周喜軍，楊 靜，丁景煥，韓文福，郭 鵬，魏 歡，李東闊

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引 言

大規(guī)模可再生新能源并網(wǎng)已成為當前電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。但新能源發(fā)電具有出力隨機、波動性大等特征，嚴重影響大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和供電質(zhì)量。抽水蓄能機組具有啟停迅速和調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)點，能快速有效地跟蹤、響應電網(wǎng)的波動負荷，是構(gòu)建能源轉(zhuǎn)型的現(xiàn)代電網(wǎng)必不可少的工具。

電站運行工況的轉(zhuǎn)換過程稱為過渡過程。抽水蓄能電站正是通過頻繁的機組啟停、增減負荷等工況轉(zhuǎn)換過渡過程在電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。但運行經(jīng)驗表明，水電站機組及其附屬設(shè)備的事故，大多是在過渡過程中發(fā)生的?？梢姡^渡過程的穩(wěn)定性關(guān)系到整個電站的運行安全。與常規(guī)水電站在電網(wǎng)中主要承擔發(fā)電任務不同，抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的任務包括抽水、發(fā)電、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等，各種運行工況下的排列組合高達20余種。且抽水蓄能機組受電站長輸水系統(tǒng)布置、水泵水輪機全特性、狹長的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流道、甩負荷流量多峰性等多種因素影響，其過渡過程的復雜性遠遠高于常規(guī)水電站。設(shè)計及運行控制難度較高，稍有不當均有可能引發(fā)嚴重事故。

過渡過程數(shù)值計算是目前業(yè)內(nèi)公認的過渡過程分析方法，通過計算可對電站水力系統(tǒng)的技術(shù)可行性及經(jīng)濟合理性進行判斷[1]。許多研究單位都編制了專門的過渡過程計算程序?qū)υ搯栴}進行研究。為保證采用不同軟件進行電站過渡過程設(shè)計的可靠性，水利水電規(guī)劃設(shè)計總院專門對抽水蓄能電站的過渡過程計算提出具體要求，抽水蓄能電站在電站從預可行性研究至投運的每個階段都需要依據(jù)不少于兩款過渡過程計算軟件來共同開展電站過渡過程計算，確保設(shè)計安全。

通過咨詢調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在所有的計算軟件中，SIMSEN是國內(nèi)外各大機組制造廠商普遍認可且采用較多的軟件，而國內(nèi)的浪淘石在電站設(shè)計過程中也應用較多，因此本文的研究工作也基于SIMSEN和浪淘石兩款計算軟件平臺開展。

為進一步提高軟件計算過渡過程結(jié)果的準確性，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來對比并修正過渡過程計算結(jié)果顯然是從根本上提高計算準確性的有效手段。反演分析技術(shù)就是利用電站投產(chǎn)后現(xiàn)場實測結(jié)果來驗證數(shù)值計算結(jié)果的一種方法[2]。反演分析一方面可為計算分析提供準確的修正量，指導提高過渡過程的設(shè)計，另一方面可對已完成的試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)研究，增強技術(shù)管理人員的把關(guān)能力，將運行期的過渡過程事故經(jīng)驗有效反饋至前期設(shè)計階段，深化對過渡過程認識的精細程度[3]。

可見，結(jié)合反演計算深入研究計算與實測運行中的差異對揭示過渡過程本質(zhì)是必不可少的。本文即采用這種結(jié)合電站現(xiàn)場實測的過渡過程數(shù)據(jù)與SIMSEN和浪淘石兩款過渡過程計算軟件結(jié)果進行對比的反演分析方法，擬通過細致的反演分析研究，提高過渡過程的計算精確度，促進電站全壽命周期的過渡過程設(shè)計安全性，形成對工程應用的有效指導，確保電站安全穩(wěn)定運行。

1 電站主要參數(shù)

實測電站的主要參數(shù)及機組參數(shù)見表1。

實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的對比是反演分析技術(shù)的核心。本文中反演分析對比數(shù)據(jù)主要考慮三個最為重要的過渡過程控制參數(shù)，其要求如下：

（1）蝸殼進口最大壓力不大于887m。

（2）最大轉(zhuǎn)速上升率不大于50%。

（3）尾水管進口最小壓力不小于0m。

2 反演分析方法

過渡過程現(xiàn)場試驗中通過壓力信號采集方法獲得壓力變化數(shù)據(jù)。壓力數(shù)據(jù)中包括脈動和誤差。而過渡過程計算軟件均基于一維計算理論，受其限制，計算結(jié)果得到的是壓力均值的變化曲線，不包含脈動壓力及計算誤差，二者直接進行對比不利于對結(jié)果的精細分析。因此，首先對獲得的現(xiàn)場實測結(jié)果進行了信號分解處理。所用分解方法為經(jīng)驗模態(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition[4]，EMD）。

EMD方法是一種將非線性、非平穩(wěn)信號分解成一系列調(diào)頻調(diào)幅信號的自適應分解方法?？蓪毫π盘柗纸鉃橼厔蓓椇兔}動項，其中趨勢項代表壓力波動均值。如圖1所示給出了甩負荷過渡過程蝸殼進口壓力的實測數(shù)據(jù)分解成均值壓力趨勢線和脈動壓力的結(jié)果，分解后獲得的趨勢線直接與數(shù)值計算結(jié)果進行對比，如圖2所示，圖中可以看出分解后的趨勢線與計算結(jié)果二者波動趨勢及幅值基本一致，表明用實測數(shù)據(jù)分解后的趨勢線與計算結(jié)果進行對比是可行的。圖1中分解后的脈動壓力表明甩負荷過程中脈動壓力幅值也是逐漸變化的，在接近飛逸工況時幅值最高。后期為提高計算準確性，還需對實測脈動結(jié)果進行進一步分析，以便為計算提供修正。

圖1 實測蝸殼進口壓力經(jīng)驗模態(tài)分解Figure 1 Empirical mode decomposition of measured pressure at spiral casing inlet

圖2 實測數(shù)據(jù)分解后的趨勢項與計算結(jié)果的比較Figure 2 Comparison between the trend term of the measured data and the calculated results

3 電站反演分析實例

3.1 計算模型及工況

過渡過程計算采用的SIMSEN[5]過渡過程軟件是由瑞士聯(lián)邦理工大學開發(fā)，被國內(nèi)外多個制造廠如福伊特、東電及多所高校采用的過渡過程計算軟件。武漢大學開發(fā)的浪淘石軟件也已被國內(nèi)數(shù)十個電站采用，采用這兩個具有代表性的計算軟件開展反演分析驗證，反映過渡過程計算中的共性問題更有說服力。

基于這兩個計算軟件平臺，所建立的電站水力系統(tǒng)模型如圖3及圖4所示，模型包括上游水庫、引水管路、機組、上下游調(diào)壓室、閘門井、尾水管路，下游水庫等元件的水力系統(tǒng)。計算采用的導葉關(guān)閉規(guī)律如圖5所示，水泵斷電工況采用的導葉關(guān)閉規(guī)律與水輪機工況導葉關(guān)閉規(guī)律相同。

因瀝青公路易受雨水侵蝕，所以需積極加強對其防護，在鋪設(shè)完成之后，施工技術(shù)人員需反復用瀝青及時地在公路兩側(cè)進行涂刷，想要達到較好的防雨效果，一般需涂刷3遍以上，不然容易造成塌陷的發(fā)生。施工技術(shù)人員為了保證公路排水性能，需建造防水性能非常好的盲溝，按照實際情況進行，可對其起到很好的防護作用。不僅如此，為了防止公路路面受到雨水對其侵蝕，進一步提升防水性能，可在公路兩旁種植植物。

圖3 SIMSEN數(shù)值仿真計算模型Figure 3 SIMSEN calculation model

圖4 浪淘石數(shù)值仿真計算模型Figure 4 LANG TAOSHI calculation model

表2 反演分析計算工況Table 2 Back analysis compute conditions

分析工況選擇了典型的過渡過程雙機甩負荷工況及水泵斷電工況，這兩個工況的詳細信息見表2所示?；谶@兩個工況的計算結(jié)果，分析機組蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力及機組轉(zhuǎn)速三個主要控制參數(shù)的實測值與計算值的差異。

3.2 雙機甩負荷工況反演計算分析

雙機甩100%負荷導葉正常關(guān)閉工況，1號和2號機組蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最小壓力、機組最大轉(zhuǎn)速三個控制參數(shù)計算與實測趨勢線的對比結(jié)果如圖6～圖11所示。從圖6、圖7中可以看到，兩款軟件計算的蝸殼進口最大壓力計算值均與實測值非常接近，軟件計算的壓力均值線與實測壓力趨勢線的波動趨勢基本一致，三者吻合較好，偏差僅1%左右。由于2號機組水道略長，因此壓力值略高。相比而言，實測結(jié)果與數(shù)值計算的蝸殼進口最大壓力出現(xiàn)時間略微不同，且壓力最大值后的波動也有一定差異。這可能是由于過渡過程計算中設(shè)置的波速與實際電站流道中波速不一致造成的壓力傳播差異，但該差別并不影響電站的安全性。

圖5 導葉關(guān)閉規(guī)律Figure 5 Guide vane closing law

圖6 雙甩1號機組蝸殼進口壓力對比Figure 6 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 1# unit at load-rejection

圖7 雙甩2號機組蝸殼進口壓力對比Figure 7 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 2# unit at load-rejection

機組轉(zhuǎn)速最大上升值計算結(jié)果與實測值如圖8、 圖9中所示，二者的結(jié)果也非常接近，計算的機組轉(zhuǎn)速波動曲線與實測波動基本一致，尤其是在出現(xiàn)轉(zhuǎn)速極值的第一個波形，三者基本重合，偏差在1%以內(nèi)。SIMSEN軟件計算中未考慮水輪機的轉(zhuǎn)動慣量（不考慮計算結(jié)果偏保守，設(shè)計更安全），因此轉(zhuǎn)速最大值略高，但最大轉(zhuǎn)速均未超過45%。可見數(shù)值計算的轉(zhuǎn)速上升極值是非?？煽康?。

尾水管進口最小壓力的波動波形如圖10、圖11所示，兩款軟件計算的結(jié)果是一致的，相對實測結(jié)果數(shù)值計算的尾水管最小壓力值更低?？紤]到甩負荷后尾水管內(nèi)流動受轉(zhuǎn)輪出口漩渦及脫流的影響，流場紊亂程度較高，計算值若加上尾水管內(nèi)壓力脈動修正量后明顯會進一步降低最小壓力值。因此該計算值偏低的結(jié)果在實際工程設(shè)計中更為合理。

圖8 雙機甩負荷1號機組轉(zhuǎn)速對比Figure 8 Measured and calculated runner speed of 1# unit at load-rejection

圖9 雙機甩負荷2號機組轉(zhuǎn)速對比Figure 9 Measured and calculated runner speed of 2# unit at load-rejection

圖10 雙甩1號機組尾水管進口壓力對比Figure 10 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 1# unit at load-rejection

圖11 雙甩2號機組尾水管進口壓力對比Figure 11 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 2# unit at load-rejection

3.3 水泵斷電工況反演計算分析

對水泵工況兩機抽水斷電、導葉正常關(guān)閉的工況也進行了反演計算及分析。對計算的蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力、機組轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果進行了對比，其值如表3所示。

從表中可以看到，對于電站1號水力單元雙機切泵工況，兩款軟件計算的蝸殼進口最大壓力值比較接近，但與實測值均有3%左右的偏差，數(shù)值軟件的計算值均偏高。蝸殼進口最小壓力極值的計算結(jié)果中，SIMSEN軟件的計算結(jié)果與實測相差不超過2m，基本可視為一致，浪淘石軟件也僅存在2%左右的誤差。

尾水管進口最小壓力計算結(jié)果也與實測值比較接近，但數(shù)值計算值更低，設(shè)計偏安全。從尾水管進口最大壓力值的比較可以看出，SIMSEN的計算結(jié)果基本與實測一致，浪淘石的計算結(jié)果相差5m左右，偏差4%。

機組轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果預見了機組在水泵斷電的時候1號和2號機組均出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最大上升值計算結(jié)果也與實測值非常接近，分別達到462.7r/min和492.9r/min，與實測結(jié)果基本一致。

表3 1號和2號機組抽水斷電工況試驗與計算結(jié)果分析Table 3 Measured and calculated results of two Units pumping emergency shutdown（ESD）

續(xù)表

4 計算與實測偏差原因分析

（1）數(shù)值計算結(jié)果中未考慮實際流場中的壓力脈動影響是造成二者偏差的主要原因。

從圖1的實測壓力數(shù)據(jù)分解也可以看出，過渡過程工況壓力脈動值是變化的，因此確定一個工況的合理取值存在難度。目前工程中蝸殼進口最大壓力僅粗略取值為5%～7%、電站尾水管進口最小壓力取值為2%～3.5%。合理的壓力脈動修正量如何選取尚未有定論。

另一方面實測壓力數(shù)據(jù)的準確性也需進一步確認。如目前尾水管進口壓力測量通常僅在錐管一側(cè)安置傳感器。但在過渡過程紊亂的尾水管流場中，選擇單一測點的脈動作為整個截面脈動的參考其準確性存疑。且傳感器的安置方式也會影響測量結(jié)果的準確性。這些均為計算修正量的準確確定帶來不利影響。

因此，基于實測結(jié)果對計算進行修正需要首先確保實測結(jié)果的準確性，其次通過不同工況的綜合分析合理確定修正量，為計算結(jié)果的反演分析提供更有效的指導。

（2）數(shù)值計算中的參數(shù)設(shè)置也是造成二者差異的一個重要因素。

如流道不同位置波速的設(shè)置。抽水蓄能電站一般為高水頭電站，最大水錘壓強出現(xiàn)在第一相末，波速對最大壓力結(jié)果存在一定的影響[6]。但真實流場的波速難以通過實測獲得，計算中波速一般根據(jù)流道特性及計算人員的經(jīng)驗在1000～1400m/s之間取值，對計算結(jié)果帶來一定的誤差。

其次，水力系統(tǒng)中通常用當量直徑代替過流斷面變化的流道。如抽水蓄能電站進出水口、蝸殼、尾水管等都需要進行當量。采用不同的非均勻圓管當量直徑計算方法得出的結(jié)果并不相同，影響流場計算結(jié)果[7]。

另外，調(diào)壓室和閘門井阻抗孔損失系數(shù)以及流道不同部位流動損失的確定也會影響波動幅值和衰減速度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面，合理取值也對水力過渡過程計算十分關(guān)鍵[8-9]。其確定方法也有待進一步研究確定。

5 結(jié)論

本文結(jié)合具有代表性的雙機甩負荷過渡過程工況和抽水斷電工況，介紹了基于實測數(shù)據(jù)分析數(shù)值計算結(jié)果的反演分析方法。

分析結(jié)果表明，所采用的兩款數(shù)值計算軟件均能反映過渡過程工況的關(guān)鍵控制參數(shù)變化，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的趨勢線基本一致。驗證了前期采用計算軟件進行過渡過程預測的合理性。

分析了現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與計算參數(shù)設(shè)置可能是造成計算與實測結(jié)果之間存在偏差的主要原因。但總體而言，偏差在工程應用可接受的范圍內(nèi)。

后續(xù)還將通過更多電站更多工況的反演計算，系統(tǒng)的研究設(shè)計值、實測值與計算值的差異。提高實測結(jié)果的準確性，為過渡過程計算結(jié)果提供準確的修正，提高預測的可靠性。為更合理的進行抽水蓄能電站的過渡過程設(shè)計提供有效指導。