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        水泵水輪機全特性曲線對抽水蓄能電站機組過渡過程的影響

        2022-11-25 09:17:20
        西北水電 2022年5期
        關(guān)鍵詞:導葉轉(zhuǎn)輪水輪機

        劉 君

        (中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

        0 前 言

        與常規(guī)機組相比,可逆式機組運行工況多且工況轉(zhuǎn)換復雜,因此抽水蓄能電站水力過渡過程比較復雜。尤其是中高水頭的水泵水輪機全特性具有明顯的反“S”型不穩(wěn)定區(qū)[1],會對輸水發(fā)電系統(tǒng)的壓力、轉(zhuǎn)速等控制性參數(shù)產(chǎn)生較大影響。在抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)保證設計中,從預可研、可研、招標設計階段,由于機組生產(chǎn)廠家尚未確定,工程設計人員是無法獲得真機模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線的,因此工程上廣泛采用的做法是根據(jù)電站發(fā)電水頭、抽水揚程及負荷的工作范圍,套用水頭、揚程或者比轉(zhuǎn)速相近的已建電站模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線,以此作為過渡過程計算的機組邊界條件。對于不同型號的水泵水輪機來說,由于主機廠的技術(shù)水平、技術(shù)特點、經(jīng)驗積累、水力設計理念和研發(fā)重點等不盡相同,其過流通道和轉(zhuǎn)輪的設計存在一定區(qū)別,其特性曲線也不一樣,這必然會給過渡過程的計算結(jié)果帶來偏差,偏差甚至會影響工程布置方案的經(jīng)濟性或技術(shù)可行性[2-3]。本文結(jié)合新疆阜康抽水蓄能電站,分別選取不同的模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線,對大波動過渡過程、水力干擾過渡過程和小波動過渡過程進行計算及比對,分析不同機組全特性曲線對抽水蓄能電站水力機組過渡過程的影響。

        1 水泵水輪機節(jié)點控制方程描述

        1.1 工程概況

        新疆阜康抽水蓄能電站為Ⅰ等大(1)型工程,裝機容量1 200 MW,裝有4臺單機容量為300 MW的混流可逆式機組,電站額定水頭484 m。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)和地下廠房等4部分組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置于上下水庫之間的雄厚山體內(nèi),主要由上庫側(cè)式進/出水口、上庫事故閘門井、上游阻抗式調(diào)壓室、壓力引水主洞、鋼襯引水支洞、尾水支洞、尾水隧洞、下庫事故閘門井和下庫側(cè)式進/出水口等建筑物組成,引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均為一洞兩機布置。

        1.2 全特性曲線處理

        水泵水輪機具有發(fā)電和抽水兩種運行工況,為了將這兩種工況統(tǒng)一求解,并避免插值計算中可能產(chǎn)生的多值問題,特對水泵水輪機全特性曲線作如下轉(zhuǎn)換處理[4]:

        (1)

        (2)

        其中

        (a≥0)

        (a<0)

        1.3 轉(zhuǎn)輪邊界水頭平衡方程

        設轉(zhuǎn)輪上、下邊界節(jié)點編號為1、2,可得到轉(zhuǎn)輪邊界水頭平衡方程為:

        (3)

        公式(3)中:CP、CM為特征方程系數(shù),滿足正向方程和反向方程;RP、RM為水頭損失系數(shù);Hr和Qr分別為額定工況轉(zhuǎn)輪的工作水頭和流量,m 和m3/s。

        1.4 機組轉(zhuǎn)動力矩平衡方程

        α=α0+[(β+β0)-(βg+βg0)]Δt/2Tα

        (4)

        公式(4)中:Tα為機組慣性時間常數(shù),s;nr、Mr分別為額定工況機組轉(zhuǎn)速和動力矩,r/min和 kN·m;βg為機組轉(zhuǎn)動阻力矩無量綱值;α0、β0、βg0分別為α、β、βg的前一計算時間步長的值。聯(lián)列上式并結(jié)合給定的導葉運動規(guī)律y=y(t),即可求出各種工況的水泵水輪機節(jié)點的瞬態(tài)參數(shù)h、β、α、q等。

        2 水泵水輪機全特性曲線的選取

        針對阜康抽水蓄能電站的機組水頭、揚程范圍及機組特性,可研階段選用國內(nèi)已建的3個抽水蓄能電站真機模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線進行過渡過程計算及對比,這4個抽蓄電站的機組特征參數(shù)對比見表1所示。所選的3個抽蓄電站分別稱為A電站、B電站和C電站,所對應的真機模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線分別稱為A曲線、B曲線和C曲線,水頭揚程范圍涵蓋阜康抽蓄電站的水頭揚程范圍,并且這3個已建抽蓄電站的主機廠家各不相同。對3種模型轉(zhuǎn)輪全特性曲線進行數(shù)據(jù)離散化處理后,將流量全特性和力矩全特性繪制在同一張圖上進行對比,如圖1所示。

        表1 阜康抽蓄電站與所選3個抽蓄電站的機組參數(shù)對比

        圖1 A、B曲線與C曲線的全特性對比

        由圖1可以看出,A曲線的滿開度單位流量比B曲線和C曲線大,而且在水輪機制動工況區(qū)和反水泵工況區(qū)的反“S”曲率相對較大;在這3種曲線中,B曲線的反“S”曲率相對較平緩。從3種轉(zhuǎn)輪的水力設計制造廠家來說,A轉(zhuǎn)輪和C轉(zhuǎn)輪均采用的是歐洲水力設計技術(shù),B轉(zhuǎn)輪采用的是日本水力設計技術(shù)。在我國已經(jīng)投運的抽水蓄能電站中,日本可逆式機組水力設計技術(shù)與歐洲可逆式機組水力設計技術(shù)存在著一定的不同,各具有特色或側(cè)重點[5]。日本可逆式機組的水力設計側(cè)重發(fā)電工況的水力性能,對于同一目標電站,在比轉(zhuǎn)速相近的條件下,轉(zhuǎn)輪出口直徑較大,轉(zhuǎn)輪總體尺寸較高,流道尺寸偏向于水輪機,其水力性能的優(yōu)點是反“S”區(qū)特性相對較小,但水泵揚程曲線較平,抽水工況入力較大,流量-揚程曲線的“駝峰”性能一般;而歐洲可逆式機組的水力設計側(cè)重抽水工況的水力性能,對于同一目標電站,在比轉(zhuǎn)速相近的條件下,轉(zhuǎn)輪出口直徑較小,轉(zhuǎn)輪總體尺寸偏小,其優(yōu)點是抽水工況性能較好,水泵揚程斜率適中,入力適中,具有較好的流量-揚程駝峰裕度,但其反“S”區(qū)曲率相對略明顯。

        3 大波動過渡過程分析

        3.1 不同特性曲線對大波動計算極值的影響

        采用一段直線關(guān)閉規(guī)律,分別采用3種特性曲線對阜康抽水蓄能電站進行大波動過渡過程計算。采用同一水力設計技術(shù)的A曲線和C曲線計算結(jié)果差距不大,以下重點比較代表兩種不同水力設計技術(shù)的A曲線與B曲線計算結(jié)果,其中這兩條曲線的反“S”區(qū)特性對比如圖2所示。計算結(jié)果表明,A曲線的蝸殼末端最大壓力、尾水管進口最小壓力、輸水系統(tǒng)最小壓力、調(diào)壓室涌浪均比B曲線計算結(jié)果差,但機組轉(zhuǎn)速上升率優(yōu)于B曲線。對于蝸殼末端最大壓力,兩種曲線的最大極值差為27.08 m,尾水管進口最小壓力極值差為2.74 m,轉(zhuǎn)速最大上升率極值差為2.34%,輸水系統(tǒng)最小壓力極值差為2.96 m,調(diào)壓室最高涌浪極值差為0.55 m,調(diào)壓室最低涌浪極值差為0.63 m。兩種曲線對過渡過程影響較為明顯的是蝸殼末端最大壓力。由于抽蓄機組發(fā)電工況甩負荷時,工況點運行軌跡線不可避免的要通過反“S”區(qū)[6-8],因此以上壓力極值的差別主要是由于兩種曲線的反“S”區(qū)不同造成的。有文獻[9]以天荒坪抽蓄為例,人為的將反“S”區(qū)的曲線形態(tài)及數(shù)值做了四種改動,從彎曲明顯的“Z”型逐步過渡到彎曲較小的“幺”型,其計算結(jié)果表明這種變化對轉(zhuǎn)速最大上升率的影響為3%~5%,對蝸殼最大壓力的影響最大為8%,即約60 m的變化范圍。

        圖2 A曲線與B曲線的反“S”區(qū)特性對比

        3.2 不同特性曲線對水泵工況計算結(jié)果的影響

        選取典型水泵工況(上庫死水位2 237.00 m,下庫正常蓄水位1 775.00 m,一臺機泵工況抽水斷電,導葉正常關(guān)閉或拒動),分別采用B曲線和C曲線進行計算,其對比結(jié)果見表2所示。在水泵工況導葉正常關(guān)閉時,對于蝸殼末端最大壓力,C的計算結(jié)果大于B曲線,最大差值約26.63 m;對于尾水管進口最小壓力,C曲線的計算結(jié)果小于B曲線,最大差值約11.24 m;對于調(diào)壓室涌浪,兩個曲線計算結(jié)果較為接近。在水泵工況導葉拒動時,對于蝸殼末端最大壓力,C的計算結(jié)果略小于B曲線,最大差值約1.6 m;對于尾水管進口最小壓力,C的計算結(jié)果大于B曲線,最大差值約8.09 m;對于調(diào)壓室涌浪,兩個曲線計算結(jié)果較為接近。在水泵工況導葉關(guān)閉過程中,工況點的軌跡線穿過水泵工況區(qū)、水泵制動工況區(qū)、水輪機工況區(qū)和水輪機制動工況區(qū),最終到達零開度線上,不同曲線對水泵工況的大波動過渡過程結(jié)果存在明顯影響。但由于水泵工況下的初始流量小于水輪機工況,在導葉關(guān)閉規(guī)律合適的情況下,其大波動結(jié)果一般優(yōu)于水輪機工況。

        3.3 甩負荷導葉正常關(guān)閉工況的控制性參數(shù)隨時間變化過程對比

        以1號機組為研究對象,對發(fā)電甩負荷導葉正常關(guān)閉工況下的3種特性曲線過渡過程計算結(jié)果及變化過程進行對比。選取工況如下:上庫正常蓄水位2 271.00 m,下庫正常蓄水位1 775.00 m,同一水力單元1臺機組正常運行,1臺機組啟動增至額定功率,在調(diào)壓室達到最高涌浪的不利時刻,2臺機組突甩全負荷,導葉正常關(guān)閉。3種特性曲線下的流量變化如圖3所示。由于轉(zhuǎn)輪特性曲線存在一定差異,故對于選取的工況來說,組合工況的甩負荷時間點略存在差異,但3者的初始流量幾乎一致。3種機組特性曲線的主要控制性參數(shù)計算結(jié)果對比見表3所示,大波動控制性參數(shù)過渡過程變化對比如圖4所示。從圖3~4中可以看到,機組甩負荷后導葉關(guān)閉,隨導葉開度減小,流量減小,機組轉(zhuǎn)速升高,工況點軌跡線穿過飛逸線進入水輪機制動工況區(qū),甚至短暫地進入反水泵工況區(qū)。在發(fā)電工況甩負荷導葉關(guān)閉過程中,由于水流的慣性作用,在蝸殼、壓力引水管道產(chǎn)生了正水擊壓力,在尾水管、尾水壓力管道產(chǎn)生了負水擊壓力,調(diào)壓室水位也產(chǎn)生了大幅度的上升和下降,隨后在上下游水庫、調(diào)壓室、水泵水輪機、岔管等邊界反射作用下,產(chǎn)生壓力振蕩和水位波動[10]。3種曲線的調(diào)壓室涌浪極值差距不大,蝸殼末端最大壓力存在較大的差別;大波動參數(shù)的趨勢變化大體上一致,但極值發(fā)生時刻和局部變化過程存在一定差異,其中尾水管壓力的極值附近震蕩變化過程差異較為明顯。

        圖3 3種曲線的機組過流量隨時間變化過程對比

        表2 不同特性曲線下抽水工況過渡過程計算結(jié)果對比

        圖4 3種曲線的大波動控制性參數(shù)隨時間變化過程對比

        3.4 甩負荷導葉拒動工況的控制性參數(shù)隨時間變化過程對比

        以2號機組(拒動機組)為研究對象,對發(fā)電甩負荷導葉拒動工況下的3種特性曲線過渡過程計算結(jié)果及變化過程進行對比。選取工況如下:上庫設計洪水位2 272.25 m,下庫死水位1 743.00 m,最大水頭,額定功率,同一水力單元2臺機同時甩全負荷,導葉一關(guān)一拒。3種特性曲線下的流量變化如圖5所示。3種機組特性曲線的主要控制性參數(shù)計算結(jié)果對比見表4所示,大波動控制性參數(shù)過渡過程變化對比如圖6所示。發(fā)電工況甩負荷后,導葉拒動的機組運行工況點將沿等開度線移動,經(jīng)過水輪機工況區(qū)、水輪機制動工況區(qū),甚至進入反水泵工況區(qū),最后終止在飛逸工況線上周期性地發(fā)生倒流,從圖5~6中可以看到,機組流量、壓力、轉(zhuǎn)速將作周期性振蕩,此時實際工程中必須緊急關(guān)閉進水球閥,避免事故進一步惡化。在導葉拒動時,由于本工程上、下游輸水系統(tǒng)較長,雖然導葉拒動不關(guān),但由于高水頭水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的“截止效應”,在上、下游輸水系統(tǒng)中仍產(chǎn)生了很大的正水擊和負水擊,如A曲線下的蝸殼末端最大壓力為750.97 m,尾水管最小壓力為20.46 m,均接近本電站的過渡工程計算控制值。在導葉拒動工況下,由于3種曲線的過流特性差異,蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力的極值差別達到最大,其中蝸殼壓力極值的最大差值為34.53 m,尾水管進口最小壓力極值的最大差值為15.68 m;大波動參數(shù)的趨勢變化基本一致,但波峰和波谷極值存在明顯差異。

        表3 典型工況下3種曲線的大波動過渡過程計算結(jié)果對比

        表4 典型工況下3種曲線的大波動過渡過程計算結(jié)果對比

        3種機組特性曲線的大波動控制性參數(shù)極值過渡過程變化對比如下。

        圖5 3種曲線的機組過流量隨時間變化過程對比

        4 水力干擾過渡過程分析

        分別采用B曲線和C曲線對水力干擾過渡過程進行計算及對比。當采用B曲線時,機組聯(lián)入無窮大的電網(wǎng)條件下的開度調(diào)節(jié)中,機組功率擺動幅度最大為28.52%,調(diào)壓室涌浪向上和向下最大振幅分別為7.76 m和6.1 m;功率調(diào)節(jié)中,機組出力擺動幅度最大為28.78%,調(diào)壓室涌浪向上和向下最大振幅分別為8.09 m和6.34 m。機組聯(lián)入有限電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)中,機組進入±0.2%帶寬的調(diào)節(jié)時間為298 s,發(fā)生工況為“額定水頭,同一水力單元的兩臺機組額定功率正常運行時,其中一臺甩負荷,導葉正常關(guān)閉”。當采用C曲線時,機組聯(lián)入無窮大的電網(wǎng)條件下的開度調(diào)節(jié)中,機組功率的擺動幅度最大為33.69%,調(diào)壓室涌浪向上和向下最大振幅分別為8.07 m和6.56 m;功率調(diào)節(jié)中,機組出力的擺動幅度最大為37.33%,調(diào)壓室涌浪向上和向下最大振幅分別為8.07 m和6.49 m。機組聯(lián)入有限電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)中,機組進入±0.2%帶寬的調(diào)節(jié)時間為228.8 s,發(fā)生工況為“額定水頭,同一水力單元的兩臺機組額定功率正常運行時,其中一臺甩負荷,導葉正常關(guān)閉”,以及工況“最小水頭,同一水力單元的兩臺機組額定功率正常運行時,其中一臺甩負荷,導葉拒動”。

        圖6 3種曲線的大波動控制性參數(shù)隨時間變化過程對比

        在開度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)下對比B曲線和C曲線的水力干擾過渡過程計算結(jié)果,采用C曲線的功率擺動幅度大于B曲線;在頻率調(diào)節(jié)模式下,C曲線進入±0.2%帶寬的調(diào)節(jié)時間小于B曲線,振蕩次數(shù)和超調(diào)量小于B曲線,只有最大偏差略大于B曲線。不同曲線對水力干擾的影響差別較為明顯,但2種曲線下的機組出力均呈收斂趨勢。機組轉(zhuǎn)速波動比小波動過渡過程劇烈,調(diào)節(jié)時間較長,但轉(zhuǎn)速波動總趨勢均是收斂的。計算中還發(fā)現(xiàn)干擾機組的增甩負荷時間對結(jié)果存在明顯影響。一般來說,實際管道中水擊波比計算值衰減要快,因此實際出力擺動會低于計算值。

        5 小波動過渡過程分析

        選取同一套調(diào)速器參數(shù),分別采用B曲線和C曲線對孤立電網(wǎng)下的小波動過渡過程進行計算及對比。當采用B曲線時,小波動最大調(diào)節(jié)時間出現(xiàn)在工況“額定水頭,兩臺機組滿功率運行,突減10%負荷”,此時進入±0.2%帶寬的調(diào)節(jié)時間為23.8 s,最大偏差為13.62 r/min,振蕩次數(shù)為0.5,衰減度為0.97,超調(diào)量為0.03。當采用C曲線時,小波動最大調(diào)節(jié)時間出現(xiàn)在工況“額定水頭,兩臺機組80%功率運行,突減10%負荷”,此時進入±0.2%帶寬調(diào)節(jié)時間為24.6 s,最大偏差為12.33 r/min,振蕩次數(shù)為0.5,衰減度為0.94,超調(diào)量為0.06。對比B曲線和C曲線的小波動過渡過程計算結(jié)果,調(diào)節(jié)時間均很短,調(diào)節(jié)品質(zhì)較好,兩者差距很小。

        6 結(jié) 論

        (1) 水泵水輪機全特性曲線中存在開度線交叉和聚集現(xiàn)象的反“S”區(qū),目前對全特性曲線的離散主要是基于SUTER法的無量綱處理方法,該處理方法的應用已比較成熟,因而不同水泵水輪機全特性曲線造成的計算結(jié)果差異主要是由轉(zhuǎn)輪本身過流特性造成的。不同水力設計技術(shù)的水泵水輪機曲線帶來的計算結(jié)果差異較為明顯,在抽水蓄能電站前期的調(diào)節(jié)保證設計中,機組尚未招標,應充分重視相似全特性曲線的選擇。

        (2) 不同水力設計的轉(zhuǎn)輪全特性曲線對水泵工況大波動過渡過程結(jié)果存在明顯影響,但由于水泵工況初始流量小于水輪機工況,在導葉關(guān)閉規(guī)律合適的情況下,其大波動結(jié)果一般優(yōu)于水輪機工況。在機組甩負荷且導葉拒動工況下,不同水力設計的特性曲線中,大波動控制性參數(shù)的趨勢變化基本一致,但波峰和波谷極值存在明顯差異,蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力的極值差別達到最大。

        (3) 不用水力設計的轉(zhuǎn)輪曲線下小波動計算結(jié)果差異較小,但水力干擾計算結(jié)果存在明顯差異。水泵水輪機全特性曲線尤其是反“S”區(qū)的曲率變化對輸水發(fā)電系統(tǒng)壓力、機組轉(zhuǎn)速等大波動控制性參數(shù)極值產(chǎn)生較大影響,因而減緩反“S”區(qū)的曲率是水泵水輪機水力設計的重點問題之一,在轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設計中考慮過渡過程的影響是值得深入研究的一個課題。

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