汪德樓，過美超，李成軍，陳順義，王穎娜

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江新境生態(tài)環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

浙江仙居抽水蓄能電站安裝4臺單機(jī)容量為375 MW的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組(水泵工況最大功率413 MW)，水輪機(jī)額定水頭為447 m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速375 r/min。電站機(jī)組為國內(nèi)已建單機(jī)容量最大的抽水蓄能機(jī)組，在我國水電發(fā)展歷史上具有重要意義。電站輸水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)布置，輸水系統(tǒng)總長度約為2 216.1 m。

2 仙居抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)特性介紹

可逆水泵水輪機(jī)組為了滿足機(jī)組發(fā)電、抽水雙向水流的需要，其轉(zhuǎn)輪葉片流道狹長，致使轉(zhuǎn)輪離心力較大，截止效應(yīng)[1，2]明顯。從水泵水輪機(jī)全特性曲線來看，由于機(jī)組由水輪機(jī)至反水泵工況運(yùn)行范圍存在一個“反S”形不穩(wěn)定區(qū)域，特別是對高水頭段低比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機(jī)“反S”更加明顯，在該“反S”內(nèi)，1個單位轉(zhuǎn)速n11對應(yīng)著3個單位流量Q11，因此水道系統(tǒng)內(nèi)很小的水壓波動可能會導(dǎo)致在低水頭時水輪機(jī)工況起動空載不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速發(fā)生波動，乃至無法并網(wǎng)運(yùn)行。雖然目前一些電站使用單導(dǎo)葉接力器或設(shè)置非同步導(dǎo)葉接力器來解決或預(yù)防低水頭水輪機(jī)工況起動空載穩(wěn)定性問題；但因?yàn)榉峭綄?dǎo)葉的開度與其他開度不同，造成轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水流不均勻，會引起較大的噪音和振動。因此，從水力設(shè)計上使得“反S”區(qū)在機(jī)組運(yùn)行范圍之外是一個較好解決該問題的方法。仙居抽水蓄能電站400 MW機(jī)組的水泵水輪機(jī)的S區(qū)特性如圖1所示，可看出在頻率變化到達(dá)50.5 Hz時，運(yùn)行范圍里無正斜率，說明“反S”區(qū)已經(jīng)在運(yùn)行范圍以外。現(xiàn)場運(yùn)行時機(jī)組在低水頭水輪機(jī)工況啟動試驗(yàn)也表明，在低水頭區(qū)域，機(jī)組啟動穩(wěn)定，無轉(zhuǎn)速波動問題。

因此，仙居電站大容量水泵水輪機(jī)的“反S”區(qū)特性水力開發(fā)是成功，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。

圖1 電站的“反S”區(qū)范圍圖

3 關(guān)閉規(guī)律選擇說明

水泵水輪機(jī)機(jī)組甩負(fù)荷工況導(dǎo)葉關(guān)閉有一段直線關(guān)閉規(guī)律、兩段折線關(guān)閉規(guī)律及多段折線關(guān)閉規(guī)律等多種。其中一段折線關(guān)閉規(guī)律控制流程簡單，操作機(jī)構(gòu)不易出現(xiàn)誤動作；兩段及多段關(guān)閉規(guī)律能較好地將蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口負(fù)壓及機(jī)組轉(zhuǎn)速的指標(biāo)控制在規(guī)范要求之內(nèi)，但是控制流程相對較復(fù)雜。在國內(nèi)外抽水蓄能電站中，一段直線及多段折線關(guān)閉規(guī)律均有大量應(yīng)用。如洪屏、廈門、泰安抽水蓄能電站為一段直線關(guān)閉[3]，響水澗、深圳抽水蓄能電站為兩段折線關(guān)閉[4]，宜興抽水蓄能電站為三段折線關(guān)閉[5]。仙居抽水蓄能電站水輪機(jī)及水泵工況導(dǎo)葉采取兩段方式關(guān)閉，水輪機(jī)工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律見圖2所示，水泵工況導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律見圖3所示。

圖2 水輪機(jī)工況關(guān)閉規(guī)律

圖3 水泵工況關(guān)閉規(guī)律

4 機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真計算對比

4.1 甩負(fù)荷試驗(yàn)工況及說明

國內(nèi)抽水蓄能電站進(jìn)行機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)的電站較多，每個電站均具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，仙居抽水蓄能電站屬于高水頭、大容量的電站，國內(nèi)類似電站較少。本電站有兩個水力單元，共4臺可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，各機(jī)組均需做甩負(fù)荷試驗(yàn)。因1號水力單元機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)完成較早，本文僅對1號機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹分析。

4.2 甩100%試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真計算結(jié)果對比

因甩100%負(fù)荷工況為單機(jī)甩負(fù)荷最危險工況，本文僅對1號單機(jī)甩100%負(fù)荷進(jìn)行仿真模擬計算并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果見表1。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真計算結(jié)果對比

從表1和圖4～圖7可以看出，機(jī)組甩100%負(fù)荷時，機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)水壓力變化過程線變化趨勢仿真計算與實(shí)測結(jié)果基本相同。對比計算結(jié)果表明：尾水管進(jìn)口最小壓力誤差較大，蝸殼進(jìn)口最大壓力誤差次之，其他各參數(shù)計算結(jié)果（修正后）均與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，誤差在1%之內(nèi)。

圖4 蝸殼進(jìn)口壓力實(shí)測變化曲線

圖5 蝸殼進(jìn)口壓力仿真變化曲線

圖6 尾水管進(jìn)口壓力實(shí)測變化曲線

圖7 尾水管進(jìn)口壓力仿真變化曲線

4.3 仿真計算與實(shí)測結(jié)果誤差分析

4.3.1 尾水管最小壓力計算誤差較大原因分析

（1）尾水管最小壓力從實(shí)測數(shù)據(jù)及曲線看，極值點(diǎn)壓力脈動較小，考慮2.5%的脈動修正偏保守。若不考慮2.5%的壓力脈動修正則計算誤差為6.7%。

（2）尾水最小壓力計算誤差計算時，分母取值較小，導(dǎo)致相對誤差看起來較大?？紤]壓力脈動時絕對誤差為16.3 m，若不考慮壓力脈動修正情況下絕對誤差為4.9 m。

（3）尾水管負(fù)壓是水泵水輪機(jī)水力開發(fā)的難點(diǎn)，尾水管進(jìn)口最小壓力實(shí)測值比計算值要大，對機(jī)組運(yùn)行安全有利。表明仙居抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)尾水管負(fù)壓情況能到了很大的改善，證明了我國機(jī)組設(shè)計制造商的研發(fā)能力。

4.3.2 蝸殼進(jìn)口最大壓力計算誤差原因分析

蝸殼進(jìn)口壓力實(shí)測曲線（未經(jīng)濾波處理），壓力脈動采樣頻率為600 Hz，從實(shí)測曲線可以看出由壓力脈動引起的波峰值僅有一個極值波峰超過7.2MPa。從已投產(chǎn)抽水蓄能電站（寶泉、仙游等）實(shí)測結(jié)果對比分析經(jīng)驗(yàn)看，實(shí)測數(shù)據(jù)均需通過濾波處理才能達(dá)到合同要求，本曲線為未經(jīng)處理曲線，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行濾波處理后極值壓力將會有所改善。另外該峰值是否能真實(shí)反映蝸殼進(jìn)口處的壓力脈動值也值得商議，在機(jī)組甩75%負(fù)荷時，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)就出現(xiàn)過無葉區(qū)壓力脈動振蕩劇烈的情況，壓力極值超過8.0 MPa，廠家技術(shù)人員認(rèn)為測試數(shù)據(jù)有誤，后將壓力側(cè)頭從水輪機(jī)層直接引至機(jī)墩內(nèi)，壓力脈動測試值得到明顯改善。綜上所述，將該極值濾波后蝸殼進(jìn)口最大壓力約為706.7 m，則計算誤差為-0.53%。

5 極端工況預(yù)測

針對電站運(yùn)行過程中可能遇到的極端控制性工況進(jìn)行復(fù)核計算，并根據(jù)1號機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真計算對比情況進(jìn)行計算壓力脈動及計算誤差的修正。判斷極端工況下，蝸殼進(jìn)口壓力是否超過合同及規(guī)范要求。極端工況說明如下：

蝸殼進(jìn)口最大壓力極值工況T1：上庫水位672.5 m，下庫校核洪水位213.87 m，額定水頭，額定出力，兩臺機(jī)同時突甩負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉。

尾水管進(jìn)口最小壓力極值工況T2：上庫正常蓄水位675.00 m，下庫死水位178.00 m，兩機(jī)發(fā)電，額定出力，兩臺機(jī)組相繼甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉。

結(jié)合1號機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，壓力脈動修正取值，蝸殼進(jìn)口壓力脈動取7%甩前凈水頭，尾水管進(jìn)口進(jìn)口壓力脈動取2.5%甩前凈水頭；從前文分析可知蝸殼進(jìn)口最大壓力計算誤差為負(fù)偏差，尾水管進(jìn)口最小壓力為正偏差，偏差的存在將導(dǎo)致蝸殼進(jìn)口最大壓力相對偏小，尾水管最小壓力相對偏大，有利于計算結(jié)果，滿足合同及規(guī)范要求。為保守起見，控制工況極值預(yù)測不考慮計算誤差，僅考慮壓力脈動修正，計算結(jié)果見表2、表3。

表2 極端工況T1過渡過程計算結(jié)果

表3 極端工況T2過渡過程計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，考慮壓力脈動修正后，在極端工況蝸殼進(jìn)口最大壓力為777.80 m，小于設(shè)計壓力784 m；考慮壓力脈動修正后，在極端工況尾水管進(jìn)口最小壓力為3.82 m，大于規(guī)范要求壓力-8 m。因此仙居抽水蓄能電站在各過渡過程工況下機(jī)組均是安全的。

6 結(jié)論

根據(jù)1號機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，對仙居抽水蓄能電站進(jìn)行相同邊界條件下的數(shù)值仿真計算，計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度較好，論證了數(shù)值仿真方法及模型的準(zhǔn)確性。對過渡過程極端工況進(jìn)行機(jī)組甩負(fù)荷仿真計算，并對計算結(jié)果加以修正，修正后的蝸殼進(jìn)口最大壓力及尾水管進(jìn)口最小壓力均滿足合同要求。預(yù)測結(jié)果為該電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了依據(jù)。