郭建強(qiáng)，羅國虎，王 熙，瞿 潔，李金偉

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能機(jī)組在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)利用系統(tǒng)富余電力將水從下水庫抽到上水庫儲存，在負(fù)荷高峰時(shí)將上水庫儲存的水放到下水庫進(jìn)行發(fā)電，將上、下庫中水的勢能變化轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)電能的充放和功率的調(diào)節(jié)，是電力系統(tǒng)最成熟的調(diào)節(jié)電源，在系統(tǒng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等“六大功能”[1-6]。

截至2021 年底，我國抽水蓄能電站投運(yùn)總裝機(jī)規(guī)模36 390 MW，在建總裝機(jī)規(guī)模61 530 MW，已建、在建規(guī)模均居世界首位。

抽水蓄能電站一般具有較長的引水和尾水系統(tǒng)，因此在機(jī)組甩負(fù)荷過程中由于水擊現(xiàn)象導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速上升、蝸殼壓力上升以及尾水管壓力下降較常規(guī)水電站更為突出，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)被視作一項(xiàng)檢驗(yàn)機(jī)組性能和工程質(zhì)量的重要手段，是每臺機(jī)組投入試運(yùn)行和商業(yè)運(yùn)行前必須開展的重要試驗(yàn)[7]。

2 機(jī)組基本參數(shù)

水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動機(jī)的基本參數(shù)分別如表1、表2 所示。

表1 水泵水輪機(jī)基本參數(shù)

表2 發(fā)電電動機(jī)基本參數(shù)

3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

甩負(fù)荷試驗(yàn)主要核驗(yàn)蝸殼進(jìn)口壓力最大值、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率、尾水錐管進(jìn)口壓力最小值。為盡可能真實(shí)反映蝸殼進(jìn)口壓力和尾水錐管進(jìn)口壓力，結(jié)合現(xiàn)地測量條件，2 號機(jī)組壓力傳感器布設(shè)如下：

（1）蝸殼進(jìn)口：布設(shè)在球閥后的直管段上，采用準(zhǔn)齊平安裝方式，1 個(gè)測點(diǎn)。

（2）尾水錐管進(jìn)口：布設(shè)在尾水進(jìn)人門上方左側(cè)的驗(yàn)水閥上，采用準(zhǔn)齊平安裝方式，1 個(gè)測點(diǎn)。

此外，還接入了轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度以及有功功率3個(gè)監(jiān)控量信號。

4 試驗(yàn)工況

本文著重分析2 號機(jī)組單機(jī)甩50%、100%額定負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水錐管進(jìn)口壓力的變化趨勢。

（1）單機(jī)甩50%額定負(fù)荷：上庫水位582.02 m，下庫水位229.76 m，毛水頭352.26 m。

（2）單機(jī)甩100%額定負(fù)荷：上庫水位580.47 m，下庫水位232.31 m，毛水頭348.16 m。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 甩50%額定負(fù)荷試驗(yàn)

甩50%額定負(fù)荷時(shí)的有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢（含甩前穩(wěn)定過程）如圖1 所示。

圖1 有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢

由圖1 可知：機(jī)組甩50%額定負(fù)荷，轉(zhuǎn)速最大上升率為16.64%，活動導(dǎo)葉快速一段式關(guān)閉。

除轉(zhuǎn)速最大上升率外，甩負(fù)荷試驗(yàn)還著重關(guān)注蝸殼進(jìn)口壓力最大值和尾水錐管進(jìn)口壓力最小值。

甩負(fù)荷過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速先增大后減小，蝸殼進(jìn)口和尾水錐管進(jìn)口處的壓力為非周期性的，研究表明機(jī)組內(nèi)部的壓力可以分解為趨勢項(xiàng)與脈動項(xiàng)。趨勢項(xiàng)以低頻為主，脈動項(xiàng)則由多種高頻成分混疊而成。壓力趨勢項(xiàng)獲取方法較多，如采用低通濾波器法[8]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法[9]、變分模態(tài)分解法[10]、Savitzky-Golay 濾波器[11-13]等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與變分模態(tài)分解依賴參數(shù)較多，且存在模態(tài)混疊問題。本文采用廣泛應(yīng)用且成熟的低通濾波器法對蝸殼進(jìn)口和尾水錐管進(jìn)口壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲得趨勢項(xiàng)，脈動項(xiàng)即為原始采樣數(shù)據(jù)與壓力趨勢項(xiàng)的差值[14]。

甩50%額定負(fù)荷時(shí)的蝸殼進(jìn)口壓力時(shí)域圖、壓力趨勢項(xiàng)時(shí)域圖以及壓力脈動項(xiàng)時(shí)域圖見圖2；尾水錐管進(jìn)口壓力時(shí)域圖、壓力趨勢項(xiàng)時(shí)域圖以及壓力脈動項(xiàng)時(shí)域圖見圖3。

圖2 蝸殼進(jìn)口壓力

圖3 尾水錐管進(jìn)口壓力

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]，穩(wěn)態(tài)工況下的壓力脈動采用峰峰值進(jìn)行評價(jià)。對于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)分析時(shí)長滿足一定條件時(shí)，峰峰值大小與時(shí)長近似無關(guān)[16]；暫態(tài)情況下，當(dāng)時(shí)長較大時(shí)所獲得的峰峰值不能準(zhǔn)確反映峰峰值的變化規(guī)律，而當(dāng)時(shí)長較小時(shí)所獲得的峰峰值又不穩(wěn)定，因此表3 給出了蝸殼進(jìn)口、尾水錐管進(jìn)口的壓力脈動在不同時(shí)長下（1 倍額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位數(shù)分別為1.5%和98.5%（97%置信度）[15]。

由表3 可以看出：不同時(shí)長下，蝸殼進(jìn)口和尾水錐管進(jìn)口的壓力脈動峰峰值變化幅度較為平緩，取其平均值作為計(jì)算依據(jù)。

表3 甩50%額定負(fù)荷壓力脈動峰峰值

5.2 甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)

甩100%額定負(fù)荷時(shí)的有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢（含甩前穩(wěn)定過程）如圖4 所示。

圖4 有功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度的變化趨勢

由圖4 可知：機(jī)組甩100%額定負(fù)荷，轉(zhuǎn)速最大上升率為34.76%，活動導(dǎo)葉為兩段式關(guān)閉。

甩100%額定負(fù)荷時(shí)的蝸殼進(jìn)口壓力時(shí)域圖、壓力趨勢項(xiàng)時(shí)域圖以及壓力脈動項(xiàng)時(shí)域圖見圖5；尾水錐管進(jìn)口壓力時(shí)域圖、壓力趨勢項(xiàng)時(shí)域圖以及壓力脈動項(xiàng)時(shí)域圖見圖6。

圖5 蝸殼進(jìn)口壓力

圖6 尾水錐管進(jìn)口壓力

表4 給出了蝸殼進(jìn)口、尾水錐管進(jìn)口的壓力脈動在不同時(shí)長下（1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）的峰峰值，采用的分位數(shù)分別為1.5%和98.5%（97%置信度）。

由表4 可以看出：不同時(shí)長下，蝸殼進(jìn)口和尾水錐管進(jìn)口的壓力脈動峰峰值變化幅度較為平緩，取其平均值作為計(jì)算依據(jù)。

表4 甩100%額定負(fù)荷壓力脈動峰峰值

5.3 試驗(yàn)值與合同保證值的對比分析

甩50%、100%額定負(fù)荷的試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。蝸殼進(jìn)口壓力最大值為對應(yīng)時(shí)刻趨勢項(xiàng)值加上峰峰值平均值的一半（換算到導(dǎo)葉中心線高程），尾水錐管進(jìn)口壓力最小值為對應(yīng)時(shí)刻趨勢項(xiàng)值減去峰峰值平均值的一半。因蝸殼進(jìn)口壓力測點(diǎn)位于導(dǎo)葉中心線高程，故無需進(jìn)行高程修正計(jì)算。尾水錐管進(jìn)口壓力測點(diǎn)位于尾水進(jìn)人門上方左側(cè)的驗(yàn)水閥上，滿足位于轉(zhuǎn)輪下方0.3D2～1.0D2（D2為轉(zhuǎn)輪下環(huán)與葉片連接處出水邊直徑）

機(jī)組過渡過程參數(shù)合同保證值如下：

（1）在所有過渡過程工況（飛逸工況除外）中機(jī)組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速上升率不大于45%；

（2）蝸殼進(jìn)口中心線處最大壓力值不大于600.0 m.WC；

（3）尾水管進(jìn)口（轉(zhuǎn)輪出口）處最低壓力值不小于0 m.WC（計(jì)入渦流引起的壓力下降和計(jì)算誤差后）。

由表5 可以看出：機(jī)組甩50%、100%額定負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口壓力最大值、尾水錐管進(jìn)口壓力最小值均滿足合同保證值。

表5 甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

6 總結(jié)

本文分析了金寨抽水蓄能電站2 號機(jī)組甩50%、100%額定負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口壓力最大值以及尾水錐管進(jìn)口壓力最小值。針對甩負(fù)荷過程中的壓力數(shù)據(jù)，采用低通濾波器法（截止頻率為0.2 倍轉(zhuǎn)頻）以獲得趨勢項(xiàng)，進(jìn)而獲得脈動項(xiàng)。在不同時(shí)長下（1 倍額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)周期1.0Tn、1.2Tn、1.4Tn…3.0Tn）分析了壓力脈動峰峰值（97%置信度），取其平均值計(jì)算得出了蝸殼進(jìn)口壓力最大值和尾水錐管進(jìn)口壓力最小值，為合理、準(zhǔn)確計(jì)算壓力極值提供了技術(shù)支撐。與合同保證值對比分析顯示轉(zhuǎn)速上升率和壓力極值均滿足要求，為抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)分析提供了實(shí)例參考。