張 飛，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

我國運(yùn)行和在建大型抽水蓄能機(jī)組輸水系統(tǒng)普遍采用“一管多機(jī)”方式，如浙江仙居[1]、江西HP[2]等采用一管兩機(jī)方式，浙江天荒坪[3]、海南瓊中[4]等采用“一管三機(jī)”方式，廣東清遠(yuǎn)[5]采用“一管四機(jī)”方式等。其中，尤以“一管兩機(jī)”式抽水蓄能電站最多。抽水蓄能電站在不同階段均需要對機(jī)組大波動過程進(jìn)行水力過渡計算以實(shí)現(xiàn)電站和機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。根據(jù)我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10072—2018[6]，抽水蓄能電站水力過渡過程計算應(yīng)準(zhǔn)確模擬輸水系統(tǒng)水力特性和機(jī)組特性，合理擬定計算工況。引水系統(tǒng)采用“一管兩機(jī)”、尾水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一洞”時，兩臺機(jī)組發(fā)電工況同時甩負(fù)荷的基本設(shè)計工況為不同水位組合下的額定負(fù)荷工況，即額定負(fù)荷時“2臺→0”。因此對于該型式抽水蓄能電站，針對兩臺機(jī)組同時甩負(fù)荷工況（以下簡稱雙機(jī)同甩），設(shè)計單位、主機(jī)制造單位和第三方水力過渡過程計算單位普遍只計算兩臺機(jī)組同時甩額定負(fù)荷工況。規(guī)程規(guī)范默認(rèn)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時蝸殼進(jìn)口和尾水進(jìn)口壓力達(dá)到極值，然而，事實(shí)確是如此嗎？

“一管兩機(jī)”方案中，兩臺機(jī)組并不總是負(fù)荷相等，如一臺機(jī)組運(yùn)行于100%Pe、另一臺機(jī)組運(yùn)行于80%Pe，一臺機(jī)組運(yùn)行于100%Pe、另一臺機(jī)組增負(fù)荷等。目前抽水蓄能機(jī)組普遍投入成組控制，機(jī)組處于自動負(fù)荷調(diào)節(jié)模式運(yùn)行，參與調(diào)頻機(jī)組的負(fù)荷隨時發(fā)生波動，且抽水蓄能機(jī)組多采用單元接線方式，當(dāng)發(fā)生電氣故障時，如500kV開關(guān)跳閘、主變差動保護(hù)動作等情況，將造成同一流道多臺機(jī)組同時甩不同負(fù)荷。在這些工況下如果兩臺機(jī)組同時甩負(fù)荷，是否這一情形較雙機(jī)甩額定負(fù)荷惡劣，其本意是從風(fēng)險較低向較高方向執(zhí)行雙機(jī)同甩試驗，各單位均未對這一組合負(fù)荷工況進(jìn)行校核（以下稱“一管兩機(jī)”同時甩不同負(fù)荷為組合工況）。同時，我們注意到，目前抽水蓄能機(jī)組普遍在調(diào)試或者竣工驗收階段要求做雙機(jī)同時甩負(fù)荷試驗，此時普遍做法是從雙機(jī)同甩50%、75%和100%負(fù)荷依次執(zhí)行，然而對于特定電站，是雙機(jī)同甩50%的風(fēng)險確實(shí)低于雙機(jī)同甩100%的風(fēng)險？

基于以上問題，本文選取具有截然不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的三座典型“一管兩機(jī)”式抽水蓄能電站，針對水力過渡過程進(jìn)行建模，采用實(shí)際所用導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對雙機(jī)同甩組合工況進(jìn)行計算并分析，以期回答上述問題。

1 計算模型

1.1 軟件平臺

本文研究采用為SIMSEN軟件平臺。SIMSEN是瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)的一款用于電網(wǎng)、變速驅(qū)動設(shè)備和水力系統(tǒng)分析的仿真計算軟件，該軟件在抽水蓄能機(jī)組過渡過程計算方面得到了世界范圍內(nèi)普遍驗證[7-9]。

1.2 機(jī)組參數(shù)

本研究針對三個典型電站的輸水系統(tǒng)及機(jī)組進(jìn)行建模，分別是HP電站1號流道與1/2號機(jī)組、HMF電站2號流道3/4號機(jī)組和YX電站2號流道3/4號機(jī)組，分別采用一段式、兩段式和三段式導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。HP電站與YX電站上游管路為“一管兩機(jī)”共用一個上游調(diào)壓井，下游管路亦為“一管兩機(jī)”共用一個尾水調(diào)壓井；HMF電站上游側(cè)管路為“一管兩機(jī)”共用一個上游調(diào)壓井，下游側(cè)“單管單機(jī)”分設(shè)各自調(diào)壓井。三個電站與機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律分別如圖1所示，SIMSEN環(huán)境下的計算模型分別如圖2所示，全特性曲線分別如圖3所示。

表1 電站及機(jī)組關(guān)鍵特征參數(shù)Table 1 Key parameters of power plants and units

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 1 Closing laws of guide vane

1.3 計算設(shè)置

為研究三個電站實(shí)際工作狀態(tài)下雙機(jī)甩不同負(fù)荷時的狀態(tài)，在實(shí)際圖1所示導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律情況下，各站各選取一個典型上下庫水位進(jìn)行復(fù)核，計算水位如表2所示。

表2 計算工況對應(yīng)水位Table 2 Water levels of calculations

雙機(jī)同甩時各臺機(jī)組所帶負(fù)荷組合為（50%～100%）Pe（額定負(fù)荷），每臺機(jī)組負(fù)荷組合步長為5%Pe，每個電站共計算100個雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況。

為保證建模準(zhǔn)確性，將計算結(jié)果與制造廠、設(shè)計院和其他單位所出具報告中的數(shù)值進(jìn)行對比，采用SIMSEN建模獲得的結(jié)果與相應(yīng)報告結(jié)果偏差小于1%，表明程序可靠。

2 計算結(jié)果

雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況下，HP、HMF和YX三個電站蝸殼進(jìn)口壓力最大值和尾水出口壓力最小值計算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

針對計算特征水位下，雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時蝸殼進(jìn)口最大壓力，從圖4可見：

（1） HP電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，蝸殼進(jìn)口壓力近似隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時，兩臺機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力分別達(dá)到最大值，這表明對于HP電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險工況。

（2） HMF電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，在雙機(jī)同甩67%Pe時，兩臺機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力達(dá)到最大值，其中3號機(jī)組為465.34m，而雙機(jī)同甩100%Pe時3號機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大值為450.39m，偏差為14.95m；這表明對于HMF電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷不是雙甩組合工況中的最危險工況。

（3）YX電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，蝸殼進(jìn)口壓力隨著總負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)雙機(jī)同甩額定負(fù)荷時，兩臺機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力分別達(dá)到最大值，這表明對于YX電站蝸殼進(jìn)口壓力而言，雙機(jī)同甩額定負(fù)荷是本站雙甩組合工況中最危險工況。

針對計算特征水位下，雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時尾水進(jìn)口最小壓力，從圖5可見：

圖2 SIMSEN計算模型Figure 2 Calculation models in SIMSEN

（1） HP電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，尾水管進(jìn)口壓力的最小值并未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對本臺機(jī)組而言，本臺機(jī)組帶100%Pe，相鄰機(jī)組帶70%Pe，此時雙機(jī)同甩時本臺機(jī)組尾水進(jìn)口壓力達(dá)到最小值；兩臺機(jī)組尾水進(jìn)口最小值發(fā)生在1號機(jī)組70%Pe、2號機(jī)組100%Pe時，此時1號機(jī)組尾水進(jìn)口最小值為20.78m，該值較雙機(jī)同甩100%Pe時尾水進(jìn)口壓力最小值37.17m小16.39m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院《暫行規(guī)定》[10]，考慮3%的壓力脈動修正和10%的計算誤差，修正后尾水進(jìn)口壓力最小值為-1.42m，顯然該值已不滿足調(diào)節(jié)保證要求。考慮到實(shí)際僅對一個水位組合下的雙機(jī)同甩工況進(jìn)行計算，實(shí)際其他水頭組合下雙機(jī)同甩時尾水進(jìn)口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，因此HP電站現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高雙機(jī)同甩時尾水進(jìn)口壓力數(shù)值，排除水柱分離的隱患。

（2）HMF電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，尾水管進(jìn)口壓力的最小值亦未發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況；對本臺機(jī)組而言，本臺機(jī)組帶80%Pe，相鄰機(jī)組帶69%Pe，此時雙機(jī)同甩時本臺機(jī)組尾水進(jìn)口壓力達(dá)到最小值；兩臺機(jī)組尾水進(jìn)口最小值發(fā)生在4號機(jī)組80%Pe、3號機(jī)組69%Pe時，此時4號機(jī)組尾水進(jìn)口最小值為14.99m，該值較雙機(jī)同甩100%Pe時尾水進(jìn)口壓力最小值39.89m小24.90m；根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院《暫行規(guī)定》[10]，修正取甩前凈水頭2%的壓力脈動和5%壓力下降值的計算誤差，修正后的尾水進(jìn)壓力為5.95m，已經(jīng)小于保證值；如果修正取甩前凈水頭3.5%的壓力脈動和10%壓力下降值的計算誤差，修正后的尾水進(jìn)壓力為-1.57m；考慮到實(shí)際僅對一個水位組合下的雙機(jī)同甩工況進(jìn)行計算，實(shí)際其他水頭組合下雙機(jī)同甩時尾水進(jìn)口壓力可能較該水頭下的數(shù)值小，這表明，HMF電站在雙機(jī)同甩負(fù)荷組合工況時尾水管進(jìn)口壓力已不滿足合同保證值的要求，可能處于危險邊緣中。

（3）YX電站雙機(jī)同甩不同負(fù)荷時，兩臺機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力的最小值均發(fā)生在雙甩額定負(fù)荷工況，最小值為41.82m；雙機(jī)同甩時尾水進(jìn)口壓力最小值趨勢與目前認(rèn)知相符；YX電站尾水進(jìn)口壓力最小值裕量較大。

圖3 全特性曲線Figure 3 Four-quadrant characteristic curves

圖4 蝸殼進(jìn)口壓力最大值計算結(jié)果Figure 4 Calculation results of maximum pressure for spiral case inlet

圖5 尾水進(jìn)口壓力最小值計算結(jié)果Figure 5 Calculation results of minimum pressure for draft tube inlet

從圖4和圖5中亦可見：雙機(jī)同甩組合工況時，同一流道中的兩臺機(jī)組其壓力極值并不相等，如HP電站1號流道中1號機(jī)組100%Pe、2號機(jī)組60%Pe時雙機(jī)同甩所獲得的1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值與2號機(jī)組100%Pe、1號機(jī)組60%Pe所計算出的2號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值并不相等，其原因主要是流道差異導(dǎo)致。

3 引發(fā)問題

從第二節(jié)分析結(jié)果可見，雖然某些抽水在雙機(jī)同時甩特定負(fù)荷組合時存在風(fēng)險。甩負(fù)荷時，尾水錐管內(nèi)必然存在空化[11，12]，空化至一定程度則將產(chǎn)生水柱分離-彌合現(xiàn)象[13]，造成機(jī)組抬機(jī)等事故，因此必須控制尾水管進(jìn)口壓力。

NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設(shè)計規(guī)范》[6]和水電水利規(guī)劃設(shè)計總院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計專題報告編制暫行規(guī)定（試行）的通知》（以下簡稱《暫行規(guī)定》）是我國抽水蓄能電站設(shè)計的根本遵循，其中NB/T 10072—2018規(guī)定了調(diào)節(jié)保證的設(shè)計工況，而《暫行規(guī)定》則給出了蝸殼進(jìn)口壓力和尾水出口壓力的修正方法。NB/T 10072—2018中所推薦的“一管兩機(jī)”雙機(jī)同甩工況調(diào)節(jié)保證計算只包含雙機(jī)同甩額定負(fù)荷，未明確指出需要對雙機(jī)同甩負(fù)荷的組合工況進(jìn)行計算。而根據(jù)HP電站計算結(jié)果，尾水進(jìn)口最小壓力并不發(fā)生在雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況，根據(jù)HMF電站計算結(jié)果，蝸殼進(jìn)口壓力和尾水進(jìn)口壓力極值均不是發(fā)生在雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況。因此，需要對NB/T 10072—2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，明確在電站設(shè)計階段，必須對不同水位組合下雙機(jī)同甩不同負(fù)荷組合工況進(jìn)行計算，以確保所設(shè)計電站運(yùn)行安全可靠。

由于我國早期電站均存在相繼甩負(fù)荷不能滿足要求的問題，此時雙機(jī)同時甩負(fù)荷成為關(guān)鍵控制工況。從一管兩機(jī)型式電站實(shí)際運(yùn)行而言，同一水力單元中每臺機(jī)組不同負(fù)荷運(yùn)行已成為常態(tài)，雙機(jī)同甩不同負(fù)荷的組合工況發(fā)生的概率遠(yuǎn)大于雙機(jī)相繼甩負(fù)荷，而早期電站設(shè)計時普遍對雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況進(jìn)行校驗，未對不同負(fù)荷的組合工況進(jìn)行校驗，因此實(shí)際運(yùn)行時某些特定電站可能存在極大隱患。故應(yīng)對我國采用共水力單元的一管多機(jī)型式抽水蓄能電站進(jìn)行重新復(fù)核，以期找到最危險的組合工況，避免在此組合工況下運(yùn)行，降低電站安全風(fēng)險。

對于運(yùn)行電站，從HP電站和HMF電站計算結(jié)果看，在雙機(jī)同時甩特定組合工況時，尾水進(jìn)口壓力已經(jīng)接近危險狀態(tài)中，在現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律前提下，需采取特定運(yùn)行措施以避免雙機(jī)同甩時尾水管發(fā)生水柱分離-彌合現(xiàn)象。

由于調(diào)試抽水蓄能電站普遍進(jìn)行“一管多機(jī)”同時甩負(fù)荷試驗[13，14]，而實(shí)施時普遍為每臺機(jī)組帶同等負(fù)荷，從低負(fù)荷向高負(fù)荷甩起，其本意是從低風(fēng)險向高風(fēng)險方向依次執(zhí)行，然而存在偏離這一風(fēng)險原則的可能。而從HMF電站計算結(jié)果看，對于特定電站這種試驗實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)改變。此時，應(yīng)在水力過渡過程計算的指導(dǎo)下合理確定“一管多機(jī)”同時甩負(fù)荷的工況點(diǎn)。這點(diǎn)對于目前正在調(diào)試電站尤為重要。

十三五期間我國開工建設(shè)了大量抽水蓄能電站，2015年開工了安徽金寨、山東沂蒙、河南天池等6座抽水蓄能電站，2016年開工了陜西鎮(zhèn)安、遼寧清原等5座抽水蓄能電站，2017年開工了河北易縣、浙江寧海等6座抽水蓄能電站，2018年開工浙江衢江、河北撫寧等5座抽水蓄能電站，2019年開工了山西垣曲、安徽桐城等4座抽水蓄能電站。這些電站普遍采用一管多機(jī)式設(shè)計方案，在基建電站轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)完成的情況下，當(dāng)對調(diào)節(jié)保證進(jìn)行計算時，必須對多機(jī)同甩組合工況進(jìn)行校核，以尋求最佳導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，避免蝸殼進(jìn)口壓力超過設(shè)計保證值，以及尾水管進(jìn)口斷面出現(xiàn)水柱分離-彌合現(xiàn)象。

上述問題的出現(xiàn)，對目前設(shè)計院、主機(jī)制造單位和第三方科研院所等高校調(diào)節(jié)保證計算提出了新的要求。對特定電站而言，需要加強(qiáng)雙機(jī)同時甩負(fù)荷組合工況的校核，在機(jī)組水力過渡過程報告中增加不同水位組合下雙機(jī)同甩不同負(fù)荷組合工況的數(shù)值仿真，重新評估雙甩下的機(jī)組安全性，而不僅僅只計算不同水位組合下的雙機(jī)同甩額定負(fù)荷工況。

4 結(jié)論

本文在SIMSEN軟件平臺上，針對三座抽水蓄能電站不同的水力單元及機(jī)組進(jìn)行建模，探討了“一管兩機(jī)”型式下雙機(jī)同時甩不同負(fù)荷工況下的蝸殼進(jìn)口最大壓力和尾水出口最小壓力的分布情況，獲得以下結(jié)論：

（1） 對于某些抽水蓄能電站，雙機(jī)同時甩負(fù)荷時，蝸殼進(jìn)口最大壓力和尾水進(jìn)口最小壓力并不出現(xiàn)在雙機(jī)同時甩額定負(fù)荷工況。

（2） 應(yīng)研究蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水進(jìn)口最小壓力與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、機(jī)組全特性曲線、流道水力參數(shù)等因素的影響關(guān)系，以有效指導(dǎo)調(diào)節(jié)保證計算。

（3） 在運(yùn)抽水蓄能電站需校核雙機(jī)同時甩不同負(fù)荷時的調(diào)節(jié)保證參數(shù)，以指導(dǎo)電站優(yōu)化運(yùn)行。

（4） 在建電站調(diào)節(jié)保證參數(shù)優(yōu)化時需充分考慮雙機(jī)同時甩不同負(fù)荷工況，導(dǎo)葉關(guān)閉優(yōu)化應(yīng)考慮這些工況。

（5） 調(diào)試電站在“一管兩機(jī)”同時甩負(fù)荷試驗實(shí)施前應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計算結(jié)果合理選擇負(fù)荷點(diǎn)。

（6）建議修訂NB/T 10072—2018，明確“一管兩機(jī)”型式抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證的基本設(shè)計工況應(yīng)包含雙機(jī)同時甩不同負(fù)荷的組合工況。