典型的非線性、非平穩(wěn)信號，采用EMD方法是較為合適的。目前國內(nèi)已有專家、學(xué)者率先將EMD方法應(yīng)用于具體抽水蓄能工程實際中[4-5]。

2.2 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解基本理論

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解時，假定任何信號都是由若干本征模函數(shù)組成，在任何時候，一個信號都可以包含若干個本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，以下簡稱“IMF”)，如果本征模函數(shù)之間相互重疊，便形成復(fù)合信號。其過程時間序列s(t)可以表示為

式中，N為分量函數(shù)(imf)的個數(shù)；r(t)為余量。

信號的處理、分解主要包含以下過程：首先，通過三次樣條插值方法對s(t)中所有的極大值點進行擬合，繪制包絡(luò)線e+(t)。其次，以同樣的方法擬合出極小值包絡(luò)線e-(t)，將上下包絡(luò)線均值定義為m(t)=(e+(t)+e-(t))/2。則原始信號s(t)去除均值后的一階imf為：h(t)=s(t)-m(t)；細(xì)節(jié)分量h(t)在迭代轉(zhuǎn)換過程中得到細(xì)化，當(dāng)?shù)竭_到停止標(biāo)準(zhǔn)時，細(xì)節(jié)分量h(t)被提取出來作為imf1(t)；剩下的余量作為r(t)被用來計算定義下一個imf2(t)。后續(xù)迭代過程一直持續(xù)到余量r(t)變得很小或者余量為一單調(diào)函數(shù)。此時EMD分解過程結(jié)束。其中，r(t)為信號變化趨勢或均值。實測壓力信號s(t)經(jīng)N次分解后，將得到的余量rn(t)作為均值壓力，脈動壓力MD(t)=s(t)-rn(t)。

2.3 基本思路

2.3.1 分解雙機甩負(fù)荷壓力波形信號

對機組雙機甩負(fù)荷的數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，將采集到的數(shù)據(jù)信號分解為多個單一頻率的波和殘波的形式，此時單一頻率的波頻率相對較大，主要由于水力、電磁等因素引起的壓力脈動成分所導(dǎo)致；殘波的周期較長，與機組甩負(fù)荷均值壓力變化規(guī)律一致，因此，可將EMD的分解表達式相應(yīng)地表示為

機組甩負(fù)荷實測信號=∑壓力脈動信號+均值壓力信號相應(yīng)的數(shù)值表達式為

rn(t)蝸=P(t)蝸-ΔH(t)蝸

rn(t)尾=P(t)尾-ΔH(t)尾

式中，ci(t)蝸、ci(t)尾為采用EMD方法提取的第i階IMF分量；ΔH(t)蝸、ΔH(t)尾為蝸殼、尾水管脈動壓力；P(t)蝸、P(t)尾為雙機甩負(fù)荷實測的、包含脈動壓力的蝸殼、尾水管壓力波動信號；rn(t)蝸、rn(t)尾為蝸殼、尾水管的均值壓力。

定義計算誤差為

壓力值計算誤差=實測均值壓力-相應(yīng)時刻計算均值壓力

2.3.2 重構(gòu)三機甩負(fù)荷壓力波形信號

在對三機同時甩負(fù)荷信號重構(gòu)前，需要對三機同時甩負(fù)荷的均值壓力進行計算。如上文所述，采用基于特征線法的數(shù)值模擬軟件進行計算，可獲得較為準(zhǔn)確的均值壓力。由于目前暫未進行三機同時甩負(fù)荷試驗，計算暫采用與雙機同時甩負(fù)荷相同的邊界條件，包括機組特性曲線、導(dǎo)葉開度、機組出力、調(diào)壓室或閘門井初始水位、機組轉(zhuǎn)動慣量GD2、接力器行程與導(dǎo)葉開度關(guān)系、100%接力器行程對應(yīng)的導(dǎo)葉開度等，進行恒定流和非恒定流計算分析，獲得計算均值壓力。

每一時刻預(yù)測均值壓力=相應(yīng)時刻計算均值壓力+相應(yīng)時刻計算誤差

每一時刻預(yù)測瞬時總壓力=相應(yīng)時刻預(yù)測均值壓力+相應(yīng)時刻脈動壓力

3 雙機甩負(fù)荷驗證計算與分析

3.1 雙機甩75%負(fù)荷壓力波信號分解

根據(jù)瓊中抽水蓄能電站一管雙機甩75%額定負(fù)荷實測數(shù)據(jù)，對實測壓力波信號采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)法分解，提取雙機甩75%額定負(fù)荷的壓力脈動值以及均值壓力。試驗主要條件：上庫水位565.2 m，下庫水位243.7 m，②、③號機以150.00 MW負(fù)荷正常運行時同時突甩全負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉，球閥關(guān)閉(不參與調(diào)節(jié))。以②號機為例，對雙機同時甩75%額定負(fù)荷試驗實測結(jié)果(數(shù)據(jù)采集頻率1 000 Hz)進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析，經(jīng)由9次EMD分解之后，得到各階IMF以及實測均值壓力，并根據(jù)實測總壓力相應(yīng)計算各時刻的脈動壓力。蝸殼進口實測總壓力、均值壓力以及脈動壓力見圖1；尾水管實測總壓力、均值壓力以及脈動壓力見圖2。

圖1 蝸殼進口實測總壓力、均值壓力對比以及脈動壓力

圖2 尾水管進口實測總壓力、均值壓力對比以及脈動壓力

由圖1、2可知，蝸殼脈動壓力在5～10 s之間達到最大值，脈動壓力幅值范圍為-32.3～30.97 m；尾水管脈動壓力在5 s左右達到最大值，脈動壓力幅值范圍為-26.17～32.94 m，脈動壓力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3.2 雙機甩100%負(fù)荷預(yù)測計算與分析

采用現(xiàn)場試驗實際的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律以及邊界條件，按照雙機甩100%額定負(fù)荷試驗工況進行一維水力過渡過程計算，得到雙機甩負(fù)荷的均值壓力；根據(jù)雙機甩75%額定負(fù)荷試驗反演分析結(jié)果，在過渡過程計算得到的均值壓力基礎(chǔ)上進行計算誤差修正和壓力脈動疊加，得到雙機甩100%額定負(fù)荷試驗工況包含壓力脈動的瞬時壓力波形信號。按照上述方法由雙機甩75%額定負(fù)荷波形信號預(yù)測的雙機甩100%額定負(fù)荷波形信號見圖3。

圖3 由雙機甩75%額定負(fù)荷預(yù)測雙機甩100%額定負(fù)荷波形信號

由圖3可以看出，預(yù)測總壓力與實測總壓力的總體變化趨勢有較好的重合性，部分時間區(qū)域(如甩負(fù)荷后的第15 s后蝸殼壓力)存在一定偏差。但對于甩負(fù)荷過程中的蝸殼、尾水管的極值壓力的預(yù)測較可觀，基本與實測值吻合，蝸殼、尾水管的極值見表1。

表1 雙機甩100%額定負(fù)荷預(yù)測與實測極值對比

4 三機同時甩負(fù)荷預(yù)測計算與分析

同樣地，采用現(xiàn)場試驗的實際導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，按照待預(yù)測的三機甩100 %額定負(fù)荷試驗工況進行一維水力過渡過程計算，得到三機甩負(fù)荷的均值壓力；根據(jù)已經(jīng)完成的雙機甩100%額定負(fù)荷試驗反演分析結(jié)果，在計算得到的均值壓力基礎(chǔ)上進行計算誤差修正和壓力脈動疊加，對三機甩100%額定負(fù)荷進行預(yù)測，預(yù)測的蝸殼、尾水管波形信號以及極值壓力見圖4。對比結(jié)果見表2。

圖4 三機甩100%額定負(fù)荷預(yù)測壓力信號

類別蝸殼進口最大壓力總壓力/m時間/s尾水管進口最小壓力總壓力/m時間/s預(yù)測值481.37.273.705.88調(diào)節(jié)保證設(shè)計值≤497.25—≥2—

5 結(jié) 語

抽水蓄能電站一般具有較長的引水及尾水系統(tǒng)，因此在機組甩負(fù)荷過程中由于水擊現(xiàn)象導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速上升、蝸殼壓力上升以及尾水管壓力下降較常規(guī)電站更為突出。隨著國內(nèi)抽水蓄能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機組甩負(fù)荷試驗被視作一項檢驗機組性能和工程質(zhì)量的重要手段。但鑒于甩負(fù)荷試驗存在一定風(fēng)險，機組在進行甩負(fù)荷試驗前，需要借助可靠的數(shù)值計算和分析手段進行逐級甩負(fù)荷的驗證與預(yù)測，以保證風(fēng)險可控。

本文通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析法對瓊中抽水蓄能電站②、③號機組的甩負(fù)荷試驗進行反演分析，借助雙機甩75%額定負(fù)荷試驗，驗證了雙機甩100%額定負(fù)荷的蝸殼、尾水管壓力預(yù)測波形信號與實測波形信號具有較好的吻合度；并通過提取相應(yīng)的壓力脈動成分對三機甩100%額定負(fù)荷進行預(yù)測。通過反演分析表明，三機同時100%額定負(fù)荷的蝸殼、尾水管壓力的預(yù)測值均滿足原有調(diào)節(jié)保證設(shè)計值的要求。由于本文的反演計算結(jié)論基于雙機甩100%額定負(fù)荷的計算誤差和脈動壓力修正，存在一定的偏差。若進行三機甩額定100%負(fù)荷試驗，建議應(yīng)分別進行三機甩50%、75%額定的試驗，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行逐級甩負(fù)荷的反演計算，得到更為精準(zhǔn)的預(yù)測結(jié)果。