劉 君,張繼成,劉立峰

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

調(diào)節(jié)保證設(shè)計參數(shù)分為水力過渡過程計算控制值、水力過渡過程計算值、調(diào)節(jié)保證設(shè)計值等,其中水力過渡過程計算控制值是以現(xiàn)行規(guī)范推薦值為基礎(chǔ)、結(jié)合工程實際與經(jīng)驗確定的水力過渡過程計算時的限制性參數(shù)值[1]。確定大波動設(shè)計工況和校核工況下的機組最大轉(zhuǎn)速、蝸殼最大壓力和尾水管最小壓力是抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計最重要的3個大波動控制性參數(shù),目前在中國現(xiàn)行的規(guī)范中，對抽水蓄能電站大波動控制性參數(shù)作出規(guī)定的主要有DL/T 5186—2004《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》[2]和DL/T 5208—2005《抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則》[3]。隨著近10年中國抽水蓄能電站建設(shè)的提速，抽水蓄能機組的設(shè)計和制造廣泛運用了新技術(shù)和新設(shè)計理念，可逆式水泵水輪機技術(shù)取得較大發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出高水頭、高轉(zhuǎn)速和大容量的發(fā)展趨勢[4]，新時期下抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計的控制參數(shù)取值值得深入研究。本文依托西北地區(qū)3個典型抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計成果，對抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計的大波動控制參數(shù)取值進行了分析和探討。

1 西北地區(qū)抽水蓄能電站工程概況

陜西鎮(zhèn)安、新疆阜康及甘肅肅南抽水蓄能電站為正在開展前期設(shè)計的3個地處西北地區(qū)的抽水蓄能電站，3個抽水蓄能電站的額定水頭分別為440、484及560 m，水頭均超過400 m；額定轉(zhuǎn)速分別為375、428.6及500 r/min，機組額定工況比轉(zhuǎn)速分別為110.3、104.5及101.5 m·kW，故這3個電站的可逆式機組全特性具有規(guī)律性。從輸水發(fā)電系統(tǒng)布置上看，3個抽水蓄能電站的引水系統(tǒng)均采用“1洞2機”，主要包括上水庫進/出水口、引水隧洞、引水鋼岔管、引水支管、主副廠房洞；尾水系統(tǒng)采用“2機1洞”方案，主要包括尾閘洞、尾水支管、尾水岔管、尾水隧洞和下水庫進/出水口。其中鎮(zhèn)安與阜康抽水蓄能電站為尾部開發(fā)，均設(shè)置了引水調(diào)壓室；肅南抽水蓄能電站為中部開發(fā)，設(shè)置了尾水調(diào)壓室，其引水系統(tǒng)與尾水系統(tǒng)均超過2 000 m，故引水調(diào)壓室的設(shè)置必要性分析與輸水發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)保證設(shè)計更加復(fù)雜。這3個抽水蓄能電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)對比如表1所示，布置如圖1～2所示。

表1 西北地區(qū)三個抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)對比表

圖1 鎮(zhèn)安及阜康抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖

圖2 肅南抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖

2 調(diào)節(jié)保證設(shè)計成果及分析

2.1 機組最大轉(zhuǎn)速計算控制標準分析

2.1.1 機組最大轉(zhuǎn)速計算結(jié)果

西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程最大轉(zhuǎn)速計算值,見表2。

表2為中國西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程最大轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，其中鎮(zhèn)安抽水蓄能電站在設(shè)計工況時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為39.46%，在校核工況(導(dǎo)葉拒動)時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為44.64%；阜康抽水蓄能電站在設(shè)計工況時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為34.64%，在校核工況(導(dǎo)葉拒動)時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為38.15%；肅南抽水蓄能電站在設(shè)計工況時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為36.13%；在校核工況(導(dǎo)葉拒動)時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為41.84%。這3個抽水蓄能電站在校核工況下的最大轉(zhuǎn)速上升極值均發(fā)生在如下工況：上庫或下庫正常蓄水位、額定水頭、額定功率、額定流量、同一水力單元2臺機同時甩全負荷，導(dǎo)葉一關(guān)一拒。

表2 西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程最大轉(zhuǎn)速計算值表

2.1.2 現(xiàn)行規(guī)范的最大轉(zhuǎn)速升高率標準

文獻[2]對機組甩負荷時的最大轉(zhuǎn)速升高率規(guī)定：當(dāng)機組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大，或擔(dān)負調(diào)頻任務(wù)時，宜小于50%；當(dāng)機組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康牡谋戎夭淮螅虿粨?dān)負調(diào)頻時，宜小于60%。文獻[3]中對抽蓄電站機組轉(zhuǎn)速的計算指標要求如下：機組允許最大轉(zhuǎn)速升高率基本上與常規(guī)機相同，詳見文獻[2]中的規(guī)定，但對于大容量、高水頭/揚程水泵水輪機，允許最大轉(zhuǎn)速升高率βmax不宜超過45%。

2.1.3 對最大轉(zhuǎn)速計算控制標準的思考

目前中國400 m水頭以上抽水蓄能電站中，除了鎮(zhèn)安(單機容量350 MW)、仙居(單機容量375 MW)等較大單機容量的機組額定轉(zhuǎn)速為375 r/min以外，其余均為428 r/min甚至更高轉(zhuǎn)速，隨著機組轉(zhuǎn)速的升高，機組安全穩(wěn)定運行的風(fēng)險同時增加[5]。水泵水輪機飛逸轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值遠小于混流式水輪機，但其額定轉(zhuǎn)速要高于同級別容量的混流式機組，因此，相同轉(zhuǎn)速上升率下的轉(zhuǎn)速絕對值要高于混流式機組，而且雙向旋轉(zhuǎn)、啟動頻繁，水泵水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子等相關(guān)部件的穩(wěn)定性問題比混流式機組更加突出。

表3 國內(nèi)外已投運或在建的部分抽水蓄能電站過渡過程最大轉(zhuǎn)速計算值表

表3為國內(nèi)外已投運或在建的部分抽水蓄能電站過渡過程最大轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，該表分別統(tǒng)計了額定轉(zhuǎn)速在375、428.6及500 r/min的過渡過程計算結(jié)果，從表中可以看出，日本抽水蓄能電站的轉(zhuǎn)速上升控制率一般在42%以內(nèi)。高水頭、高轉(zhuǎn)速可逆式機組在轉(zhuǎn)速升高時存在著一定的穩(wěn)定性風(fēng)險，而且甩負荷后較高的絕對轉(zhuǎn)速可能會使機組局部產(chǎn)生不可逆的塑性變形。此外近期國內(nèi)部分高水頭、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能電站實測結(jié)果表明，在機組甩負荷后轉(zhuǎn)速上升的最大時刻，機組壓力脈動也較大[6]。在進行抽水蓄能電站的過渡過程計算的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律分析時，在面對蝸殼壓力升高和機組轉(zhuǎn)速升高的相對制約矛盾問題上，不能一味的通過延長導(dǎo)葉關(guān)閉時間來降低蝸殼壓力值，而忽略了提高轉(zhuǎn)速而帶來的風(fēng)險性。

因此，應(yīng)重視轉(zhuǎn)速絕對上升值，在現(xiàn)行規(guī)范推薦值的基礎(chǔ)上，建議結(jié)合抽水蓄能機組的額定轉(zhuǎn)速進行最大轉(zhuǎn)速上升率的控制標準取值，對于375 r/min及以下額定轉(zhuǎn)速的抽水蓄能機組，設(shè)計工況和校核工況下的計算極值按現(xiàn)行規(guī)范45%限制執(zhí)行；對于428.6 r/min及以上額定轉(zhuǎn)速的高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組，設(shè)計工況和校核工況下的計算極值應(yīng)限制在42%～43%以內(nèi)(即綜合考慮計算誤差等，按轉(zhuǎn)速上升率的5%進行修正后，將合同保證值限制在45%以內(nèi))。對于機組最大轉(zhuǎn)速上升率較高的抽水蓄能電站，應(yīng)要求主機廠家對水泵水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子等相關(guān)部件的剛強度(如轉(zhuǎn)子平均應(yīng)力、磁極沖片平均應(yīng)力等)及整個轉(zhuǎn)動機構(gòu)的振動特性進行仔細研究。

2.2 蝸殼最大壓力計算控制標準分析

2.2.1 蝸殼最大壓力計算結(jié)果

西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程最大壓力計算值，見表4。

表4西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程最大壓力計算值表

注：蝸殼壓力上升基礎(chǔ)值均統(tǒng)一取為上游正常蓄水位與安裝高程的差值。

根據(jù)表4，以阜康抽水蓄能電站為例進行分析，阜康抽水蓄能電站在設(shè)計工況下，蝸殼末端最大壓力值為781.39 m水柱，發(fā)生工況為：上庫正常蓄水位2 271.00 m，下庫正常蓄水位1 775.00 m，同一水力單元一臺機組正常運行，另一臺機組啟動增至額定功率，在調(diào)壓室水位達到最高涌浪的時刻，2臺機組突甩全負荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉，此時滿足機組蝸殼允許最大壓力升高相對值ξ≤30%的控制標準(782.60 m)。在校核工況下，蝸殼末端最大壓力值為786.16 m水柱，發(fā)生工況為：上庫正常蓄水位2 271.00 m，下庫正常蓄水位1 775.00 m，同一水力單元2臺機組正常運行，一臺機組突甩負荷，另一臺機組在最不利時刻相繼甩負荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉，該值略超過30%壓力上升率的控制標準(782.60 m)。如果通過增大管徑來滿足最大壓力上升率ξ≤30%的控制標準，則會提高工程造價，并不經(jīng)濟。

2.2.2 現(xiàn)行規(guī)范對壓力上升率標準的規(guī)定

文獻[2]對300 m水頭以下的水電站劃分比較詳細，但對于300 m水頭以上的水電站及抽水蓄能電站沒有進行更詳細的劃分，只規(guī)定了“可逆式蓄能機組宜小于30%”。文獻[3]規(guī)定水泵水輪機甩負荷和水泵斷電時的最大壓力上升高率，按以下不同情況考慮：額定水頭小于300 m時，按文獻[2]中的規(guī)定執(zhí)行；額定水頭大于300 m時，宜小于 30%，并應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較。中國目前在建和已建抽水蓄能電站約33座，其中機組額定水頭超過300 m的抽水蓄能電站約20座，機組額定水頭超過400 m的抽水蓄能電站約15座；正在前期可研階段設(shè)計的抽水蓄能電站約18座，除了河南五岳抽水蓄能電站(額定水頭235 m)、海南瓊中抽水蓄能電站(額定水頭308 m)、廣東梅州抽水蓄能電站(額定水頭400 m)以外，其余抽水蓄能電站機組額定水頭均超過400 m。以上現(xiàn)行規(guī)范已經(jīng)頒布并實施10年了，隨著近年來中高水頭抽水蓄能電站建設(shè)的迅速發(fā)展，規(guī)范中蝸殼最大壓力上升率“額定水頭大于300 m時，可逆式蓄能機組宜小于30%”的計算控制標準值及壓力控制水頭段劃分有待探討和完善。

2.2.3 對提高蝸殼最大壓力計算控制標準的思考

(1) 對于具有復(fù)雜運行工況的抽水蓄能電站來說，計算工況的擬定對調(diào)節(jié)保證極值影響很大。隨著1管多機布置下相繼甩負荷工況的提出，使得某些時刻可能會產(chǎn)生較大的蝸殼末端壓力極值。雖然同一水力單元機組相繼甩負荷與同時甩負荷相比，減緩了引水隧洞、尾水隧洞及壓力主管的流速梯度，但相繼甩負荷工況時，先甩機組的流量將進入后甩機組，導(dǎo)致后甩機組引水支管或尾水支管流量加大，支管的流速梯度加大程度超過主管梯度[7]，這就可能導(dǎo)致最大的蝸殼壓力上升值、最大的尾水管壓力下降值甚至導(dǎo)致最大的機組轉(zhuǎn)速上升值。尤其地處南方電網(wǎng)的廣州、惠州、清遠等抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)均為1管4機布置，該布置可能會導(dǎo)致現(xiàn)有規(guī)范“30%的壓力上升率”的控制標準更加的“苛刻”。目前國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)定尚缺乏明確的工況擬定原則、調(diào)節(jié)保證設(shè)計成果的安全評價標準、系統(tǒng)風(fēng)險評估等內(nèi)容，有設(shè)計人員或?qū)W者甚至提出考慮“極端工況”或“參考工況”以確保工程設(shè)計具有足夠的安全裕度。國外的高水頭機組蓄能機組的壓力上升率的控制值一般大于國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范要求，大多在30%以上。

(2) 目前廠家對水泵水輪機的優(yōu)化多側(cè)重抽水工況或發(fā)電工況的水力性能，很少關(guān)注“過渡過程特性”，而可逆式機組全特性尤其是反“S”區(qū)特性對壓力、轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)極值產(chǎn)生較大影響[8]。近期國內(nèi)部分投產(chǎn)的抽水蓄能電站在機組調(diào)試時，機組導(dǎo)葉采用了延遲加一段甚至是兩段折線的關(guān)閉規(guī)律，甚至廠家堅持機組正常甩負荷過程中要求進水閥參與調(diào)節(jié)，才能滿足機組的調(diào)節(jié)保證值。一般來講，水輪機進水閥是作為機組防飛逸的后備保護措施，若不考慮進水閥參與調(diào)節(jié)，則壓力上升極值可能會進一步增大。

(3) 高水頭抽水蓄能電站的高壓力管件及設(shè)備部分一般采用高強鋼，以減少輸水發(fā)電系統(tǒng)管件及設(shè)備的體積和重量，同時提高輸水發(fā)電系統(tǒng)的安全性能。而高強鋼材屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼，韌性好，其特點是具有較高的屈服強度和抗拉強度，合金成分較為復(fù)雜，碳當(dāng)量較高，焊接性能較差，這就對高強鋼的焊接工藝水平提出了很高的要求。從抽水蓄能新材料與新工藝的發(fā)展背景來看，現(xiàn)行規(guī)范在2004年頒布時即發(fā)改委實施大型抽水蓄能機組國產(chǎn)化“三步走”戰(zhàn)略的初始時期，中國高強鋼材管件及設(shè)備的制造、安裝及焊接施工技術(shù)才剛剛起步，國內(nèi)較大設(shè)計壓力下的鋼管制造、安裝及焊接工藝水平欠缺，早期的抽水蓄能電站均按壓力上升率30%的控制標準也在一定因素上受到當(dāng)時抽水蓄能材料工藝水平的制約。比如國內(nèi)早期投產(chǎn)發(fā)電的十三陵、天荒坪等中、高水頭抽水蓄能電站，所采用的高強鋼鋼材以及焊條、焊劑和焊絲均為日本進口。近10年來，中國高強鋼的國產(chǎn)自主開發(fā)與焊接等施工工藝水平均得到很大提高，比如國產(chǎn)的寶鋼800 MPa級高強鋼(B780CF)已經(jīng)用在呼和浩特抽水蓄能電站的壓力鋼管和仙居、清遠、洪屏抽水蓄能電站的機組材料制造上。

2.3 尾水管最小壓力計算控制標準分析

西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程尾水管進口最小壓力計算結(jié)果，見表5。

以阜康抽水蓄能電站為例進行分析，阜康抽水蓄能電站在設(shè)計工況下，尾水管進口最小壓力值為29.27 m水柱，發(fā)生工況為：上庫設(shè)計洪水位2 272.25 m，下庫死水位1 743.00 m，額定功率，同一水力單元2臺機同時甩全負荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉，滿足尾水管進口處的最小壓力在設(shè)計工況下不小于22 m水柱控制標準；在校核工況下，尾水管進口最小壓力值為12.27 m水柱，發(fā)生工況為：上庫正常蓄水位2 271.00 m，下庫死水位1 743.00 m，額定功率，同一水力單元2臺機組正常運行，其中一臺機組突甩負荷，另一臺機組在最不利時刻相繼甩負荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉，滿足尾水管進口處的最小壓力在校核工況下不小于12 m水柱控制標準。

表5 西北地區(qū)3個抽水蓄能電站過渡過程尾水管進口最小壓力計算值表

甩負荷時為保證尾水管進口斷面不會產(chǎn)生水柱分離，應(yīng)留有一定的裕度，文獻[2]規(guī)定甩負荷時，尾水管進口斷面的最大真空保證值不應(yīng)大于0.08 MPa。文獻[3]并未對抽蓄電站的尾水管進口最小壓力調(diào)節(jié)保證指標進行說明。抽水蓄能電站通常具有較長的尾水系統(tǒng)，尾水管最小壓力計算控制標準也常常影響著機組安裝高程的確定，尤其是地處西北高海拔地區(qū)的抽水蓄能電站，水的汽化壓力較小，尾水管進口最小壓力必須進行海拔高程修正。建議對于抽水蓄能電站尾水管進口最小壓力的計算控制標準，設(shè)計工況在0 m水柱的基礎(chǔ)上考慮海拔、壓力脈動引起的壓力下降值和計算誤差修正后確定；校核工況在-8 m水柱的基礎(chǔ)上考慮以上修正后確定。

3 結(jié) 語

(1) 在抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計時應(yīng)重視轉(zhuǎn)速上升絕對值，在現(xiàn)行規(guī)范推薦值的基礎(chǔ)上，建議結(jié)合抽水蓄能機組的額定轉(zhuǎn)速進行最大轉(zhuǎn)速上升率的控制標準取值，對于375 r/min及以下額定轉(zhuǎn)速的抽水蓄能機組，設(shè)計工況和校核工況下的計算極值按現(xiàn)行規(guī)范45%限制執(zhí)行；對于428.6 r/min及以上額定轉(zhuǎn)速的高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組，設(shè)計工況和校核工況下的計算極值應(yīng)限制在42%～43%以內(nèi)。

(2) 抽水蓄能電站導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律敏感性分析時，在面對蝸殼壓力升高和機組轉(zhuǎn)速升高的相對制約矛盾問題上，不能一味地通過延長導(dǎo)葉關(guān)閉時間來降低蝸殼壓力值，而忽略了提高轉(zhuǎn)速而帶來的風(fēng)險性。對于機組最大轉(zhuǎn)速上升率較高的抽水蓄能電站，應(yīng)要求主機廠家對水泵水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子等相關(guān)部件的剛強度如轉(zhuǎn)子平均應(yīng)力、磁極沖片平均應(yīng)力等及整個轉(zhuǎn)動機構(gòu)的振動特性進行仔細研究。

(3) 提高蝸殼壓力升高率控制值能使高水頭抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計更加靈活，建議對大于300 m水頭的中、高水頭抽水蓄能電站，可適當(dāng)提高設(shè)計工況和校核工況下的壓力計算控制標準，同時結(jié)合工程特點、抽水蓄能新材料、新技術(shù)與新工藝發(fā)展背景進行充分的技術(shù)性和經(jīng)濟性分析確定。工況的擬定對抽水蓄能電站過渡過程計算結(jié)果影響很大，對于具有復(fù)雜運行工況的抽水蓄能電站來說，目前還缺乏明確的工況擬定原則、調(diào)節(jié)保證設(shè)計的安全評價標準、系統(tǒng)風(fēng)險評估等，這也是調(diào)節(jié)保證設(shè)計體系進一步完善的方向。

(4) 地處西北高海拔地區(qū)的抽水蓄能電站，水的汽化壓力較小，尾水管進口最小壓力必須進行海拔高程修正。建議對于抽水蓄能電站尾水管進口最小壓力的計算控制標準，設(shè)計工況在0 m水柱的基礎(chǔ)上考慮海拔、壓力脈動引起的壓力下降值和計算誤差修正后確定；校核工況在-8 m水柱的基礎(chǔ)上考慮以上修正后確定。

參考文獻:

[1] 李修樹,高瑜,董笑波.淺析水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計[J].水力發(fā)電,2014,40(4)：58-60.

[2] DL/T 5186-2004,水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[3] DL/T 5208-2005,抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 邱彬如,劉連希.抽水蓄能電站工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5] 茍東明,江澤沐,易忠有,等.關(guān)于高水頭抽水蓄能電站過渡過程中壓力上升率控制標準的探討[G]//中國水電工程顧問集團公司2010年度機電專業(yè)研討會論文集，2011：1-4.

[6] 楊桀彬,楊建東,王超,等.水泵水輪機甩負荷過渡過程中脈動壓力的模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報,2014,33(4)：286-294.

[7] 張健,盧偉華,范波芹,等.輸水系統(tǒng)布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發(fā)電學(xué)報,2008,27(5)：158-162.

[8] 端潤生.抽水蓄能電站建設(shè)及可逆式水泵水輪機的若干技術(shù)問題[J].水力發(fā)電,2012,38(12)：47-50.

[9] 劉君, 段宏江,劉國峰,張繼成, 劉立峰. 如何做好輸水發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)保證設(shè)計[J].西北水電,2013,(6):56-62.