抽水蓄能機組水泵工況下斷電反轉(zhuǎn)特性分析

王 亮，張 飛，狄宏偉，薛小兵，李東闊

(1. 華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205；2. 國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

0 引 言

近年來，隨著風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，電力系統(tǒng)對調(diào)峰、調(diào)頻的需求大幅提升。由于抽水蓄能電站能夠很好滿足電力系統(tǒng)在這方面的需求，因此我國在“十三五”期間加快了抽水蓄能建設(shè)的步伐，相繼開工建設(shè)了鎮(zhèn)安、清原、句容、易縣、寧海、洛寧、濰坊、哈密等20余座抽水蓄能電站，竣工投產(chǎn)了仙居、洪屏、清遠、深圳等6座抽水蓄能電站。這些抽水蓄能電站的開工及投運顯著促進了清潔能源消納，并提升了電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)及運行安全穩(wěn)定性。

水泵水輪機是抽水蓄能電站的核心部件之一。抽水蓄能機組普遍采用高速雙向旋轉(zhuǎn)設(shè)計、容量大、水頭高，水泵水輪機轉(zhuǎn)輪流道相對狹長，使得抽水蓄能機組產(chǎn)生了獨特的水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，包括S特性區(qū)[1]、駝峰區(qū)[2]等。這些水力不穩(wěn)定現(xiàn)象使得抽水蓄能機組過渡過程調(diào)節(jié)保證校核較常規(guī)機組更為復(fù)雜。因此，導(dǎo)致了與水電機組截然不同的過渡過程調(diào)節(jié)特性，如發(fā)電甩負荷過程中球閥參與調(diào)節(jié)[3,4]，水泵斷電時機組反轉(zhuǎn)等一系列現(xiàn)象[5,6]。其中球閥是否參與調(diào)節(jié)目前已獲得廣泛共識，即限制球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)，而水泵斷電工況是否允許機組反轉(zhuǎn)以及發(fā)生反轉(zhuǎn)后機組轉(zhuǎn)速上升率在工程實際上并沒有獲得共識，對水泵斷電反轉(zhuǎn)是否影響機組安全穩(wěn)定缺乏有效評估，這也直接導(dǎo)致水泵工況斷電反轉(zhuǎn)近額定轉(zhuǎn)速的相關(guān)電站在竣工驗收時遇到一系列不可控因素。有鑒于此，本文以實際電站為研究對象，對水泵工況斷電反轉(zhuǎn)所涉及的問題進度剖析，探索機組反轉(zhuǎn)對抽水蓄能電站的過渡過程影響規(guī)律，從過渡過程評價參數(shù)、材料應(yīng)力極限強度、壓力波動幅值等方面進行分析，以期明晰抽水蓄能機組水泵工況斷電反轉(zhuǎn)相關(guān)問題，為抽水蓄能電站的竣工驗收和穩(wěn)定運行提供參考依據(jù)。

1 機組概述

某抽水蓄能電站安裝4臺單機容量為300 MW的混流可逆式抽水蓄能機組，上庫水位變化范圍716～733 m，下庫水位變化范圍163～181 m，水泵最大揚程577 m，流量45 m3/s，水泵最小揚程539 m，流量53 m3/s，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，析出高度-70 m。引水系統(tǒng)采用一洞兩機豎井式布置，豎井中部設(shè)置中平段。引水系統(tǒng)全長1 400.7 m，尾水系統(tǒng)全長1 220.8 m，輸水系統(tǒng)總長2 621.5 m(1號機組)。

2016年該電站首臺機組(1號水力單元1號機組)調(diào)試期間進行了水泵工況斷電試驗，試驗時上庫水位712.9 m，下庫水位169.4 m。試驗過程中導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律與機組轉(zhuǎn)速見圖1所示，機組蝸殼進口與錐管壓力波形見圖2所示。

圖1 水泵斷電時導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律與機組轉(zhuǎn)速曲線Fig.1 Guide vane closing principle and unit speed in pump load rejection

圖2 水泵斷電時蝸殼進口與錐管壓力曲線Fig.2 Spiral case pressure and cone tube pressure in pump load rejection

從圖1可見，在一段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為37.6 s/100%時，機組出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，最高反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速，機組蝸殼進口壓力最大值為6.376 MPa，尾水錐管壓力最大值與最小值分別為1.565 MPa和0.149 MPa。從調(diào)節(jié)保證方面看，實測結(jié)果滿足機組調(diào)節(jié)保證要求，機組能夠安全穩(wěn)定運行。水泵斷電機組發(fā)生反轉(zhuǎn)時，機組主軸有可能承受較大的反轉(zhuǎn)力矩，反轉(zhuǎn)力矩受轉(zhuǎn)速變化率的影響，而轉(zhuǎn)速變化率由導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律所決定。因此，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律能夠?qū)崿F(xiàn)對主軸受力的優(yōu)化。導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的調(diào)整將導(dǎo)致過渡過程參數(shù)變化，下文將采用數(shù)值計算、輔助現(xiàn)場試驗的方式對這一過程進行評估。

2 數(shù)值計算

2.1 模型與保證參數(shù)

采用基于特征線法的水力過渡過程計算是對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化及過渡過程參數(shù)評價的有效途徑[7]。本文利用SIMSEN軟件[8]建立該電站1號水力單元數(shù)值仿真模型，相關(guān)組件見圖3所示，整個系統(tǒng)包括：上庫、上游閘門井、上游調(diào)壓井，上游側(cè)引水管路、上游側(cè)岔管、水泵水輪機、下游側(cè)岔管、下游側(cè)引水管路、下游調(diào)壓井、下游閘門井等。

圖3 電站1號水力單元數(shù)值仿真模型Fig.3 Numerical simulation model of No.1 hydraulic system

為充分研究導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對水泵斷電工況的影響，計算時采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律從15 s/100%～39 s/100%，每隔2 s計算一次，見圖4所示。計算的上、下庫水位條件與第一節(jié)中實際測試條件相同。

圖4 計算工況的導(dǎo)葉開度規(guī)律Fig.4 Guide vane closing principle for calculated working points

2.2 模型驗證

1號水力單元1號機組在上庫水位712.9 m、下庫水位169.4 m時水泵斷電數(shù)值仿真和實測結(jié)果見圖5所示?？紤]到：一是蝸殼進口和尾水錐管壓力采用測壓管路進行測試(見圖2所示)，信號中包含有由于測壓管路動態(tài)效應(yīng)導(dǎo)致特定頻率成分放大[9]以及噪聲[10]等；二是真機實測信號中包含動靜干涉頻率、葉片過流頻率等高頻信號[11]，而數(shù)值仿真模型中這些頻率成分并不能夠真實模擬，因此采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法[12]提取壓力信號中的趨勢項，采用趨勢項與計算結(jié)果進行比較，以驗證模型的有效性。

表1 調(diào)節(jié)保證條件Tab.1 Requirements for guarantee calculation

圖5可見：當(dāng)前水位條件下，實測轉(zhuǎn)速曲線與計算轉(zhuǎn)速曲線基本重合，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速實測值100.4%、計算值99.7%，誤差小于1%；蝸殼進口壓力與尾水錐管壓力在前30 s基本具有一致的變化規(guī)律，隨后計算壓力波動略大于實測值，但計算值與實測值具有一致的變化趨勢，蝸殼進口最大壓力實測值643.4 m、計算值670.5 m，誤差為4.2%，尾水錐管進口最大壓力實測值118.9 m、計算值124.7 m，誤差為4.9%。引起計算值的壓力波動主要的原因在于水泵反轉(zhuǎn)后，機組進入S特性區(qū)導(dǎo)致計算值大幅波動，S特性區(qū)曲線受限于磁滯效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)失速及試驗方法等影響[13]，模型的特性曲線不能精確反映實際情況，使得計算與實測出現(xiàn)偏差。綜上所述，計算曲線與實測曲線基本吻合，數(shù)值模型與實測結(jié)果一致，模型有效。

2.3 計算結(jié)果分析與討論

利用SIMSEN軟件，采用圖4所示一段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，各關(guān)閉規(guī)律下的軸扭矩、機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力、尾水錐管進口壓力、上庫閘門井、下庫閘門井、上庫調(diào)壓井和下庫調(diào)壓井等計算結(jié)果分別見圖6(a)～(h)。圖中各導(dǎo)葉關(guān)閉時間下，5 s前機組處于穩(wěn)定抽水狀態(tài)，水泵斷電起始時刻均為5 s。圖7給出了關(guān)鍵參數(shù)隨導(dǎo)葉關(guān)閉時間的變化規(guī)律。

從圖6(a)可見：①對不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律而言，力矩方向是否發(fā)生改變?nèi)Q于導(dǎo)葉關(guān)閉時間。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間小于等于15 s/100%時，力矩方向不會發(fā)生改變，此時力矩均為制動力矩，制動力矩所消耗的功與機組儲能迅速平衡，使得機組快速停機至零；當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間增大時(大于15 s/100%)，由于關(guān)閉時間延長，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)所吸收的能量除平衡機組儲能外，將使得機組向反向加速，并在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后在軸承摩擦力矩、風(fēng)阻力矩等作用下緩慢減速；而當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間大于31 s/100%時，由于水泵水輪機在第一和第四象限存在典型的S型特性，導(dǎo)致力矩方向來回發(fā)生改變。②水泵斷電后，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉，前6.5s(5.0～11.5s)機組力矩急劇減小后增大，不同導(dǎo)葉關(guān)閉時間下的力矩曲線重合，這表明在這一時間段內(nèi)導(dǎo)葉關(guān)閉時間變化不影響水泵力矩變化規(guī)律；該階段內(nèi)由于發(fā)電電動機失去與電網(wǎng)的聯(lián)系，電磁力矩降為零，不考慮軸承摩擦、通風(fēng)等阻力矩時，造成力水力矩與電磁力矩的平衡關(guān)系遭到破壞，水泵水輪機工況點從模型特性曲線的第三象限迅速穿向第二象限。斷電過程軌跡線見圖7所示。③機組力矩的極值隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的增大逐漸增大，對應(yīng)時刻亦隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的延長而延長。

圖5 水泵斷電過程參數(shù)實測值與計算值對比Fig.5 Calculated and measured parameter comparison in pump load rejection

圖6 水泵斷電時不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值仿真結(jié)果Fig.6 Key parameter trends for different guide vane closing principle in pump load rejection

圖7 斷電過程單位轉(zhuǎn)速與單位流量軌跡線Fig.7 Traces of n11 and Q11 in pump load rejection

圖6(b)所示的機組轉(zhuǎn)速特性在前6.5 s(5～11.5 s)時間范圍內(nèi)也重合，而轉(zhuǎn)速變化量是在力矩的作用下產(chǎn)生的，從而進一步驗證了這一時段內(nèi)導(dǎo)葉關(guān)閉時間對機組的力矩不產(chǎn)生顯著影響。在導(dǎo)葉關(guān)閉時間小于等于15 s/100%時，機組未發(fā)生反轉(zhuǎn)；而當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間大于15 s/100%后機組均出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速極值及其對應(yīng)時刻取決于導(dǎo)葉關(guān)閉時間大小。

對圖6(c)和6(d)中的蝸殼進口和尾水進口壓力：①整體上看，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉后由于水錘波形在分別在蝸殼進口與上庫間和尾水進口與下庫間來回傳播，導(dǎo)致相應(yīng)監(jiān)測點出現(xiàn)大幅壓力波動，該壓力波動峰值在管道系統(tǒng)阻尼作用下逐漸衰減；受壓力波傳播速度和上下游流道長度影響，蝸殼進口壓力波動周期大于尾水進口壓力波動周期；由于計算誤差的影響，圖中壓力脈動波形呈現(xiàn)出某種不光滑的隨機狀態(tài)。②在前5 s(5～10 s)時段內(nèi)，兩個測點壓力變化趨勢重合，基本不受導(dǎo)葉關(guān)閉時間的影響；在10～18 s時段內(nèi)，壓力波動分別具有相同的變化趨勢。

圖6(e)和6(f)給出了上、下庫閘門井的水位波動情況，從圖中可見，導(dǎo)葉關(guān)閉時間從15～37 s/100%之間變化時，上庫閘門井水位波動在711.52～714.06 m之間，下庫閘門井水位波動在168.71～170.59 m之間，水位波動受導(dǎo)葉關(guān)閉時間影響小。引起原因主要在于：上、下庫閘門井分別與上、下庫相連，位置接近，相較于管道中水體而言，上下庫水體質(zhì)量大，受調(diào)壓井有效控制，水泵斷電所產(chǎn)生的水擊能量不足以對上下庫水位產(chǎn)生大幅波動。

最終仿真結(jié)果如圖4中紅色曲線所示,其中藍色曲線為電路仿真結(jié)果。紅色曲線上的A1、A2兩點是通帶邊頻點,其插損分別達到了0.43 dB和0.38 dB;而B1、B2是帶外抑制點,分別達到73.4 dB和36.2 dB;另外C點是由飛桿引起的諧波,不影響通帶外的抑制要求,而諧波從9 GHz附近開始對遠端抑制產(chǎn)生影響。

圖6(g)和6(h)上下游調(diào)壓井水位波動可見，調(diào)壓井水位波動幅值受導(dǎo)葉關(guān)閉時間影響，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的增大，調(diào)壓井水位波動幅值逐漸增大，但波動周期與導(dǎo)葉關(guān)閉時間無關(guān)，調(diào)壓井水位波動周期主要受調(diào)壓井及管路特征尺寸的影響[14]。

從圖7斷電過程中單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量Q11的軌跡線可以看出：不同的導(dǎo)葉關(guān)閉時間情況下，軌跡線由第三象限向第二象限穿越時軌跡線存在重合區(qū)域，這進一步驗證了導(dǎo)葉關(guān)閉時間對水泵斷電時初始階段的力矩、轉(zhuǎn)速、關(guān)鍵監(jiān)測點壓力等不產(chǎn)生影響；同時，在導(dǎo)葉關(guān)閉時間大于15 s/100%后，軌跡線將經(jīng)歷第一象限水輪機工況，進一步當(dāng)關(guān)閉時間大于31 s/100%時，軌跡線將穿越第四象限，經(jīng)歷反水泵工況。由于第一象限中存在典型的S特性區(qū)，過長的導(dǎo)葉關(guān)閉時間將造成水泵水輪機長時間在S區(qū)內(nèi)運行，而S區(qū)內(nèi)存在由于旋轉(zhuǎn)失速造成的大幅壓力脈動[15]，降低了機組的運行穩(wěn)定性，增大了機組轉(zhuǎn)速失控的風(fēng)險。

為探索不同導(dǎo)葉關(guān)閉時間對關(guān)鍵測點極值變化的影響，圖8給出了水泵斷電過程中反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(以額定轉(zhuǎn)速為基準的相對值)、最大力矩(以額定力矩為基礎(chǔ)的相對值)、蝸殼進口壓力最大值、尾水進口壓力最小值、上庫調(diào)壓井水位極值、上庫閘門水位井極值、下庫閘門水位井極值和下庫調(diào)壓井極值等關(guān)鍵控制參數(shù)的變化規(guī)律。

圖8 調(diào)節(jié)保證參數(shù)與導(dǎo)葉關(guān)閉時間關(guān)系曲線Fig.8 Trends between guarantee parameters and guide vane closing time

從圖8可見：隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的延長，機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、反轉(zhuǎn)力矩、上庫調(diào)壓井水位最大值、下庫調(diào)壓井水位最大值有增大的趨勢；上下庫閘門井水位極值基本保持恒定，基本不受導(dǎo)葉關(guān)閉時間的影響；蝸殼進口壓力最大值呈倒“V”型趨勢，隨導(dǎo)葉關(guān)閉時間的延長先增大后減??；尾水進口壓力最小值呈“V”型趨勢，隨關(guān)閉時間的延長先減小后增大。

導(dǎo)葉關(guān)閉時間取決于調(diào)節(jié)保證計算控制值，良好的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律應(yīng)保證機組調(diào)節(jié)保證參數(shù)在容許范圍內(nèi)以有利于機組的長期安全穩(wěn)定運行。圖8所示計算工況下的調(diào)節(jié)保證結(jié)果，壓力參數(shù)和水位參數(shù)均遠小于表1給出了的調(diào)節(jié)保證參數(shù)控制值。通過本站典型工況的調(diào)節(jié)保證計算表明，決定導(dǎo)葉關(guān)閉時間的關(guān)鍵控制工況并非水泵斷電工況，在不同的水位組合條件下，水輪機甩負荷時調(diào)節(jié)保證參數(shù)均較水泵工況嚴苛。因此，對于具有反轉(zhuǎn)特性的抽水蓄能機組，水泵工況的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律一方面取決于具體的全特性曲線，另一方面取決于斷電后機組是否發(fā)生有害影響。對具體機組，全特性曲線是固定的，判斷水泵斷電情況下的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律是否適當(dāng)主要由機組的安全性所決定。案例機組研究表明蝸殼進口和尾水進口壓力以及調(diào)壓井、閘門井的水位并非影響過渡過程機組安全的關(guān)鍵控制因素，機組的安全性主要取決于反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和力矩。從圖7(a)、圖7(b)和圖8(a)計算結(jié)果看，水泵工況斷電時，由于導(dǎo)葉關(guān)閉時間長，機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將存在超過額定轉(zhuǎn)速的風(fēng)險，此時極有可能觸發(fā)電氣一級過速，同時力矩也將超過額定力矩，引起主軸運行風(fēng)險。然而，通過降低導(dǎo)葉關(guān)閉時間，控制其在一定時間范圍內(nèi)，反轉(zhuǎn)速度和力矩能夠分別控制在額定轉(zhuǎn)速和額定力矩以下?？紤]到導(dǎo)葉關(guān)閉速度受調(diào)速油壓系統(tǒng)固有特性限制，同時受導(dǎo)葉關(guān)閉力矩的限制，存在關(guān)閉速度最大極限，即最小導(dǎo)葉關(guān)閉時間，因此導(dǎo)葉關(guān)閉時間存在實際下限。

水泵斷電時快速關(guān)閉導(dǎo)葉雖然可以使得機組能夠完成快速停機，然而從圖7(c)和圖7(d)可見，會引發(fā)大幅值的蝸殼進口和尾水進口壓力波動。當(dāng)球閥工作密封存在缺陷或故障產(chǎn)生泄露時，將會成為典型的水力激振擾動源，造成球閥工作密封用水水源壓力不穩(wěn)定，觸發(fā)球閥自激振動[16,17]，引起上游壓力管道更大幅值的壓力波動，從而造成嚴重的后果，故導(dǎo)葉關(guān)閉時間不宜過小。

3 結(jié) 論

本文針對可逆式抽水蓄能機組水泵斷電工況發(fā)生的反轉(zhuǎn)問題，利用商業(yè)軟件進行建模并采用實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，在此基礎(chǔ)上研究了一段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的調(diào)節(jié)保證參數(shù)變化規(guī)律，獲得以下結(jié)論。

(1)水泵斷電時，不同導(dǎo)葉關(guān)閉時間情況下，自斷電時刻轉(zhuǎn)輪自第三象限向第二象限發(fā)展過程中存在一個階段，在此階段內(nèi)，包含轉(zhuǎn)速、力矩、壓力極值等調(diào)節(jié)保證參數(shù)變化趨勢重合，基本不受關(guān)閉時間限制；

(2)水泵斷電機組反轉(zhuǎn)時，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的增大，反轉(zhuǎn)力矩和反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速逐漸增大，蝸殼進口壓力存在最大值，尾水進口壓力存在最小值，上、下庫調(diào)壓井和閘門井水位波動極值變幅較??；

(3)水泵斷電時機組是否反轉(zhuǎn)取決于導(dǎo)葉關(guān)閉時間，導(dǎo)葉關(guān)閉時間最小值受蝸殼進口前壓力波動和調(diào)速器油壓系統(tǒng)固有時間特性限制；導(dǎo)葉關(guān)閉時間最大值受反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和主軸力矩所限制。

(4)在反轉(zhuǎn)力矩和反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不超過額定值的條件下，存在最佳的導(dǎo)葉關(guān)閉時間使得調(diào)節(jié)保證各項參數(shù)能夠達到最佳的協(xié)調(diào)。

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