王振營，胡宗邱，李紅輝

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.中國三峽建工（集團(tuán)）有限公司，成都 610042）

0 引言

抽水蓄能電站水力機(jī)組過渡過程特性對電站的經(jīng)濟(jì)性也有非常明顯的影響，其控制參數(shù)直接決定了電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性[1]。工程實踐表明，過渡過程控制參數(shù)設(shè)計不合理將導(dǎo)致輸水發(fā)電系統(tǒng)及機(jī)組過流部件產(chǎn)生很大的動態(tài)附加應(yīng)力[2]，可能引起嚴(yán)重的安全事故。

在管道特性和機(jī)組特性確定后，確定合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律[3]是改善抽水蓄能電站水力過渡過程特性的最直接、有效的技術(shù)手段。下面我們結(jié)合工程實例，對水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 電站主要參數(shù)

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站設(shè)有2個獨立的輸水發(fā)電系統(tǒng)，采用一管雙機(jī)的水道設(shè)計方案，裝設(shè)4臺350 MW可逆式機(jī)組。機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

表1 鎮(zhèn)安電站及機(jī)組參數(shù)

管道特性、水泵水輪機(jī)四象限等內(nèi)部特性已確定的情況下，利用過渡過程仿真計算程序TRANSIENT對水輪機(jī)的甩負(fù)荷工況進(jìn)行計算與分析。

2 甩負(fù)荷工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化分析

可逆式機(jī)組在過渡過程中的關(guān)鍵控制參數(shù)主要受導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的影響[4]。在不同的關(guān)閉規(guī)律下，對控制工況計算并得出各控制參數(shù)極值及變化的情況，進(jìn)而尋找出最合理的關(guān)閉規(guī)律。

2.1 甩負(fù)荷典型控制工況的選取

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化研究的第一步就是合理選出電站的主要控制工況[5]。選取的控制工況應(yīng)包含機(jī)組的關(guān)鍵調(diào)節(jié)保證參數(shù)，如蝸殼最大壓力、尾水管真空度、最大轉(zhuǎn)速上升值等。對于可逆式機(jī)組來說，水泵工況一般較容易滿足要求，控制工況主要發(fā)生在水輪機(jī)工況[6]。鎮(zhèn)安抽水蓄能電站主要控制工況如表2所示。

表2 計算控制工況

2.2 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率的敏感性分析

抽水蓄能電站一般水頭較高，水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度小，轉(zhuǎn)輪葉片包角大[7]，轉(zhuǎn)輪流道在徑向部分狹長，穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值較小，而在過渡工況（導(dǎo)葉拒動時）中出現(xiàn)的暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速值大于穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速值[8]。對于一管兩機(jī)的布置型式，導(dǎo)葉拒動工況分為一關(guān)一拒和導(dǎo)葉全拒。與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組不同，抽水蓄能機(jī)組暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速值作為發(fā)電機(jī)的設(shè)計條件，暫態(tài)最大飛逸轉(zhuǎn)速值均發(fā)生在導(dǎo)葉一關(guān)一拒工況下。表3為鎮(zhèn)安抽水蓄能電站JT5工況在不同關(guān)閉規(guī)律下計算的暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速值。

表3 JT5工況下關(guān)閉時間與最大轉(zhuǎn)速上升率

由表3可以看出，導(dǎo)葉拒動時轉(zhuǎn)速上升率很高，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對拒動工況轉(zhuǎn)速極值的影響不明顯。當(dāng)導(dǎo)葉緊急關(guān)閉時，由導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律引起的壓力上升和轉(zhuǎn)速上升敏感性很強；當(dāng)導(dǎo)葉一關(guān)一拒時，轉(zhuǎn)速和壓力之間的矛盾并不明顯。

2.3 尾水管最小壓力與蝸殼最大壓力的平衡

相繼甩負(fù)荷時尾水管最低壓力是限制機(jī)組安裝高程的一個重要因素[9]。針對可逆式機(jī)組，尾水管最小壓力大多發(fā)生在下游死水位、水泵水輪機(jī)過流量較大時2臺機(jī)組相繼甩負(fù)荷工況，如JT13工況?；谒啓C(jī)工況導(dǎo)葉一段關(guān)閉40 s，將1#、2#機(jī)組相繼甩負(fù)荷時的尾水管最低壓力計算值繪制成圖（1#機(jī)組為先甩負(fù)荷，2#機(jī)組為延時 甩 負(fù)荷），如圖1所示。

圖1 JT13工況下尾水管進(jìn)口最小壓力修正前后對比圖

由圖1可知，在JT13 工況下，兩臺機(jī)在間隔6 s時刻相繼甩負(fù)荷，尾水管進(jìn)口出現(xiàn)最低壓力。

現(xiàn)對蝸殼末端最大壓力工況JT11和尾水管最小壓力工況JT13（6 s）進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 水輪機(jī)工況導(dǎo)葉一段直線關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化結(jié)果

從表4可知，在一段關(guān)閉規(guī)律下，導(dǎo)葉關(guān)閉時間對蝸殼末端壓力、尾水管最低壓力的影響很大。逐漸延長關(guān)閉時間，蝸殼最大壓力逐漸降低，尾水管最小壓力逐漸增大，有利于改善過渡過程特性；但為了減小機(jī)組在過渡工況中的停留時間，導(dǎo)葉關(guān)閉時間也不宜太長。若直線規(guī)律不滿足，則需要采用兩段折線關(guān)閉，一般采用先快后慢的關(guān)閉規(guī)律，該關(guān)閉規(guī)律下的拐點開度和等效關(guān)閉時間的選擇至關(guān)重要。

下面我們基于第一段等效關(guān)閉時間8 s，第二段等效關(guān)閉時間40 s（如圖2），進(jìn)行拐點開度敏感性分析。拐點開度初定之后，再對第一段等效關(guān)閉時間進(jìn)行敏感性分析，計算結(jié)果如圖3、圖4所示。說明：通過試算得出，1#機(jī)組先甩負(fù)荷、2#機(jī)組6 s后再甩負(fù)荷時，尾水管進(jìn)口壓力最低。

圖2 不同的拐點開度對應(yīng)的關(guān)閉規(guī)律

圖3 壓力控制工況下拐點開度敏感性

由圖3結(jié)果可以看出，蝸殼末端最大壓力對拐點開度的敏感性較明顯[10]，拐點開度過大或過小，都將增大蝸殼壓力極值。在70% 拐點開度下，對蝸殼最大壓力降低有所改善；增加第一段等效關(guān)閉時間，并沒有降低壓力極值。由圖4結(jié)果中可以得到，在相繼甩負(fù)荷工況中，隨著拐點開度的增大，尾水管進(jìn)口最低壓力降低。

通過上述對拐點開度的分析，建議選取拐點開度為70%，有利于改善過渡過程特性。水輪機(jī)工況導(dǎo)葉一段或兩段規(guī)律都能滿足大波動工況控制參數(shù)要求，但兩段規(guī)律下的過渡過程品質(zhì)較好。

3 結(jié)論

在過渡過程中，影響水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷工況特性品質(zhì)的最關(guān)鍵因素是導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。目前國內(nèi)已運行抽水蓄能電站的水輪機(jī)工況一般為一段直線和兩段折線關(guān)閉規(guī)律。兩段規(guī)律下的過渡過程外特性品質(zhì)較好，即在過渡過程中壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管真空度能夠達(dá)到較好的平衡。直線規(guī)律是導(dǎo)葉以單一速率進(jìn)行關(guān)閉，工程實際中操作簡單、易于實現(xiàn)，因此新建的抽水蓄能電站如果一段直線關(guān)閉規(guī)律可以滿足過渡過程特性品質(zhì)要求，一些業(yè)主在優(yōu)先簡化調(diào)速器控制流程的前提下一般選取一段直線關(guān)閉。