趙 路，邱樹先，馮 艷

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

抽水蓄能電站一般具有水頭高、輸水線路長的特點，為了降低工程投資，輸水隧洞通常采用一洞多機的布置方式，但水力學特性更加復雜，存在一臺機組甩負荷緊急停機，產(chǎn)生的水力干擾影響到其他正常運行機組，誘發(fā)相繼甩負荷工況的可能性。

輸水系統(tǒng)相繼甩負荷工況下的調(diào)壓室涌浪極值，理論上存在一個最危險的間隔時刻點，國內(nèi)專家學者已從調(diào)壓室基本方程出發(fā)，推導出任意時刻甩負荷調(diào)壓室最高涌浪的公式[1-2]，從根本上解決了調(diào)壓室高度的設計問題。但是，由于甩負荷過程具有極強非線性，不便于理論分析，對于蝸殼末端最大壓力、尾水管進口最小壓力、機組轉(zhuǎn)速上升值的極值，需要進行敏感性分析[3]。

1 工程概況

蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江縣西南部中峰鎮(zhèn)境內(nèi)，距重慶市渝中區(qū)直線距離約80 km，距綦江縣城約50 km。電站裝機容量1 200 MW，電站建成后將供電重慶市主網(wǎng)，主要承擔重慶電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務，是重慶市未來電網(wǎng)中重要的骨干電源。上水庫正常蓄水位995.50 m，死水位981.00 m。下水庫正常蓄水位549.00 m，死水位533.00 m。電站安裝4臺300 MW可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組，電站發(fā)電最大水頭462.50 m，最小水頭418.72 m，額定水頭428.00 m。最大抽水揚程473.61m，最小抽水揚程437.66 m。

圖1 蟠龍抽水蓄能電站過渡過程計算示意

蟠龍抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)上水庫進/出水口布置在上水庫壩址上游左岸，距左壩肩約100 m處。引水系統(tǒng)按一洞兩機布置，設置上游調(diào)壓室。引水主洞直徑6.50～5.0 m，支洞直徑3.40 m，輸水線路斜進廠房，與廠房軸線交角65，尾水系統(tǒng)采用單機單洞的布置方式，尾水隧洞與廠房軸線正交，尾水隧洞直徑為5.20 m。從上庫進/出水口至下庫進/出水口，輸水系統(tǒng)總長約2 156～2 188 m。

2 計算模型與控制條件

2.1 計算模型

采用TOPSYS數(shù)值模型，進行數(shù)值仿真分析。根據(jù)蟠龍抽水蓄能電站引水發(fā)電管道系統(tǒng)的布置方案，其過渡過程計算過程如圖1所示，計算采用與本電站機組參數(shù)近似的仙游機組特性曲線。圖1中J1、J2、J3、J4分別代表1、2、3、4號機組，J15、J16代表上游調(diào)壓室。

2.2 控制條件

近年來，隨著仿真計算方法的逐漸成熟和工程經(jīng)驗的日益積累，對調(diào)節(jié)保證設計值有了更加深刻的認識。由于現(xiàn)行規(guī)范[4]推薦的壓力升高率是基于技術(shù)經(jīng)濟性進行考慮的，所以在合理設計范圍內(nèi)，應嚴格限制轉(zhuǎn)速上升和壓力下降，可適當放寬壓力上升，本文不對壓力升高值進行限制。

調(diào)節(jié)保證設計值應在水力過渡過程計算值的基礎(chǔ)上考慮計算誤差、壓力脈動進行修正后確定。對于最大水頭大于200 m的抽水蓄能電站：引水系統(tǒng)壓力脈動引起的壓力上升可按甩前凈水頭的7%～5%選??；計算誤差可按壓力上升值的10%選取。尾水系統(tǒng)渦流引起的壓力下降可按甩前凈水頭的3.5%～2.0%選取，計算誤差可按尾水管進口壓力下降值的7%～10%選取。根據(jù)調(diào)節(jié)保證設計值[4]反算得到的水力過渡過程計算值，需滿足以下要求：①尾水管進口允許最小水壓力16.00 m；②機組允許最大速率上升率45%。

2.3 關(guān)閉規(guī)律

參考類似工程經(jīng)驗，本文導葉計算采用一段式直線關(guān)閉/開啟規(guī)律。水泵水輪機導葉關(guān)閉規(guī)律見圖2，采用100%最大開度下50 s直線關(guān)閉，相應88.65%額定開度下44.35 s直線關(guān)閉。導葉開啟規(guī)律見圖3，從空載開度29.87%增加到滿開度88.65%的時間為30 s。

圖2 水輪機工況導葉直線關(guān)閉規(guī)律

圖3 水輪機工況導葉開啟規(guī)律

3 相繼甩負荷敏感性分析

選取2個典型的水輪機工況，采用導葉關(guān)閉、不關(guān)球閥進行相繼甩負荷間隔時間的敏感性分析。①工況一。水輪機工況，上庫校核洪水位996.79 m，額定出力306.1 MW，下庫死水位549 m，同一調(diào)壓井的兩臺機組正常工作時，同一水力單元2臺機組同時/相繼甩全負荷；②工況二。水輪機工況，上庫正常蓄水位996.79 m，下庫死水位549 m，額定出力306.1 MW，同一水力單元2臺機組同時/相繼甩全負荷。工況D1和D2兩種工況下，蝸殼進口最大壓力、尾水管出口最小壓力、轉(zhuǎn)速最大升高值與相機甩負荷間隔時間的關(guān)系見圖4～9。從圖4～9可以看出，隨著甩負荷時間間隔的延長：

(1)蝸殼末端最大動水壓力值有先減小后增大的波動的變化規(guī)律，時間間隔大于2 s后均小于機組同時甩負荷情況下最大動水壓力值。兩臺機組的變化規(guī)律一致。

圖4 D1相繼甩負荷時間間隔與蝸殼壓力關(guān)系

圖5 D2相繼甩負荷時間間隔與蝸殼壓力關(guān)系

圖6 D1相繼甩負荷時間間隔與尾水管壓力關(guān)系

圖7 D2相繼甩負荷時間間隔與尾水管壓力關(guān)系

圖8 D1相繼甩負荷時間間隔與轉(zhuǎn)速升高率關(guān)系

圖9 D2相繼甩負荷時間間隔與轉(zhuǎn)速升高率關(guān)系

(2)尾水管進口最小壓力值也是有先減小后增大的波動的變化規(guī)律，當時間間隔為6 s時，尾水管進口壓力值最小兩工況下最小值分別為-20.41、-21.63 m，低于控制值，應該避免在3～8 s的時間間隔內(nèi)甩負荷。

(3)轉(zhuǎn)速在間隔5 s時上升到最大值，隨后開始下降，10 s后又開始上升，5 s時出現(xiàn)兩工況下最大值分別為38.09%和38.18%，均未超過45%。

4 結(jié) 論

相繼甩負荷工況下，蝸殼末端最大動水壓力、尾水管進口最小壓力、轉(zhuǎn)速上升的極值均較同時甩負荷工況更為不利。其中，尾水管進口最小壓力變化幅度最大，本工程相繼甩負荷工況已無法滿足設

計要求。此外，壓力和轉(zhuǎn)速極值在相繼甩負荷工況下最不利發(fā)生時刻并不相同。相繼甩負荷工況是調(diào)節(jié)保證設計的控制工況，對于采用一洞多機布置形式的抽水蓄能電站需重視相繼甩負荷工況下的調(diào)節(jié)保證計算，本工程的計算結(jié)果可為類似工程調(diào)節(jié)保證設計提供參考。

[1] 陳勝, 張健, 俞曉東. 水電站輸水系統(tǒng)相繼甩負荷下調(diào)壓室涌浪疊加研究[J]. 水利學報, 2015, 46(11): 1321- 1328．

[2] 王炳豹, 楊建東, 張新春, 等. 抽水蓄能電站上游調(diào)壓室最高涌浪控制工況研究[J]. 水力發(fā)電學報, 2015, 34(5): 66- 70．

[3] 張春. 抽水蓄能電站一管多機相繼甩負荷過渡過程研究[J]. 水利水電技術(shù), 2011, 42(12): 66- 70．

[4] DL/T5208—2005 抽水蓄能電站設計導則[S]．