抽水蓄能机组甩负荷试验研究

郭建强，罗国虎，王 熙，瞿 洁，李金伟

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能机组在电力系统负荷低谷时利用系统富余电力将水从下水库抽到上水库储存，在负荷高峰时将上水库储存的水放到下水库进行发电，将上、下库中水的势能变化转化为电力系统电能的充放和功率的调节，是电力系统最成熟的调节电源，在系统中具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等“六大功能”[1-6]。

截至2021 年底，我国抽水蓄能电站投运总装机规模36 390 MW，在建总装机规模61 530 MW，已建、在建规模均居世界首位。

抽水蓄能电站一般具有较长的引水和尾水系统，因此在机组甩负荷过程中由于水击现象导致的转速上升、蜗壳压力上升以及尾水管压力下降较常规水电站更为突出，机组甩负荷试验被视作一项检验机组性能和工程质量的重要手段，是每台机组投入试运行和商业运行前必须开展的重要试验[7]。

2 机组基本参数

水泵水轮机和发电电动机的基本参数分别如表1、表2 所示。

表1 水泵水轮机基本参数

表2 发电电动机基本参数

3 试验测点布置

甩负荷试验主要核验蜗壳进口压力最大值、机组转速上升率、尾水锥管进口压力最小值。为尽可能真实反映蜗壳进口压力和尾水锥管进口压力，结合现地测量条件，2 号机组压力传感器布设如下：

（1）蜗壳进口：布设在球阀后的直管段上，采用准齐平安装方式，1 个测点。

（2）尾水锥管进口：布设在尾水进人门上方左侧的验水阀上，采用准齐平安装方式，1 个测点。

此外，还接入了转速、导叶开度以及有功功率3个监控量信号。

4 试验工况

本文着重分析2 号机组单机甩50%、100%额定负荷时的转速、蜗壳进口压力、尾水锥管进口压力的变化趋势。

（1）单机甩50%额定负荷：上库水位582.02 m，下库水位229.76 m，毛水头352.26 m。

（2）单机甩100%额定负荷：上库水位580.47 m，下库水位232.31 m，毛水头348.16 m。

5 试验结果分析

5.1 甩50%额定负荷试验

甩50%额定负荷时的有功功率、转速、导叶开度的变化趋势（含甩前稳定过程）如图1 所示。

图1 有功功率、转速、导叶开度的变化趋势

由图1 可知：机组甩50%额定负荷，转速最大上升率为16.64%，活动导叶快速一段式关闭。

除转速最大上升率外，甩负荷试验还着重关注蜗壳进口压力最大值和尾水锥管进口压力最小值。

甩负荷过程中，机组转速先增大后减小，蜗壳进口和尾水锥管进口处的压力为非周期性的，研究表明机组内部的压力可以分解为趋势项与脉动项。趋势项以低频为主，脉动项则由多种高频成分混叠而成。压力趋势项获取方法较多，如采用低通滤波器法[8]、经验模态分解法[9]、变分模态分解法[10]、Savitzky-Golay 滤波器[11-13]等。经验模态分解与变分模态分解依赖参数较多，且存在模态混叠问题。本文采用广泛应用且成熟的低通滤波器法对蜗壳进口和尾水锥管进口压力数据进行处理以获得趋势项，脉动项即为原始采样数据与压力趋势项的差值[14]。

甩50%额定负荷时的蜗壳进口压力时域图、压力趋势项时域图以及压力脉动项时域图见图2；尾水锥管进口压力时域图、压力趋势项时域图以及压力脉动项时域图见图3。

图2 蜗壳进口压力

图3 尾水锥管进口压力

根据相关标准[15]，稳态工况下的压力脉动采用峰峰值进行评价。对于稳态数据，当数据分析时长满足一定条件时，峰峰值大小与时长近似无关[16]；暂态情况下，当时长较大时所获得的峰峰值不能准确反映峰峰值的变化规律，而当时长较小时所获得的峰峰值又不稳定，因此表3 给出了蜗壳进口、尾水锥管进口的压力脉动在不同时长下（1 倍额定转速旋转周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位数分别为1.5%和98.5%（97%置信度）[15]。

由表3 可以看出：不同时长下，蜗壳进口和尾水锥管进口的压力脉动峰峰值变化幅度较为平缓，取其平均值作为计算依据。

表3 甩50%额定负荷压力脉动峰峰值

5.2 甩100%额定负荷试验

甩100%额定负荷时的有功功率、转速、导叶开度的变化趋势（含甩前稳定过程）如图4 所示。

图4 有功功率、转速、导叶开度的变化趋势

由图4 可知：机组甩100%额定负荷，转速最大上升率为34.76%，活动导叶为两段式关闭。

甩100%额定负荷时的蜗壳进口压力时域图、压力趋势项时域图以及压力脉动项时域图见图5；尾水锥管进口压力时域图、压力趋势项时域图以及压力脉动项时域图见图6。

图5 蜗壳进口压力

图6 尾水锥管进口压力

表4 给出了蜗壳进口、尾水锥管进口的压力脉动在不同时长下（1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位数分别为1.5%和98.5%（97%置信度）。

由表4 可以看出：不同时长下，蜗壳进口和尾水锥管进口的压力脉动峰峰值变化幅度较为平缓，取其平均值作为计算依据。

表4 甩100%额定负荷压力脉动峰峰值

5.3 试验值与合同保证值的对比分析

甩50%、100%额定负荷的试验结果如表5 所示。蜗壳进口压力最大值为对应时刻趋势项值加上峰峰值平均值的一半（换算到导叶中心线高程），尾水锥管进口压力最小值为对应时刻趋势项值减去峰峰值平均值的一半。因蜗壳进口压力测点位于导叶中心线高程，故无需进行高程修正计算。尾水锥管进口压力测点位于尾水进人门上方左侧的验水阀上，满足位于转轮下方0.3D2～1.0D2（D2为转轮下环与叶片连接处出水边直径）

机组过渡过程参数合同保证值如下：

（1）在所有过渡过程工况（飞逸工况除外）中机组产生的转速上升率不大于45%；

（2）蜗壳进口中心线处最大压力值不大于600.0 m.WC；

（3）尾水管进口（转轮出口）处最低压力值不小于0 m.WC（计入涡流引起的压力下降和计算误差后）。

由表5 可以看出：机组甩50%、100%额定负荷时的转速上升率、蜗壳进口压力最大值、尾水锥管进口压力最小值均满足合同保证值。

表5 甩负荷试验结果

6 总结

本文分析了金寨抽水蓄能电站2 号机组甩50%、100%额定负荷下的转速上升率、蜗壳进口压力最大值以及尾水锥管进口压力最小值。针对甩负荷过程中的压力数据，采用低通滤波器法（截止频率为0.2 倍转频）以获得趋势项，进而获得脉动项。在不同时长下（1 倍额定转速旋转周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）分析了压力脉动峰峰值（97%置信度），取其平均值计算得出了蜗壳进口压力最大值和尾水锥管进口压力最小值，为合理、准确计算压力极值提供了技术支撑。与合同保证值对比分析显示转速上升率和压力极值均满足要求，为抽水蓄能机组甩负荷试验分析提供了实例参考。