劉 霞,雷谷峰,鄭建興
(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長沙 410014)
平江抽水蓄能電站上水庫位于福壽山福壽林場的大福坪,下水庫位于福壽山山腳的吉星村。上、下水庫均處在汨羅江二級(jí)支流百福水上游。電站地處湖南東北部,緊鄰湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心長、株、潭地區(qū),距離長沙市75 km,距平江縣城39 km,地理位置優(yōu)越。工程的開發(fā)任務(wù)主要是承擔(dān)湖南電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。
電站總裝機(jī)容量為1 400 MW,裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為350 MW的可逆式機(jī)組,電站引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用2洞4機(jī)的布置方式,引水系統(tǒng)采用兩級(jí)斜井方案,1級(jí)斜井長度約為424 m,2級(jí)斜井長度約為433 m。水流進(jìn)、出廠房的方式為正進(jìn)正出。設(shè)有尾水調(diào)壓室,輸水系統(tǒng)總長約3 089 m。
平江抽水蓄能電站可研報(bào)告于2016年通過審查,可研階段輸水系統(tǒng)采用兩級(jí)斜井的布置方案,由于1級(jí)斜井及2級(jí)斜井均為400 m級(jí)斜井,考慮到斜井長度較長,存在一定的施工難度,招標(biāo)設(shè)計(jì)階段對一豎井一斜井布置方案的可行性進(jìn)行了對比分析研究,本文主要針對一豎井一斜井布置方案的過渡過程進(jìn)行復(fù)核,并與兩級(jí)斜井方案進(jìn)行對比分析。
平江抽水蓄能電站招標(biāo)設(shè)計(jì)階段為研究輸水系統(tǒng)一豎井一斜井布置方案的可行性,分別利用2種不同計(jì)算軟件(以下簡稱軟件W、軟件H),與本電站相近水頭/揚(yáng)程和比轉(zhuǎn)速的2個(gè)不同轉(zhuǎn)輪全特性曲線(以下簡稱曲線X、曲線D),分別針對輸水系統(tǒng)一豎井一斜井方案進(jìn)行了控制工況過渡過程復(fù)核計(jì)算。經(jīng)初步分析,引水上平段最小內(nèi)水壓力已成為該方案比較選擇的制約性因素,因此復(fù)核計(jì)算的重點(diǎn)為引水上平段最小內(nèi)水壓力,同時(shí)關(guān)注蝸殼末端最大壓力上升值、尾水管進(jìn)口最小壓力下降值及機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率等參數(shù)。
根據(jù)一豎井一斜井方案的輸水系統(tǒng)布置,②輸水系統(tǒng)(3號(hào)、4號(hào)機(jī)組)長度較①輸水系統(tǒng)(1號(hào)、2號(hào)機(jī)組)長度更大,故針對3號(hào)、4號(hào)機(jī)組進(jìn)行復(fù)核。
大波動(dòng)過渡過程復(fù)核計(jì)算控制值如下:
(1)可研階段蝸殼進(jìn)口最大壓力升高率按照30%控制(約1 001 m·H2O);
(2)尾水管進(jìn)口最小壓力:
設(shè)計(jì)工況:HB≥30 m·H2O;
校核工況:HB≥16 m·H2O;
(3)輸水道全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力:Hsmin≥2.0 m·H2O;
(4)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率:βmax≤45%。
大波動(dòng)過渡過程復(fù)核計(jì)算工況包括各種水位組合下機(jī)組增負(fù)荷、機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉、機(jī)組正常啟動(dòng)抽水、水泵突然斷電導(dǎo)葉正常關(guān)閉的設(shè)計(jì)工況;以及機(jī)組甩負(fù)荷一臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉拒動(dòng)、水泵斷電一臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉拒動(dòng)、各種組合工況等校核工況,具體工況在此從略。
兩級(jí)斜井布置方案過渡過程計(jì)算極值詳見表1。沿用可研階段的關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行一豎井一斜井方案過渡過程計(jì)算,復(fù)核計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見表2。
表1 可研階段兩級(jí)斜井計(jì)算結(jié)果表
表2 一豎井一斜井計(jì)算結(jié)果表
由表2結(jié)果,主要分析如下:
(1)上平段最小內(nèi)水壓力軟件H(曲線D)計(jì)算結(jié)果最小,為1 017.93 m·H2O,與可研階段兩級(jí)斜井方案計(jì)算極值相差較大,一豎井一斜井方案計(jì)算極值更差,超過了計(jì)算控制值。
(2)蝸殼進(jìn)口最大壓力軟件W(曲線D)計(jì)算結(jié)果最大,為1 042.49 m·H2O,軟件H(曲線D)計(jì)算結(jié)果也超出了計(jì)算控制值,相比可研階段兩級(jí)斜井方案,一豎井一斜井方案計(jì)算極值更差。
(3)尾水管進(jìn)口最小壓力結(jié)果最小為33.10 m·H2O,機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升計(jì)算結(jié)果最大為41.79%,與可研階段兩級(jí)斜井方案計(jì)算極值相差較小,不是制約因素。
針對一豎井一斜井方案,軟件W(曲線D)計(jì)算結(jié)果蝸殼進(jìn)口最大壓力計(jì)算值不滿足可研階段控制值要求,同時(shí)上平段最小內(nèi)水壓力稍有裕量,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),同時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn)研究成果,加長導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間,可降低蝸殼進(jìn)口最大壓力[1,2],為了進(jìn)一步復(fù)核軟件W(曲線D)可研階段采用的26 s關(guān)閉規(guī)律是否適合一豎井一斜井方案,同時(shí)探索上平段最小內(nèi)水壓力與關(guān)閉規(guī)律之間的影響關(guān)系。分別對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律26 s、30 s、34 s、38 s、42 s進(jìn)行了敏感性分析,有研究表明,對于400 m以上水頭的水電站機(jī)組,采用直線關(guān)閉規(guī)律是最簡單、有效、合理方案[3]。故此處敏感性分析均采用直線關(guān)閉規(guī)律。
上平段最小內(nèi)水壓力及蝸殼進(jìn)口最大壓力計(jì)算值隨著導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律改變的趨勢圖見圖1。由圖1可以看出,隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的延長,蝸殼進(jìn)口最大壓力隨之降低;引水上平段最小內(nèi)水壓力在26~34 s之間隨著關(guān)閉時(shí)間的延長而增大,在34 s達(dá)到最大值,但在34 s之后,隨之關(guān)閉時(shí)間的延長而減?。划?dāng)關(guān)閉時(shí)間大于等于38 s時(shí),引水上平段最小內(nèi)水壓力已不滿足控制值要求。
圖1 上平段最小壓力及蝸殼進(jìn)口最大壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間變化趨勢圖
表3 26 s關(guān)閉規(guī)律計(jì)算極值與34 s關(guān)閉規(guī)律計(jì)算極值對比表
由以上計(jì)算對比分析,可以看出,相比26 s關(guān)閉規(guī)律,采用34 s關(guān)閉規(guī)律時(shí),引水上平段最小內(nèi)水壓力裕量更大,蝸殼進(jìn)口最大壓力更小。尾水管進(jìn)口最小壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升計(jì)算結(jié)果均滿足計(jì)算控制值的要求。
針對②輸水系統(tǒng)(3號(hào)、4號(hào)機(jī)組)引水上平段末端最小內(nèi)水壓力問題,復(fù)核可研階段40 s直線關(guān)閉規(guī)律是否適合一豎井一斜井方案,同時(shí)尋求關(guān)閉規(guī)律與上平段末端最小內(nèi)水壓力的關(guān)系,是否可以通過改變關(guān)閉規(guī)律尋求改善途徑,采用軟件H(曲線D)分別對20 s、25 s、30 s、35 s、45 s、50 s關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算。蝸殼進(jìn)口最大壓力及引水上平段最小壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間變化趨勢詳見圖2。
由圖2可以看出,隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的延長,蝸殼進(jìn)口最大壓力隨之降低;引水上平段最小內(nèi)水壓力在40 s處于最小值,可以通過改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律而得到適當(dāng)改善。經(jīng)初步計(jì)算分析結(jié)果,采用50 s的直線關(guān)閉規(guī)律,引水上平段最小內(nèi)水壓力為1 020.26 m·H2O,可以滿足計(jì)算控制值的要求。
圖2 蝸殼進(jìn)口最大壓力及上平段最小壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間變化趨勢圖
(1)通過對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)一步優(yōu)化和敏感性計(jì)算分析可以看出,如引水系統(tǒng)采用一豎井一斜井方案,蝸殼進(jìn)口最大壓力及引水上平段最小壓力均可以得到有效改善,但需要更長的導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間。
(2)基于可研階段的機(jī)組參數(shù)及關(guān)閉規(guī)律,對引水系統(tǒng)一豎井一斜井方案復(fù)核結(jié)果可以看出,蝸殼進(jìn)口最大壓力及引水上平段最小壓力較兩斜井方案結(jié)果更差。因此,從改善水力過渡過程角度出發(fā),采用兩級(jí)斜井方案更有利。
隨著抽水蓄能電站應(yīng)用水頭的不斷提高,以及電站建設(shè)條件等因素的影響,近年來在建抽水蓄能電站蝸殼及引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力跟以往的經(jīng)驗(yàn)相比,大部分已突破了以往規(guī)范的要求[4]。2019年3月頒布實(shí)施的能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10072-2018 《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》已將蝸殼進(jìn)口最大壓力上升率提高至40%[5]。鑒于此,后續(xù)抽水蓄能電站在進(jìn)行輸水系統(tǒng)布置時(shí),可在工程投資、施工難度以及電站安全等方面找到更好的平衡點(diǎn)。