某抽水蓄能电站甩负荷试验与仿真分析

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(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 丰宁 068350；2.华东宜兴 抽水蓄能有限公司，江苏 宜兴 214205)

1 引言

某抽水蓄能电站装机容量4×250MW，引水系统和尾水系统均采用一洞两机布置，引水隧洞在主厂房上游约80m处设Y型对称钢岔管，分成四条引水支洞，在平面布置上以65(角平行进厂，分别与四台机组相连。尾水调压室布置在尾水岔管下游35m处的尾水隧洞上，采用阻抗式带上室结构型式。输水系统总长度为3082.33～3061.0m，其中引水道长 1242.12～1153.47m，尾水道长 1840.21～ 1907.68m。电站上水库正常蓄水位471.5m，死水位428.6m；下水库正常蓄水位78.9m，死水位57m，机组额定转速375r/min。

电站可逆机组并已经运行多年，存在机容量较大、应用水头较高、工况转换多和水力特性复杂等蓄能电站的共性问题，而自身1#水力单元的引水管道较长，水库事故检修闸门井的面积较大等需差异化处理的个性问题，2#机组检修后需要做甩负荷试验，本文建立基于全特性空间曲面描述的水泵水轮机调节系统非线性仿真模型[1]，计算甩负荷过渡过程中各个参数变化，为实际试验提供参考。

2 建立模型

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程为：

(1)

(2)

其中，H：测压管水头；Q：流量；D：管道直径；A：管道面积；t：时间变量；a：水锤波速；g：重力加速度；x：沿管轴线的距离；f：摩阻系数;β管轴线与水平面的夹角。

对于长度l的管道AB，其两端点A、B边界在t时刻的瞬态水头HA(t)、HB(t)和瞬态流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

C-：HA(t)=CM+RMQA(t)

(3)

C+：HB(t)=CP-RPQB(t)

(4)

式中：CM=HB(t-kΔt)-(a/gA)QB(t-kΔt)；

RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；

CP=HA(t-kΔt)+(a/gA)QA(t-kΔt)；

RP=a/gA+R|QA(t-kΔt)|；

其中，Δt：计算时间步长；ΔL：特征线网格管段长度；ΔL=aΔt(库朗条件)；k：特征线网格管段数，k=l/ΔL；R：水头损失系数，R=Δh/Q2； 其它符号意义同前。

此电站上水库事故检修闸门井的面积较大，建模时视作“上游调压室”处理，而尾水检修闸门井的面积较小，忽略其影响。调压室(即上游事故闸门井和尾水调压室)节点为具有一根进水管、一根出水管和一座等截面阻抗式调压室的水力节点，设其进水管、出水管的边界节点编号为1、2，则该水力节点的控制方程为：

dHst/dt=Qst/Ast

(5)

HP=Hst+RkQst|Qst|

(6)

QP1=Qst+QP2

(7)

HP=CP1-RP1QP1

(8)

HP=CM2+RM2QP2

(9)

水泵水轮机采用基于空间曲面描述的非线性模型，相对于传统的方法处理强非线性现象所遇到的困难，此模型更有利于表达其工作参数间强非线性关系，且易于掌握其工况转换过程中的可逆性变化规律。本文采用BP神经网络构建水泵水轮机全特性空间曲面，再以空间曲面表示的全特性曲线。

水泵水轮机全特性由工作参数的空间曲面函数m和约束关系式l共同描述[2]：

Mi=m(τ,Ni,Qi)

(10)

(11)

曲面函数M在以相对导叶开度τ为参变量，以相对单位转速τ、相对单位流量N和相对单位力矩Q构成坐标空间系中表征水泵水轮机 4 个工作参数的非线性关系;距离函数L表示任意工作点(τ,Ni,Qi)到流量特性曲线的距离。

电动发电机模型采用一阶惯性环节进行描述：

(12)

3 甩负荷过渡过程仿真及结果对比分析

以此蓄能电站2#机组甩100%负荷工况说明，其球阀及导叶的关闭规律如图1所示。其过渡过程中机组转速百分比、蜗壳出口最大压力、尾水管进口最大压力的计算值与实际值对比，分别如图2～4所示。各参数极值对比见表1所示，转速满足合同“在所有过渡过程工况中机组产生的瞬态飞逸转速不大于 562r/min，稳态飞逸转速不大于 538r/min”要求；蜗壳满足合同“蜗壳进口中心线处最大压力值不大于6.3 MPa”的要求；满足合同“尾水管进口(转轮出口)处最低压力值不小于0.0MPa；最大压力值不大于1.3MPa”的要求。考虑到仿真计算中未计入多种摩擦损失，计算曲线的形状与波动次数、变量的幅值及发生时间与试验结果基本保持一致，说明了仿真模型及机组边条件处理的可靠性和准确性。

图1 球阀及导叶关闭规律

图2 机组转速对比

图3 蜗壳进口压力对比

图4 尾水管压力对比

参数机组最大相对转速(%)蜗壳进口最大动水压力(MPa)尾水管出口最小动水压力(MPa)实测值128.155.060.48计算值128.645.180.50

4 结论

在机组甩负荷试验前，结合电站实际参数，采用基于水泵水轮机全特性空间曲面描述的可逆式机组数学模型进行甩负荷工况的过渡过程计算，仿真计算数据和实际试验数据基本吻合，说明了仿真模型及机组边条件处理的可靠性和准确性，仿真结果也为机组安全运行提供了参考依据，并可为机组其它水力过渡过程提供参考。