永泰抽水蓄能电站水轮机工况过渡过程分析

周 超， 陈 太 平， 马 安 婷

(东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000)

0 引 言

水电站过渡过程关系到机组的稳定运行和电站安全。水电站过渡过程计算，实质上是解决水力惯性、机组惯性和调整性能三者的矛盾，以期达到电能质量最佳，水工建筑和机组造价最省的目的[1]。过渡过程计算主要指通过建立水电站输水系统数学模型，提出相应的计算条件和计算工况，分析优化导叶关闭规律并进行过渡过程计算，以确保水轮机蜗壳最大水压上升值、尾水管最大真空度和机组最大转速上升率等指标满足调节保证要求[2-3]，并为机组的刚强度计算和结构设计(包括水轮机部件材料、板厚和结构型式等的选择)提供重要依据。抽水蓄能电站输水系统长，水工建筑物多，水力边界条件复杂多变。因此，过渡过程计算是抽水蓄能电站设计中一项十分重要的工作。

1 电站概况、输水系统及机组参数

永泰抽水蓄能电站站址位于福建省永泰县白云乡。电站枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房系统和下水库及地面开关站等建筑物组成。输水系统总长2 112.8 m，主要建筑物由上库进/出水口、引水隧洞、高压管道、尾水隧洞、尾水调压井和下库进/出水口组成。引水系统采用一管双机，尾水系统采用双机一洞的布置方式，在尾水隧洞上设有一座阻抗式调压井。电站总装机容量1 200 MW，安装4台单机容量3 00 MW的可逆式水泵水轮机组。机组参数见表1：

表1 机组参数

2 过渡过程计算软件、计算方法及计算模型

2.1 过渡过程计算软件和计算方法

采用商用化过渡过程计算软件，对永泰抽水蓄能电站输水系统建立计算的数学模型，运用全世界通行的特征线法，进行过渡过程工况的计算。

2.2 过渡过程计算模型

根据电站资料，对输水系统最长的1号水力单元(含对称布置的1号机和2号机)建立过渡过程计算模型，如图1所示。图中FTURB1、FTURB2分别代表1号和2号水泵水轮机组，RESERV1、RESERV2代表上、下水库，STANK1、STANK2、STANK3分别代表上库闸门井、尾水调压井和下库闸门井， PIPE1～PIPE17代表输水系统各管段。

图1 过渡过程计算模型简图(上图为左半截，下图为右半截)

3 调节保证要求及计算工况

3.1 调节保证要求

(1)机组最大转速上升率βmax≤44.5%；

(2)蜗壳进口(水)压力(修正值)不大于705.00 m·H2O；

(3)尾水管进口最小压力(修正值)不低于-6 m·H2O。

3.2 计算工况

电站输水系统采用一管双机的布置方式，同一水力单元的两台机组在过渡过程工况下互相影响[4]。抽水蓄能电站机组同时甩负荷和相继甩负荷时可能出现蜗壳进口最大压力、尾水管进口最小压力和机组转速上升极值的典型水轮机过渡过程工况见表2。

表2 水轮机过渡过程工况表

4 导叶关闭规律的优化

抽水蓄能电站机组的导叶关闭规律需在同甩负荷和相继甩负荷工况下，均能满足蜗壳进口压力、尾水管进口压力和转速上升的要求。因此，至少需要对最大水头、额定水头同甩负荷工况以及最大水头相继甩负荷工况进行联合计算，以寻求最优的导叶关闭规律[5-7]。经过多次优化计算与理论分析，导叶关闭规律如图2所示。

图2 导叶关闭规律示意图

水泵水轮机的最大导叶开度28度对应100%导叶相对开度，对应100%导叶接力器行程。导叶从100%开度关闭到0开度用时33秒。

5 计算结果及分析

5.1 计算结果

采用图2所示的导叶关闭规律，对上表2所示的水轮机工况进行过渡过程计算，计算极值、修正值如表3所示。因两机对称布置，同工况下计算结果亦相同。采用多个抽水蓄能电站实测数据与仿真计算对比分析总结的“水头-出力加权修正法”对各极值进行修正。

表3 计算极值、修正值

从表2可以看出：水轮机工况计算结果各参数均能满足调节保证要求。双机相继甩负荷工况JHT6的2号机组各参数随时间变化而变化，导叶相对开度变化、蜗壳进口压力变化、尾水管进口压力变化和机组相对转速变化分别见图3～6所示。

图3 导叶相对开度变化

图4 蜗壳进口压力变化

图5 尾水管进口压力变化

图6 机组相对转速变化

5.2 计算结果分析

通过对上述水轮机工况进行过渡过程计算分析，可得出以下结论。

(1)蜗壳进口最大压力计算值为633.81 m，修正后值为678.68 m，小于控制值705 m，出现在最大水头且双机同甩额定负荷工况(JHT5)，满足调节保证要求。

(2)尾水管进口最小压力计算值为13.43 m，修正后值为-3.63 m，大于控制值-6 m，出现在最大水头且双机相继甩额定负荷工况(JHT6)，满足调节保证要求。

(3)机组转速最大上升率为39.92%，小于控制值44.5%，出现在额定水头且双机同甩额定负荷工况(JHT3)，满足调节保证要求。

6 结 语

水电站过渡过程计算的蜗壳最大压力上升值、尾水管最大真空度和机组最大转速上升率是机组进行刚强度计算和结构设计的重要依据。针对永泰抽水蓄能电站，通过仿真计算与理论分析，优化筛选出最优导叶关闭规律。对可能出现极值的水轮机工况进行过渡过程计算，采用“水头-出力加权修正法”对计算值进行修正。结果表明计算值和修正值均能满足调节保证要求，为机组的安全稳定运行提供保障，也为后续高水头抽水蓄能电站过渡过程计算提供参考。