洪屏抽水蓄能电站现场甩负荷试验及数值反演分析

章梦捷 吴都 李高会 姚敏杰 和扁

摘要：抽水蓄能电站过渡过程的准确预测是电站设计及运行的重要问题。通过建立洪屏抽水蓄能电站引水发电系统过渡过程数值模型，模拟了电站现场甩负荷试验工况，并与实测数据进行了对比验证，得到了数值仿真与实测数据的误差。基于该模型，计算了电站可能出现的危险过渡过程工况，并根据试验以及多个机组厂家的误差经验公式，对计算结果进行了修正。结果表明：实测数据与数值仿真数据基本一致，但实际压力包含了压力脉动使得数值模拟结果偏危险，需通过试验或经验公式进行修正。该抽蓄电站的过渡过程控制参数考虑误差和压力脉动后，均未超过设计值，保障了电站的安全。现场试验及反演分析成果可为类似电站的设计及运行提供参考。

关 键 词：

过渡过程; 引水发电系统; 甩负荷; 压力脉动; 反演分析; 抽水蓄能电站

中图法分类号： S277.9;TV675

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.031

1 研究背景

抽水蓄能电站目前是电力系统中唯一能够大规模储能的装置，其调峰、填谷功能对于电网的安全稳定运行至关重要。随着风电、太阳能等新能源在电网中比重的增加，抽水蓄能电站的调节也日益频繁，引发了系统的过渡过程。由于抽水蓄能电站中的水泵水轮机组具有流道狭长的特点，其综合特性曲线中通常存在着明显的倒“S”特征[1-2]，过渡过程中会出现较大的水锤压力并伴随剧烈的压力脉动[3]，如果控制不当，将会严重威胁到电站甚至电网的安全运行。

抽水蓄能电站的引水发电系统是复杂的非线性系统，过渡过程中会涉及到水力、机械及电气的耦合作用。目前的研究也主要是针对水力系统的布置形式[4-6]、机械系统的特性[7]和控制方式[8-9]以及电气系统[10]对过渡过程的影响。对于该系统过渡过程的研究主要依靠一维数值仿真，可以得到系统中参数的变化过程，但水锤压力是平均压力，无法反映实际中存在的剧烈压力脉动情况。随着计算机及三维CFD技术的发展，可以对过渡过程中水泵水轮机内流态的演变和压力脉动情况进行三维仿真[11]，但计算效率相对较低，而且不容易实现复杂的调节过程。抽水蓄能电站在正式运行前，需进行甩负荷试验，以检查系统的参数是否符合设计要求，现场实测结果可以真实地反映系统的压力、转速等参数的变化情况，但试验仅针对常规工况，无法进行危险过渡过程工况的试验。

本文通过建立洪屏抽水蓄能电站的过渡过程数学模型，模拟了现场甩负荷试验工况，并与实测数据进行了对比验证。对该电站可能出现的危险过渡过程工况进行了预测，根据试验误差以及多个机组厂商的经验公式，得到了危险工况下可能出现的系统参数极值，校核了结构设计值，以确保电站的运行安全。

2 引水发电系统及过渡过程数值模型

2.1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站设计安装4台单机容量为300 MW的可逆式抽水蓄能机组，总装机容量为1 200 MW。水泵水轮机额定水头为540 m，额定流量为62.09 m3/s，额定转速为500 r/min，转轮进口直径为3.85 m，转动惯量为3 800 t·m2。输水系统全长约2 316 m，采用一洞两机的水力布置形式，共有2个水力单元。本文的研究对象为1号水力单元，包含1号和2号机组。系统布置简图如图1所示，水道详细参数如表1所列。

2.2 过渡过程数值模型

2.2.1 有压管道非恒定流方程

对于有压管道，其非恒定流方程如下：

QAHx+Ht+a2gAQx-QAsinβ=0（1）

gHx+QA2Qx+1AQt+fQQ2DA2=0（2）

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

式（1）和式（2）可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成管道水锤计算特征相容方程。

2.2.2 水泵水轮机节点特征方程

对于水泵水轮机的特性，目前还是采用机组的模型特性曲线。由于水泵水轮机组的特性曲线具有“S”形特性，当机组导叶开度不变时，一个单位转速可能对应多个单位流量（或单位力矩）。目前通常利用Suter变换将水泵水轮机组特性曲线转化成用机组水头H、流量Q、转速N、力矩M等参数表示的流量函数WH，以及力矩函数WB。

水泵水轮机转轮特性采用Suter法描述，方程如下：

WH（x，y）=1n1′2+q1′2（3）

WB（x，y）=m1′2n1′2+q1′2（4）

x（y）=π+arctan-1q1′n1′（5）

式中：q1′=Q1′Q1r′、n1′=N1′N1r′、m1′=M1′M1r′分别为单位流量相对值、单位转速相对值、单位力矩相对值;Q1′、N1′、M1′分别为单位流量、单位转速、单位力矩;下标r表示额定工况下的参数;y为导叶开度相对值。

该电站引水发电系统的过渡过程数学模型还包括水库、闸门井、调压室、岔管以及球阀等边界。由于篇幅所限，不再进行详细介绍，具体的边界条件方程及求解方法可参阅参考文献[12]。

3 现场甩负荷试验及过渡过程仿真

3.1 現场甩负荷试验工况及说明

该抽水蓄能电站在正式运行前进行了甩负荷试验。国内已建抽蓄机组甩负荷试验情况表明，同一水力单元双机同时甩负荷较单机甩负荷情况更为恶劣。该电站针对1号水力单元的1号和2号机组进行了双机同甩负荷试验，具体试验工况描述如下。

测试工况1：上库水位729.00 m，下库水位169.00 m，2台机组均带75%（225 MW）负荷，2台机组同时甩负荷，机组导叶以1/40 s的速度正常关闭。

测试工况2：上库水位729.00 m，下库水位169.00 m，2台机均带100%（300 MW）负荷，2台机同时甩负荷，机组导叶以1/40 s的速度正常关闭。

试验中测量的参数包括机组的有功功率、导叶开度、转速、主轴摆度、机组振动与水压脉动等。本文主要关注于机组甩负荷时蜗壳以及尾水管的压力，并与数值模拟进行对比验证。压力测点的信息如表2所列。

3.2 试验结果与数值仿真计算对比分析

本文中的数值仿真采用自行编制的抽水蓄能电站过渡过程仿真程序。数值计算中，首先对稳态运行工况进行比对，由上、下库水位及机组出力推算导叶开度、流量和压力，并与实测数据进行比对;其次，在此基础上，采用与甩负荷试验相同的调速器运动规律进行甩负荷过渡过程的数值模拟，数值计算的边界条件与试验实际情况一致。

对于机组蜗壳最大压力和尾水管进口最小压力计算误差的相对偏差，采用“相对差值=（数值计算值-试验实测值）/甩前净水头”;而对于机组最大转速上升率计算误差的偏差，则采用“差值=数值计算值-试验实测值”。数值计算与现场实测的对比结果分别如表3所列及图2～7所示。

由表3统计的控制参数极值可以看出：双机甩满负荷的情况下，系统的控制参数极值相对于甩部分负荷而言更危险;同时，甩负荷工况下，1号机组的蜗壳压力和机组转速上升率均大于2号机组，而2号机组尾水管进口的压力低于1号机组。蜗壳最大压力以及尾水管进口最小压力的数值模拟相对于实测结果来说偏危险，因而设计时需在数值模拟的基础上考虑安全余量。过渡过程的时域仿真过程与实测数据对比结果分别如图2～7所示。机组转速的变化过程在机组甩负荷初期，数值模拟与实测数据基本一致，但由于数值模拟中机组的特性采用模型综合特性曲线，而且转动惯量为常数，未考虑过渡过程中转轮室内水体惯性等因素的变化，甩负荷后期，出现了一定的偏差。由于压力脉动的存在，导致蜗壳压力以及尾水管压力存在高频振荡，且双机甩满负荷时要比甩部分负荷压力脉动更剧烈。另外，满负荷工况下，由于流速水头的增加，导致了蜗壳及尾水管道进口初始压力低于部分负荷工况。压力数值仿真结果为平均水锤压力，未考虑压力脉动的影响，与实测数据存在一定的误差，但两者波形及变化规律基本一致，满足工程应用的精度，验证了数值仿真程序的准确性。本文将基于该数值仿真模型，模拟危险工况下的系统过渡过程控制参数。

3.3 危险过渡过程工况压力极值的预测

为确保抽水蓄能电站运行的安全性，需要对该电站可能发生的危险过渡过程工况进行复核计算，并对计算结果进行修正。为此，考虑到压力脉动的影响，修正原则为：按照已有试验工况的最不利情况以及水泵水轮机厂家的修正公式进行修正。具体修正取用值如表4所列。

需说明的是，表4中试验修正包含了压力脉动和误差的影响。针对该电站运行过程中可能遇到的危险控制性工况进行复核计算，并根据甩负荷试验实测与计算情况进行压力脉动的修正。控制性工况如下。

T1工况：上库水位为733.00 m，下库水位为163.00 m，2台机组均带100%（300 MW）负荷，2台机组同时甩负荷，机组导叶以1/40 s的速度正常关闭。

T2工况：上库水位为727.60 m，下库水位为175.70 m，2台机均带100%（300 MW）负荷，2台机同时甩负荷，机组导叶以1/40 s的速度正常关闭。

T1工况为尾水管进口最小压力的控制工况，T2工况为机组蜗壳最大压力和机组最大转速上升率的控制工况，计算结果分别如表5所列和图8～9所示。

由表5及图8～9可知：同时甩负荷工况下，蜗壳进口最大压力及机组转速最大上升率均为1号机组，尾水管进口最小压力发生在2号机组，与实测工况下情况一致，而且相对于实测工况，控制参数均更危险，需复核其安全裕度。根据表4中提出的修正原则，对危险工况下的控制参数极值进行了修正，修正结果如表6所列。

根据甩负荷试验情况以及国内外多种修正方法进行修正，机组蜗壳最大压力、尾水管进口最小压力以及转速最大上升率在修正后仍未超过结构设计值，因此输水系统及机组安全能得到保证。

4 结 论

本文通过对洪屏抽水蓄能电站的现场甩负荷试验实测结果与过渡过程数值仿真计算结果的对比分析，得出了由压力脉动及计算误差等影响产生的修正值，并对危险过渡过程工况进行了预测，得出以下结论。

（1） 实测数据与数值仿真数据基本一致，蜗壳最大压力和机组转速最大上升率均出现在1号机组，尾水管进口最小压力出现在2号机组，但实际压力包含了压力脉动，使得数值模拟结果偏危险，需通过试验或经验公式进行修正。

（2） 在考虑误差和压力脉动进行修正后，洪屏抽水蓄能电站的过渡过程控制参数均未超过设计值，保障了电站的运行安全。

参考文献：

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[12] 乔德里.实用水力过渡过程[M].三版.北京：中国水利水电出版社，2014.

（编辑：赵秋云）

Field load rejection test and numerical inversion analysis of Hongping

Pumped Storage Power Station

ZHANG Mengjie，WU Du，LI Gaohui，YAO Minjie，HE Bian

（PowerChina Huadong Engineering Co.，Ltd，Hangzhou 311122，China）

Abstract：

Accurate prediction of the transition process of pumped storage power station is an important problem in its design and operation.In this paper，the load rejection test condition of Hongping Power Station is simulated by establishing a numerical model of the transition process of the diversion system of the storage power station.The simulation results are verified by comparing with the measured data，and the error between the numerical simulation and the measured data is obtained.Based on the model，the extreme transition conditions of power station are simulated，and the calculated results are modified according to the experimental results and the error empirical formulas of several unit manufacturers.The results show that the measured data are basically consistent with the numerical simulation data，but the actual pressure contains pressure pulsation making the numerical simulation results dangerous，which needs to be corrected by experiment or empirical formula.After considering the error and pressure pulsation，the transition process control parameters of this pumping storage power station do not exceed the design value，which ensures the safety of the power station.The results of field test and inversion analysis can provide reference for the design and operation of similar power stations.

Key words：

transition process;water diversionand power generation system;load rejection;pressure pulsation;inversion analysis;pumped storage power station