抽水蓄能機組發(fā)電工況雙機同甩組合工況研究

張 飛，李東闊

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

我國運行和在建大型抽水蓄能機組輸水系統(tǒng)普遍采用“一管多機”方式，如浙江仙居[1]、江西HP[2]等采用一管兩機方式，浙江天荒坪[3]、海南瓊中[4]等采用“一管三機”方式，廣東清遠(yuǎn)[5]采用“一管四機”方式等。其中，尤以“一管兩機”式抽水蓄能電站最多。抽水蓄能電站在不同階段均需要對機組大波動過程進行水力過渡計算以實現(xiàn)電站和機組的安全可靠運行。根據(jù)我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10072—2018[6]，抽水蓄能電站水力過渡過程計算應(yīng)準(zhǔn)確模擬輸水系統(tǒng)水力特性和機組特性，合理擬定計算工況。引水系統(tǒng)采用“一管兩機”、尾水系統(tǒng)采用“兩機一洞”時，兩臺機組發(fā)電工況同時甩負(fù)荷的基本設(shè)計工況為不同水位組合下的額定負(fù)荷工況，即額定負(fù)荷時“2臺→0”。因此對于該型式抽水蓄能電站，針對兩臺機組同時甩負(fù)荷工況（以下簡稱雙機同甩），設(shè)計單位、主機制造單位和第三方水力過渡過程計算單位普遍只計算兩臺機組同時甩額定負(fù)荷工況。規(guī)程規(guī)范默認(rèn)雙機同甩額定負(fù)荷時蝸殼進口和尾水進口壓力達到極值，然而，事實確是如此嗎？

“一管兩機”方案中，兩臺機組并不總是負(fù)荷相等，如一臺機組運行于100%Pe、另一臺機組運行于80%Pe，一臺機組運行于100%Pe、另一臺機組增負(fù)荷等。目前抽水蓄能機組普遍投入成組控制，機組處于自動負(fù)荷調(diào)節(jié)模式運行，參與調(diào)頻機組的負(fù)荷隨時發(fā)生波動，且抽水蓄能機組多采用單元接線方式，當(dāng)發(fā)生電氣故障時，如500kV開關(guān)跳閘、主變差動保護動作等情況，將造成同一流道多臺機組同時甩不同負(fù)荷。在這些工況下如果兩臺機組同時甩負(fù)荷，是否這一情形較雙機甩額定負(fù)荷惡劣，其本意是從風(fēng)險較低向較高方向執(zhí)行雙機同甩試驗，各單位均未對這一組合負(fù)荷工況進行校核（以下稱“一管兩機”同時甩不同負(fù)荷為組合工況）。同時，我們注意到，目前抽水蓄能機組普遍在調(diào)試或者竣工驗收階段要求做雙機同時甩負(fù)荷試驗，此時普遍做法是從雙機同甩50%、75%和100%負(fù)荷依次執(zhí)行，然而對于特定電站，是雙機同甩50%的風(fēng)險確實低于雙機同甩100%的風(fēng)險？

基于以上問題，本文選取具有截然不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的三座典型“一管兩機”式抽水蓄能電站，針對水力過渡過程進行建模，采用實際所用導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對雙機同甩組合工況進行計算并分析，以期回答上述問題。

1 計算模型

1.1 軟件平臺

本文研究采用為SIMSEN軟件平臺。SIMSEN是瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)的一款用于電網(wǎng)、變速驅(qū)動設(shè)備和水力系統(tǒng)分析的仿真計算軟件，該軟件在抽水蓄能機組過渡過程計算方面得到了世界范圍內(nèi)普遍驗證[7-9]。

1.2 機組參數(shù)

本研究針對三個典型電站的輸水系統(tǒng)及機組進行建模，分別是HP電站1號流道與1/2號機組、HMF電站2號流道3/4號機組和YX電站2號流道3/4號機組，分別采用一段式、兩段式和三段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。HP電站與YX電站上游管路為“一管兩機”共用一個上游調(diào)壓井，下游管路亦為“一管兩機”共用一個尾水調(diào)壓井；HMF電站上游側(cè)管路為“一管兩機”共用一個上游調(diào)壓井，下游側(cè)“單管單機”分設(shè)各自調(diào)壓井。三個電站與機組關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律分別如圖1所示，SIMSEN環(huán)境下的計算模型分別如圖2所示，全特性曲線分別如圖3所示。

表1 電站及機組關(guān)鍵特征參數(shù)Table 1 Key parameters of power plants and units

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 1 Closing laws of guide vane

1.3 計算設(shè)置

為研究三個電站實際工作狀態(tài)下雙機甩不同負(fù)荷時的狀態(tài)，在實際圖1所示導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律情況下，各站各選取一個典型上下庫水位進行復(fù)核，計算水位如表2所示。

表2 計算工況對應(yīng)水位Table 2 Water levels of calculations

雙機同甩時各臺機組所帶負(fù)荷組合為（50%～100%）Pe（額定負(fù)荷），每臺機組負(fù)荷組合步長為5%Pe，每個電站共計算100個雙機同甩負(fù)荷組合工況。

為保證建模準(zhǔn)確性，將計算結(jié)果與制造廠、設(shè)計院和其他單位所出具報告中的數(shù)值進行對比，采用SIMSEN建模獲得的結(jié)果與相應(yīng)報告結(jié)果偏差小于1%，表明程序可靠。

2 計算結(jié)果

雙機同甩負(fù)荷組合工況下，HP、HMF和YX三個電站蝸殼進口壓力最大值和尾水出口壓力最小值計算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

針對計算特征水位下，雙機同甩負(fù)荷組合工況時蝸殼進口最大壓力，從圖4可見：

（1） HP電站雙機同甩不同負(fù)荷時，蝸殼進口壓力近似隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機同甩額定負(fù)荷時，兩臺機組蝸殼進口壓力分別達到最大值，這表明對于HP電站蝸殼進口壓力而言，雙機同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險工況。

（2） HMF電站雙機同甩不同負(fù)荷時，在雙機同甩67%Pe時，兩臺機組蝸殼進口最大壓力達到最大值，其中3號機組為465.34m，而雙機同甩100%Pe時3號機組蝸殼進口最大值為450.39m，偏差為14.95m；這表明對于HMF電站蝸殼進口壓力而言，雙機同甩額定負(fù)荷不是雙甩組合工況中的最危險工況。

（3）YX電站雙機同甩不同負(fù)荷時，蝸殼進口壓力隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機同甩額定負(fù)荷時，兩臺機組蝸殼進口壓力分別達到最大值，這表明對于YX電站蝸殼進口壓力而言，雙機同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險工況。

針對計算特征水位下，雙機同甩負(fù)荷組合工況時尾水進口最小壓力，從圖5可見：

圖2 SIMSEN計算模型Figure 2 Calculation models in SIMSEN

（1） HP電站雙機同甩不同負(fù)荷時，尾水管進口壓力的最小值并未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對本臺機組而言，本臺機組帶100%Pe，相鄰機組帶70%Pe，此時雙機同甩時本臺機組尾水進口壓力達到最小值；兩臺機組尾水進口最小值發(fā)生在1號機組70%Pe、2號機組100%Pe時，此時1號機組尾水進口最小值為20.78m，該值較雙機同甩100%Pe時尾水進口壓力最小值37.17m小16.39m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院《暫行規(guī)定》[10]，考慮3%的壓力脈動修正和10%的計算誤差，修正后尾水進口壓力最小值為-1.42m，顯然該值已不滿足調(diào)節(jié)保證要求?？紤]到實際僅對一個水位組合下的雙機同甩工況進行計算，實際其他水頭組合下雙機同甩時尾水進口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，因此HP電站現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律需要進一步優(yōu)化，以提高雙機同甩時尾水進口壓力數(shù)值，排除水柱分離的隱患。

（2）HMF電站雙機同甩不同負(fù)荷時，尾水管進口壓力的最小值亦未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對本臺機組而言，本臺機組帶80%Pe，相鄰機組帶69%Pe，此時雙機同甩時本臺機組尾水進口壓力達到最小值；兩臺機組尾水進口最小值發(fā)生在4號機組80%Pe、3號機組69%Pe時，此時4號機組尾水進口最小值為14.99m，該值較雙機同甩100%Pe時尾水進口壓力最小值39.89m小24.90m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院《暫行規(guī)定》[10]，修正取甩前凈水頭2%的壓力脈動和5%壓力下降值的計算誤差，修正后的尾水進壓力為5.95m，已經(jīng)小于保證值；如果修正取甩前凈水頭3.5%的壓力脈動和10%壓力下降值的計算誤差，修正后的尾水進壓力為-1.57m；考慮到實際僅對一個水位組合下的雙機同甩工況進行計算，實際其他水頭組合下雙機同甩時尾水進口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，這表明，HMF電站在雙機同甩負(fù)荷組合工況時尾水管進口壓力已不滿足合同保證值的要求，可能處于危險邊緣中。

（3）YX電站雙機同甩不同負(fù)荷時，兩臺機組尾水管進口壓力的最小值均發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況，最小值為41.82m；雙機同甩時尾水進口壓力最小值趨勢與目前認(rèn)知相符；YX電站尾水進口壓力最小值裕量較大。

圖3 全特性曲線Figure 3 Four-quadrant characteristic curves

圖4 蝸殼進口壓力最大值計算結(jié)果Figure 4 Calculation results of maximum pressure for spiral case inlet

圖5 尾水進口壓力最小值計算結(jié)果Figure 5 Calculation results of minimum pressure for draft tube inlet

從圖4和圖5中亦可見：雙機同甩組合工況時，同一流道中的兩臺機組其壓力極值并不相等，如HP電站1號流道中1號機組100%Pe、2號機組60%Pe時雙機同甩所獲得的1號機組蝸殼進口壓力最大值與2號機組100%Pe、1號機組60%Pe所計算出的2號機組蝸殼進口壓力最大值并不相等，其原因主要是流道差異導(dǎo)致。

3 引發(fā)問題

從第二節(jié)分析結(jié)果可見，雖然某些抽水在雙機同時甩特定負(fù)荷組合時存在風(fēng)險。甩負(fù)荷時，尾水錐管內(nèi)必然存在空化[11，12]，空化至一定程度則將產(chǎn)生水柱分離-彌合現(xiàn)象[13]，造成機組抬機等事故，因此必須控制尾水管進口壓力。

NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設(shè)計規(guī)范》[6]和水電水利規(guī)劃設(shè)計總院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計專題報告編制暫行規(guī)定（試行）的通知》（以下簡稱《暫行規(guī)定》）是我國抽水蓄能電站設(shè)計的根本遵循，其中NB/T 10072—2018規(guī)定了調(diào)節(jié)保證的設(shè)計工況，而《暫行規(guī)定》則給出了蝸殼進口壓力和尾水出口壓力的修正方法。NB/T 10072—2018中所推薦的“一管兩機”雙機同甩工況調(diào)節(jié)保證計算只包含雙機同甩額定負(fù)荷，未明確指出需要對雙機同甩負(fù)荷的組合工況進行計算。而根據(jù)HP電站計算結(jié)果，尾水進口最小壓力并不發(fā)生在雙機同甩額定負(fù)荷工況，根據(jù)HMF電站計算結(jié)果，蝸殼進口壓力和尾水進口壓力極值均不是發(fā)生在雙機同甩額定負(fù)荷工況。因此，需要對NB/T 10072—2018標(biāo)準(zhǔn)進行修訂，明確在電站設(shè)計階段，必須對不同水位組合下雙機同甩不同負(fù)荷組合工況進行計算，以確保所設(shè)計電站運行安全可靠。

由于我國早期電站均存在相繼甩負(fù)荷不能滿足要求的問題，此時雙機同時甩負(fù)荷成為關(guān)鍵控制工況。從一管兩機型式電站實際運行而言，同一水力單元中每臺機組不同負(fù)荷運行已成為常態(tài)，雙機同甩不同負(fù)荷的組合工況發(fā)生的概率遠(yuǎn)大于雙機相繼甩負(fù)荷，而早期電站設(shè)計時普遍對雙機同甩額定負(fù)荷工況進行校驗，未對不同負(fù)荷的組合工況進行校驗，因此實際運行時某些特定電站可能存在極大隱患。故應(yīng)對我國采用共水力單元的一管多機型式抽水蓄能電站進行重新復(fù)核，以期找到最危險的組合工況，避免在此組合工況下運行，降低電站安全風(fēng)險。

對于運行電站，從HP電站和HMF電站計算結(jié)果看，在雙機同時甩特定組合工況時，尾水進口壓力已經(jīng)接近危險狀態(tài)中，在現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律前提下，需采取特定運行措施以避免雙機同甩時尾水管發(fā)生水柱分離-彌合現(xiàn)象。

由于調(diào)試抽水蓄能電站普遍進行“一管多機”同時甩負(fù)荷試驗[13，14]，而實施時普遍為每臺機組帶同等負(fù)荷，從低負(fù)荷向高負(fù)荷甩起，其本意是從低風(fēng)險向高風(fēng)險方向依次執(zhí)行，然而存在偏離這一風(fēng)險原則的可能。而從HMF電站計算結(jié)果看，對于特定電站這種試驗實施方式應(yīng)當(dāng)改變。此時，應(yīng)在水力過渡過程計算的指導(dǎo)下合理確定“一管多機”同時甩負(fù)荷的工況點。這點對于目前正在調(diào)試電站尤為重要。

十三五期間我國開工建設(shè)了大量抽水蓄能電站，2015年開工了安徽金寨、山東沂蒙、河南天池等6座抽水蓄能電站，2016年開工了陜西鎮(zhèn)安、遼寧清原等5座抽水蓄能電站，2017年開工了河北易縣、浙江寧海等6座抽水蓄能電站，2018年開工浙江衢江、河北撫寧等5座抽水蓄能電站，2019年開工了山西垣曲、安徽桐城等4座抽水蓄能電站。這些電站普遍采用一管多機式設(shè)計方案，在基建電站轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)完成的情況下，當(dāng)對調(diào)節(jié)保證進行計算時，必須對多機同甩組合工況進行校核，以尋求最佳導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，避免蝸殼進口壓力超過設(shè)計保證值，以及尾水管進口斷面出現(xiàn)水柱分離-彌合現(xiàn)象。

上述問題的出現(xiàn)，對目前設(shè)計院、主機制造單位和第三方科研院所等高校調(diào)節(jié)保證計算提出了新的要求。對特定電站而言，需要加強雙機同時甩負(fù)荷組合工況的校核，在機組水力過渡過程報告中增加不同水位組合下雙機同甩不同負(fù)荷組合工況的數(shù)值仿真，重新評估雙甩下的機組安全性，而不僅僅只計算不同水位組合下的雙機同甩額定負(fù)荷工況。

4 結(jié)論

本文在SIMSEN軟件平臺上，針對三座抽水蓄能電站不同的水力單元及機組進行建模，探討了“一管兩機”型式下雙機同時甩不同負(fù)荷工況下的蝸殼進口最大壓力和尾水出口最小壓力的分布情況，獲得以下結(jié)論：

（1） 對于某些抽水蓄能電站，雙機同時甩負(fù)荷時，蝸殼進口最大壓力和尾水進口最小壓力并不出現(xiàn)在雙機同時甩額定負(fù)荷工況。

（2） 應(yīng)研究蝸殼進口最大壓力、尾水進口最小壓力與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、機組全特性曲線、流道水力參數(shù)等因素的影響關(guān)系，以有效指導(dǎo)調(diào)節(jié)保證計算。

（3） 在運抽水蓄能電站需校核雙機同時甩不同負(fù)荷時的調(diào)節(jié)保證參數(shù)，以指導(dǎo)電站優(yōu)化運行。

（4） 在建電站調(diào)節(jié)保證參數(shù)優(yōu)化時需充分考慮雙機同時甩不同負(fù)荷工況，導(dǎo)葉關(guān)閉優(yōu)化應(yīng)考慮這些工況。

（5） 調(diào)試電站在“一管兩機”同時甩負(fù)荷試驗實施前應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計算結(jié)果合理選擇負(fù)荷點。

（6）建議修訂NB/T 10072—2018，明確“一管兩機”型式抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證的基本設(shè)計工況應(yīng)包含雙機同時甩不同負(fù)荷的組合工況。