翟進男

摘要：隨著抽水蓄能電站在我國的加快開發(fā)與建設(shè)，傳統(tǒng)的機組過渡過程調(diào)節(jié)方式存在一定的局限性，越來越多的抽蓄電站采用了球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)的運行方式。該文概述了球閥參與抽蓄機組過渡過程調(diào)節(jié)的意義，介紹了抽蓄機組過渡過程及球閥參與抽蓄電站機組過渡過程調(diào)節(jié)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了目前球閥參與抽蓄機組過渡過程調(diào)節(jié)研究和應(yīng)用中存在的主要問題，并對未來的研究給出了建議。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站球閥過渡過程關(guān)閉策略

中圖分類號：TV743文獻標(biāo)識碼：A???? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Study on Ball Valve Participating in Unit Transient Regulation in Pumped Storage Power Station

ZHAI Jinnan

（Hebei Fengning Pumped Storage Co.， Ltd.， Chengde， Hebei Province，068350 China）

Abstract： With the rapid development and construction of pumped storage power stations in China， the traditional regulation mode of unit transition process has some limitations. More and more pumping storage power stations use ball valves to participate in the regulation of unit transition process. This paper summarizes the significance of ball valve participating in the regulation of pumping and storage unit transition process， introduces the research status of pumping and storage unit transition process and ball valve participating in pumping and storage power station unit transition process regulation at home and abroad， points out the main problems existing in the research and application of ball valve participating in pumping and storage unit transition process regulation， and gives suggestions for future research.

Key Words： Pumped storage power station; Ball valve; Transition process; Close policy

在實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，新能源將成為電能供給增長的主體。而抽水蓄能電站運行靈活、反應(yīng)快速、調(diào)節(jié)性能良好、技術(shù)成熟，對于提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和大規(guī)?？稍偕茉聪{水平，促進削峰填谷，提供負荷中心供電支撐、應(yīng)急保障等方面具有重要作用。近期，國家電網(wǎng)發(fā)布的“碳達峰、碳中和”行動方案已顯示：“十四五”期間，國家電網(wǎng)將加大抽水蓄能電站規(guī)劃選點和前期工作，再安排開工建設(shè)一批項目，到2025年，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)抽水蓄能裝機容量將超過5 000萬kW。大力發(fā)展抽水蓄能已勢在必行。水電機組過渡過程調(diào)節(jié)保證計算是電站建設(shè)可行性研究階段的一項重要工作內(nèi)容，直接關(guān)系到電站運行的安全性和穩(wěn)定性，抽水蓄能電站亦如此。目前，國內(nèi)已有少量抽水蓄能電站采用球閥參與過渡過程調(diào)節(jié)的方式進行甩負荷停機，如惠州抽蓄電站、寶泉抽蓄電站、張河灣抽蓄電站和黑麋峰抽蓄電站等多家電站。對于傳統(tǒng)的水電站安全運行理念和觀點來說，球閥作為電站運行安全的重要保障設(shè)施不宜參與過渡過程調(diào)節(jié)。水規(guī)總院發(fā)布的《調(diào)節(jié)保證設(shè)計專題報告編制暫行規(guī)定》也明確指出了“進水閥不應(yīng)參與水力過渡過程調(diào)節(jié)”，表明了其對于球閥參與過渡過程調(diào)節(jié)的謹慎態(tài)度。因此，面對即將來到的抽水蓄能電站規(guī)?；l(fā)展，加強球閥參與過渡過程調(diào)節(jié)的研究具有重要意義。

1 球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)的意義

目前，國內(nèi)大部分抽水蓄能電站機組均不采用球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)，而抽蓄電站基本采用可逆式機組，機組的轉(zhuǎn)速變化會對機組過流量產(chǎn)生較大影響，因其轉(zhuǎn)輪流道狹長且直徑大，故水流易形成較大的離心力，當(dāng)機組設(shè)計為高水頭和高揚程時，即便機組處于水輪機工況運行，也可能因水泵的離心作用而產(chǎn)生較大的離心力，阻止水流進入轉(zhuǎn)輪，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速接近飛逸轉(zhuǎn)速時，該離心力迅速升高，機組不可避免地進入全特性曲線的“S”形區(qū)域，雖然此時機組導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速變動不大，但會使機組流量劇烈變化，同時轉(zhuǎn)輪前后壓力將出現(xiàn)大幅波動，進而引起蝸殼內(nèi)部較大的壓力脈動。不難看出，對于抽蓄機組而言，其甩負荷工況下的水力過渡過程十分復(fù)雜，特別是在極端相繼甩負荷工況下，容易發(fā)生機組轉(zhuǎn)速、引水管道壓力、蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力等特征參數(shù)的瞬態(tài)值過大，甚至高于控制值，形成電站安全運行隱患，而傳統(tǒng)的優(yōu)化機組過渡過程調(diào)節(jié)品質(zhì)方式，優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律其作用十分有限。因此，尋找一種更好的控制策略以改善機組過渡過程動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)有著迫切的現(xiàn)實需求。

2球閥參與過渡過程調(diào)節(jié)的相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前，國外內(nèi)部分專家學(xué)者已展開了抽蓄機組過渡過程及球閥參與抽蓄電站機組過渡過程調(diào)節(jié)的相關(guān)研究，并取得了一些有益的成果。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

Svarstad等[1]針對抽蓄機組為滿足電力市場需求而在實際運行中工況、快速頻繁切換的特性，對抽蓄機組工況轉(zhuǎn)換的過渡過程進行了研究，通過對兩種幾何不同的機組分別開展實驗，分析了工況快速轉(zhuǎn)變時機組和壓力管道所產(chǎn)生的壓力脈動情況。實驗結(jié)果表明，機組最高的壓力振幅出現(xiàn)在泵工況的中斷模式下，在該運行過程中所產(chǎn)生的高振幅正是從泵工況轉(zhuǎn)變到水輪機工況運行的最大問題。以往的研究中大多采用CFD分析機組在較大導(dǎo)葉開度時對應(yīng)的不穩(wěn)定工況下的水流情況，而在實際機組運行過程中，導(dǎo)葉往往會在機組發(fā)生過渡過程之前關(guān)閉到一個更小的角度，使得整個過程的時間延長。Stens等[2]通過比較不同導(dǎo)葉開度下抽蓄機組從抽水工況到發(fā)電工況的瞬態(tài)轉(zhuǎn)變過程，分析了導(dǎo)葉開度如何影響機組的壓力波動。證實了機組在工況轉(zhuǎn)換前將導(dǎo)葉關(guān)閉到更小開度時，雖然延長導(dǎo)葉關(guān)閉時間，但大大減小了尾水管中的壓力脈動，轉(zhuǎn)輪葉片的進水邊壓力也有所減小，但另一方面也會造成導(dǎo)葉的扭矩增大。U Je?e等[3]針對水泵水輪機在抽水工況和發(fā)電工況之間的轉(zhuǎn)換的水流不穩(wěn)定，對可逆式機組在非設(shè)計工況運行時發(fā)生的不穩(wěn)定性進行了研究，并將研究成果成功應(yīng)用在了捷克的抽蓄電站機組優(yōu)化中，使機組在優(yōu)化后具有更廣泛的運行范圍。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

球閥參與抽蓄機組過渡過程調(diào)節(jié)的工程應(yīng)用在我國出現(xiàn)較晚，因此早期國內(nèi)并無相關(guān)方面的研究。近年來，隨著抽蓄電站在國內(nèi)的不斷開發(fā)建設(shè)和運行，國內(nèi)專家學(xué)者也開始關(guān)注到球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)這一問題，并開展了一些相關(guān)的研究工作。目前，球閥參與抽蓄機組過渡過程調(diào)節(jié)的研究主要集中在導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略和球閥動水關(guān)閉兩個方面。導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略方面，李孟瑤等[4]為提高抽水蓄能電站相繼甩負荷工況的動態(tài)品質(zhì)，提出了一種基于多目標(biāo)算法的導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略，仿真試驗結(jié)果表明所提出的導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略更好地協(xié)調(diào)了機組轉(zhuǎn)速與管道水擊壓力之間的矛盾，可為相繼甩負荷工況下電站的安全穩(wěn)定運行提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。黃偉等[5]為解決極端甩負荷工況下單純采用優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的策略無法滿足調(diào)節(jié)保證計算要求的問題，提出了一種進水球閥與導(dǎo)葉協(xié)同調(diào)節(jié)的過渡過程控制策略，并通過一維數(shù)值模擬評估了導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、水泵水輪機特性及球閥關(guān)閉規(guī)律等因素對機組轉(zhuǎn)速、蝸殼及尾水管壓力的影響，最后通過工程實例驗證了該控制策略的有效性。鄭慧娟等[6]以清遠抽水蓄能電站為例，對導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉規(guī)律進行研究，通過數(shù)值模擬分析了導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉規(guī)律對機組過渡過程的影響，模擬了機組的整個過渡過程，驗證了球閥參與機組過渡過程有利于滿足調(diào)保計算要求;同時，試驗結(jié)果表明了選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律和關(guān)閉時間的重要性。球閥動水關(guān)閉方面，于輝等[7]對抽水蓄能電站進行數(shù)值模擬，提取甩負荷過渡過程關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果確定球閥流場邊界條件;然后計算球閥流道內(nèi)流場壓力與速度分布;最后基于流場仿真結(jié)果建立球閥結(jié)構(gòu)流固耦合模型，求解球閥瞬態(tài)過程結(jié)構(gòu)強度相關(guān)參數(shù)分布。胡勇健等[8]針對不同負荷下球閥動水關(guān)閉進行試驗，通過分心試驗所得各項動應(yīng)力值及振動位移值，驗證了球閥具備動水關(guān)閉能力且不會產(chǎn)生有害振動，同時驗證了甩全負荷這一極端工況下時球閥關(guān)閉的安全性。陳大森等[9]通過對球閥進行動水關(guān)閉試驗，評價抽水蓄能電站球閥及相關(guān)設(shè)備的抗振性能和安全性，同時驗證了極端工況下球閥運行的安全性和可靠性。

3存在的主要問題

目前，球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)已引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，部分專家學(xué)者也進行了相關(guān)的理論研究和探索，但在實際的研究和應(yīng)用過程中仍然存在一些問題亟待解決。

3.1缺乏球閥過流曲線特性研究

球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)使得調(diào)節(jié)保證計算除原有計算之外，還需增加球閥的壓力變化計算。而計算球閥的壓力變化首先要具有球閥的過流特性曲線。目前，因國內(nèi)多數(shù)電站未使用球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)，造成多數(shù)生產(chǎn)廠家沒有開展針對球閥進行特性曲線的試驗。缺乏球閥過流曲線特性的研究，勢必會影響到球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)的有效應(yīng)用。

3.2球閥本體安全性研究不足

球閥參與機組甩負荷調(diào)節(jié)，使其由機組防飛逸的后備保護措施變?yōu)橹鲃訁⑴c機組甩負荷流量調(diào)節(jié)，造成與原球閥設(shè)計理念不一致，對球閥本體安全性提出了更高的要求;球閥參與機組甩負荷調(diào)節(jié)還使得其動水關(guān)閉的使用較常規(guī)電站要更加頻繁，進一步提高了對球閥自身的技術(shù)要求;而國內(nèi)抽蓄電站起步較晚，常規(guī)水電站機組大多不采用球閥作為主進水閥，故球閥本體安全性研究較少，直接影響到球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)的安全使用。

3.3球閥運行狀態(tài)的監(jiān)測不夠

球閥一旦參與機組過渡過程調(diào)節(jié)，便成為了調(diào)節(jié)保證計算中的一個重要部件，其所承受的水壓相對原球閥勢必大幅升高，如發(fā)生漏水或者損壞會直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行，甚至威脅到整個電站的安全，其安全運行的重要性不言而喻。而目前大多電站還未對球閥的安全運行引起足夠的重視，同樣缺乏對球閥及球閥室更加全面、準(zhǔn)確和高效的監(jiān)測。

4結(jié)語

抽水蓄能電站球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)是一個涉及水、機、電三種時變非線性系統(tǒng)相互作用的異常復(fù)雜的綜合過渡過程，要做到整個過程的安全穩(wěn)定十分不易。未來，對于更多抽蓄電站可能采用的球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)這一運行方式，建議加強以下幾個方面的研究。

（1）隨著國內(nèi)抽蓄電站數(shù)量不斷增加，各電站球閥結(jié)構(gòu)不盡相同，其過流特性也相差較大，應(yīng)進一步加強球閥過流曲線特性的研究，重點開展球閥在各開度下的局部損失系數(shù)研究，以滿足球閥參與機組過渡過程調(diào)節(jié)要求。

（2）加強開展球閥過渡過程尤其是極端工況甩負荷情況下球閥動水關(guān)閉的受力研究，解決原有抽蓄機組球閥動水關(guān)閉過程中球閥本體所受水推力、水力對球閥活門轉(zhuǎn)軸的最大作用力矩等數(shù)據(jù)依靠經(jīng)驗公式進行估算造成的計算精度不高等問題，有效保障球閥參與機組甩負荷調(diào)節(jié)的安全性。

（3）加強導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略的研究，以尋找更優(yōu)的導(dǎo)葉-球閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉策略，進一步改善機組過渡過程調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)。

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