李永興，陳弘昊，胡勇健，顧志堅

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 引 言

過渡過程動態(tài)品質(zhì)的優(yōu)劣對電站能否安全穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵性的作用，甩負荷過渡過程是其中最為危險的過渡過程之一。高水頭抽水蓄能電站為了節(jié)省造價，多為一管多機布置，在過渡過程中會給管路壓力帶來疊加作用[1-2]；同時，為防止氣蝕，機組的淹沒深度都較大，這也加劇降低了尾水管進口處壓力；尤其是在同一管路系統(tǒng)中的兩臺或多臺機同時甩負荷時，可能會使尾水管的壓力降低到引起反水錘的發(fā)生，給電站運行帶來災(zāi)難性破壞[3]。

深圳抽水蓄能電站(以下簡稱“深蓄電站”)單機容量300 MW，水道系統(tǒng)采用一管四機布置形式，電氣主接線采用單母分段接線方式，1號和2號主變單元、3號和4號主變單元分別在高壓側(cè)聯(lián)合，組成2個聯(lián)合單元接線，經(jīng)由兩路高壓電纜到達開關(guān)站GIS母線。220 kV母線分為I母、II母，設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，正常分段運行。從理論上分析，存在雙機同時甩負荷、“一甩一抗”等復(fù)雜過渡過程工況。因此，本文針對深圳抽水蓄能電站單機甩負荷、雙機甩負荷及“一甩一抗”水力干擾等過渡過程試驗及仿真計算進行總結(jié)、分析，以期為后續(xù)項目現(xiàn)場試驗及仿真分析提供參考。

1 工程概況

1.1 輸水系統(tǒng)布置

深蓄電站水道系統(tǒng)采用一管四機方案，在每臺水泵水輪機上游側(cè)裝設(shè)了進水球閥，每條尾水管均布置有尾水事故閘門。電站裝機容量1 200 MW，平均水頭448.3 m，上庫正常蓄水位526.81 m，死水位502 m，下庫正常蓄水位80 m，死水位60 m。電站水道系統(tǒng)管線全長4 722 m，其中，引水系統(tǒng)長3 467 m，尾水系統(tǒng)洞長1 255 m，引水和尾水系統(tǒng)各設(shè)置有一個阻抗式調(diào)壓井。

1.2 機組參數(shù)

水泵水輪機形式為立軸單級半傘式混流可逆式水泵水輪機，發(fā)電電動機型式為豎軸三相半傘式空冷可逆式同步發(fā)電電動機，機組主要參數(shù)如下：額定流量85.53 m3/s、額定水頭419 m、額定出力306.1 MW、額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min、轉(zhuǎn)輪進口直徑4.16 mm、活動導(dǎo)葉數(shù)20、發(fā)電機飛輪力矩6 000 t·m2、水輪機飛輪力矩257 t·m2、機組安裝高程-5 m。

1.3 導(dǎo)葉、球閥關(guān)閉規(guī)律

經(jīng)仿真計算復(fù)核，水輪機工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用先快后慢的兩段折線關(guān)閉規(guī)律，即快關(guān)9 s，慢關(guān)63 s，拐點位置在接力器相對行程70%處；水泵工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用一段關(guān)閉規(guī)律：關(guān)閉時間25 s。球閥均采用70 s一段關(guān)閉，不參與機組大波動調(diào)節(jié)[4- 6]。關(guān)閉規(guī)律如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉、球閥關(guān)閉規(guī)律

1.4 電站調(diào)保計算要求

深蓄電站調(diào)保計算在各種過渡過程工況下具體保證值為：①機組轉(zhuǎn)速最大上升率不大于50%；②蝸殼進口最大壓力水頭不大于720 m；③尾水管進口最小壓力水頭不小于2 m。

2 過渡過程仿真計算原理

微元管段的連續(xù)性方程和運動方程為

(1)

(2)

式中，H為勢能頭；v為流速；a為管中水擊波傳播速度；g為重力加速度；f為管道的摩阻系數(shù)；d為管道直徑；α為管道傾角。微元管段示意如圖2所示。

圖2 微元管段

3 機組甩負荷仿真計算與實測對比分析

3.1 單機甩負荷試驗工況

以深蓄電站1號單機甩100%額定負荷試驗為例，對仿真計算與試驗數(shù)據(jù)進行分析。甩負荷前，上庫水位為503.36 m，下庫水位為74.29 m，試驗工況實測值與計算值對比如表1、圖3～5所示。

表1 深蓄電站1號機組單機甩負荷試驗動態(tài)參數(shù)極值對比

從表1可知：①深蓄1號機組單機甩100%額定負荷試驗過程中，機組轉(zhuǎn)速最大上升率、蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最小壓力均滿足調(diào)保計算合同要求。②機組轉(zhuǎn)速最大上升率，實測與計算相差絕對值為2.31%；蝸殼進口最大壓力最大值，實測與計算水頭相差為1.12 m；尾水管進口最小壓力，實測與計算水頭相差為3.91 m；說明蝸殼進口最小壓力計算與實測極值一致性較好。

圖3 甩100%負荷轉(zhuǎn)速實測與計算趨勢對比

圖4 甩100%負荷蝸殼進口壓力實測與計算趨勢對比

圖5 甩100%負荷尾水管進口壓力實測與計算趨勢對比

表2 深蓄電站3、4號雙機甩50%、75%、100%額定負荷試驗動態(tài)參數(shù)極值對比

表3 深蓄電站3、4號雙機甩50%、75%、100%額定負荷試驗動態(tài)參數(shù)極值發(fā)生時間對比 s

從圖3～5可以看出，深蓄電站1號機組單機甩負荷各試驗工況，機組的轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力及尾水管進口壓力的計算曲線和實測曲線的變化趨勢具有較高的一致性。

3.2 雙機同時甩負荷試驗工況

2019年10月，深蓄電站3、4號機組按照計劃，順利完成同時甩50%、75%、100%額定負荷試驗。

通過梳理匯總數(shù)據(jù)，3、4號機組甩負荷試驗工況實測值與計算值對比如表2、3所示。

從表2、3可知：①深蓄電站3、4號機組雙機甩負荷試驗過程中，機組轉(zhuǎn)速最大上升率、蝸殼進口最大壓力、尾水管進口最小壓力均滿足調(diào)保計算要求。②機組轉(zhuǎn)速最大上升率，實測與計算相差最大絕對值為0.99%，最小為0.02%，說明計算值與實測極值一致性較好。③蝸殼進口最大壓力最大值，實測與計算相差最大絕對值為22.05 m水頭，最小為3.45 m水頭，說明蝸殼進口最大壓力計算與實測極值一致性較好。④尾水管進口最小壓力，實測與計算相差最大絕對值為8.16 m水頭，最小為0.08 m水頭，說明蝸殼進口最小壓力計算與實測極值一致性較好。

4 水力干擾仿真計算與實測對比分析

2019年10月，深蓄電站2、3號機組按照計劃，進行了甩100%額定負荷干擾試驗。試驗過程為：上庫水位為514.7 m，下庫水位為75.19 m，2、3號機組均帶100%額定負荷，在穩(wěn)定運行一段時間后，由3號機組突甩100%額定負荷，記錄各參數(shù)對2號機組運行影響，主要考核受干擾機組輸出功率變化情況[7- 8]。水力干擾試驗過程中2、3號機組甩負荷試驗工況實測值與計算值對比如表4所示。

表4 深蓄電站2、3號水力干擾試驗動態(tài)參數(shù)極值對比

從表4可知：①在水力干擾試驗過程中，2號機組功率最大值332.17 MW，超過330 MW以上時間僅為2.03 s，能夠滿足機組過負荷保護過電流強度的設(shè)計要求。②水力干擾工況的蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力和機組轉(zhuǎn)速上升率均滿足調(diào)保計算要求，且具有較大的安全余量，且各參數(shù)計算與實測極值一致性較好。

5 結(jié) 語

深蓄電站是南方電網(wǎng)首個機組全面國產(chǎn)化的抽水蓄能電站，在輸水系統(tǒng)布置上吸收了廣州抽水蓄能、惠州抽水蓄能、清遠抽水蓄能等電站工程經(jīng)驗，機組飛逸轉(zhuǎn)速達到了659 r/min，為同時期國產(chǎn)蓄能機組中飛逸與額定轉(zhuǎn)速比值最高的機組，這也給機組轉(zhuǎn)動部件剛強度提出很高要求。通過深蓄電站甩負荷和水力干擾試驗和仿真計算結(jié)果對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)深蓄電站單機甩負荷、雙機同時甩負荷試驗的機組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進口壓力最大值、尾水管進口壓力最小值均滿足合同要求。

(2)深蓄電站單機甩負荷、雙機同時甩負荷試驗工況，組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進口壓力最大值、尾水管進口壓力最小值的計算值與實測值之間一致性較好，極值發(fā)生時間也較為一致，且留有一定的安全裕量。

(3)深蓄電站水力干擾試驗的結(jié)果表明深蓄電站機組能夠滿足過負荷強度設(shè)計的要求，能夠保證機組安全運行。