為了降低抽水蓄能機組水輪機工況甩負(fù)荷時蝸殼壓力上升值和壓力脈動值，應(yīng)用了球閥協(xié)同導(dǎo)葉關(guān)閉的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能電站，進(jìn)行了水輪機工況甩負(fù)荷過渡過程球閥參與導(dǎo)葉控制方式的現(xiàn)場試驗。針對這一流量控制方式，利用內(nèi)特性法預(yù)測了在甩負(fù)荷過渡過程中各動態(tài)參數(shù)的瞬變規(guī)律，預(yù)測的機組轉(zhuǎn)速上升最大值與試驗值的相對誤差為2.11%，預(yù)測的蝸殼壓力上升最大值與試驗值的相對誤差為0.74%，從而驗證了內(nèi)特性方法的合理性;同時證明，只要合理地選擇導(dǎo)葉與球閥的控制規(guī)律，即可顯著改善水泵水輪機裝置水輪機工況甩負(fù)荷過渡過程的動態(tài)品質(zhì)，降低抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的水壓上升值。

1、研究背景

　　近年來，高水頭大功率抽水蓄能電站得到了蓬勃發(fā)展。但由于機組安裝高程低、引排水道一般也較長，同時機組運行工況轉(zhuǎn)換頻繁、流量特性曲線在水輪機制動區(qū)及反水泵工況區(qū)存在著不穩(wěn)定倒“S”區(qū)域，因此抽水蓄能電站的水力過渡過程十分復(fù)雜。

　　為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機組甩負(fù)荷時機組轉(zhuǎn)速與蝸殼水壓力上升值，國內(nèi)外廣泛采用改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的方式，使其維持在調(diào)保規(guī)范之內(nèi)。有的電站采用延時直線關(guān)閉導(dǎo)葉的方式，對傳統(tǒng)關(guān)閉規(guī)律存在的缺陷有所改善，取得了較好的優(yōu)化效果;有的電站采用快慢快的關(guān)閉規(guī)律，通過引入延時段，針對抽水蓄能機組過流特性，綜合兩段折線規(guī)律中快關(guān)與慢關(guān)的各自優(yōu)點，但由于液壓系統(tǒng)存在巨大的油流慣性，完全準(zhǔn)確延時實際上很難做到;有的電站采用引入轉(zhuǎn)速信號反饋導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律，避免了常規(guī)折線關(guān)閉規(guī)律中計算拐點位置與實際拐點位置偏差帶來的運行風(fēng)險，只要轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定合理，可有效減少水壓力上升值，但該方法的可靠性還有待提高。針對以上這些問題需要探討其它的控制方式，處理高水頭水泵水輪機裝置甩負(fù)荷過渡過程中轉(zhuǎn)速上升值與壓力上升值的矛盾。

2、球閥參與甩負(fù)荷過渡過程流量的控制方式

　　技術(shù)規(guī)范要求，大中型高水頭水泵水輪機的進(jìn)水閥門在任何工況下應(yīng)能動水關(guān)閉，因此球閥參與流量調(diào)節(jié)成為可能。一般水電站球閥的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線1所示，即在大開度下的流量變化比導(dǎo)葉緩和，在小開度下則相對劇烈。而水輪機導(dǎo)葉的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線2所示，即流量在大開度時變化慢，中間快，小開度下又變化慢的特性，因此最大壓力上升值出現(xiàn)在中間某一導(dǎo)葉開度的位置。可以結(jié)合進(jìn)水球閥與導(dǎo)葉的流量特性，在甩負(fù)荷后采取導(dǎo)葉延時關(guān)閉的同時，讓球閥開始關(guān)閉，以此控制方式參與流量調(diào)節(jié)，如圖2所示。只要導(dǎo)葉滯后時間與關(guān)閉時間設(shè)計合理，將不會產(chǎn)生過大的水壓上升。我國的西龍池、惠州、蒲石河等抽水蓄能電站機組均采用此種關(guān)閉控制方式。

圖1 球閥與導(dǎo)葉的流量特性

圖2 球閥與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律

3、球閥參與流量調(diào)節(jié)時甩負(fù)荷過渡過程的內(nèi)特性方法解析

　　3.1、內(nèi)特性方法內(nèi)特性法進(jìn)行抽水蓄能電站水泵水輪機裝置過渡過程的計算方程組如式(1)—式(13)所示。

　　(1)

　　(2)

　(3)

　(4)

　(5)

　　(6)

　(7)

　(8)

　(9)

　(10)

　(11)

　(12)

　　(13) 式中：MH為水輪機動態(tài)軸力矩;ω0為初始靜態(tài)角速度;ωH為動態(tài)角速度;J為機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量;b0為導(dǎo)葉高度;r2為轉(zhuǎn)輪中間流面出口邊相對轉(zhuǎn)軸半徑;F2為轉(zhuǎn)輪出口過水?dāng)嗝婷娣e;α為導(dǎo)葉出口水流與圓周方向的夾角;β2為轉(zhuǎn)輪中間流面葉片出口安放角;Hp、Hzp、χ分別為沿導(dǎo)葉外側(cè)周邊平均的動態(tài)壓能頭、動態(tài)裝置水頭以及動態(tài)裝置水頭的變化率;H0為導(dǎo)葉中位線至上游水位高度;Hz0為水輪機靜態(tài)裝置水頭;Q0為初始靜態(tài)流量;QH為動態(tài)流量;Qc為靜態(tài)流量;Hc為靜態(tài)水頭;a、a0為導(dǎo)葉開度及初始開度;σ2為尾水管特性系數(shù)，

;L2為尾水管長度;為尾水管初始平均流速;ts為導(dǎo)葉關(guān)閉時間;

　　a1為管中水擊波速;i-1為前一時段相關(guān)數(shù)據(jù);Δx為管段長;d、A、f分別為管路直徑、面積及損失系數(shù);K1為系數(shù)，由前一步求得;c1、c2、K2為與ns有關(guān)的系數(shù);tanγ為單位流量對單位轉(zhuǎn)速的變化率，與水泵水輪機的比轉(zhuǎn)速有關(guān);ψ0、δ為蝸殼包角與固定導(dǎo)葉的螺旋角;Hzpp為動態(tài)裝置水頭沿導(dǎo)葉周邊的平均值;Hpp為蝸殼中沿圓周平均動態(tài)水頭;Y1、Y2、Ys1、Ys2分別為上庫、下庫及上、下游調(diào)壓井相對各自水庫的水位;ΔH為蝸殼中水壓上升絕對值;A1指數(shù)，與水輪機的型號有關(guān)。

圖3 有下調(diào)壓井的水力系統(tǒng)

　　3.2、邊界條件

　　圖3所示的抽水蓄能水電站中，較常見的均有下調(diào)壓井，針對這一水力系統(tǒng)，給出式(1)—式(13)的計算邊界條件。為計算準(zhǔn)確，管道需分段計算，每段根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出相應(yīng)的水擊波傳播速度a1，沿管道長度分成若干個計算節(jié)點，利用特征線方程求

　　式中：Vp、Hp為相對應(yīng)管段的流速與壓力水頭;C2=C4=g/a1;C1=-CMC2;C3=CPC4;其它符號同前。

　　將整個管路分成4段，各段長分別為l1、l2、l3、l4，每段的水力損失系數(shù)分別為f1、f2、f3、f4，每段均有兩個端點。

　　(1)l1段。對l1管段，利用特征線方程可計算管道A、B兩點中間各節(jié)點的流速與壓力瞬態(tài)值，A點為上游水庫，水位不變，即

　　B點為球閥，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時，為主要調(diào)節(jié)元件，其邊界條件為

　　(16) 式中：

　　為球閥相對開度，

　　;τ、τ0、Hm0分別為球閥的開度、初始開度以及初始壓力水頭。

　　當(dāng)導(dǎo)葉動作后，由于球閥的變化速度遠(yuǎn)小于導(dǎo)葉的變化速度，因此可將球閥當(dāng)成具有局部損失的元件進(jìn)行計算，即

　　式中：B1、B2分別為球閥進(jìn)、出口相應(yīng)的值;fB為球閥的水力損失系數(shù)，與球閥開度有關(guān)。

　　(2)l2段。此段為球閥與導(dǎo)葉管段，需針對導(dǎo)葉是否動作分別考慮。

　　當(dāng)導(dǎo)葉未動作時，B端為球閥的出口，此時球閥為主要的調(diào)節(jié)元件，出口邊界條件為

　　當(dāng)導(dǎo)葉動作后，球閥邊界按局部阻力邊界考慮，即

　　C端為導(dǎo)葉端，采用式(1)進(jìn)行計算。值得注意的是，根據(jù)導(dǎo)葉是否動作、水泵水輪機的不同的工況，水輪機的靜態(tài)流量、動態(tài)流量及力矩表達(dá)式分別不同。

　　(3)l3段。此段為尾水管段，利用特征線差分方程，可以計算從D到E中間各節(jié)點的瞬態(tài)流速與壓力。D點為轉(zhuǎn)輪出口，也是尾水管的起始點，即

　　式中：F3為尾水管進(jìn)口斷面面積，其它符號同前。

　　QH在式(2)中已經(jīng)計算過，因此，任意時刻D點處的流量或流速已知，則D截面的壓力即可確定，對于E點，為下調(diào)壓井，有如下方程組

　　式中：Fs為下調(diào)壓井?dāng)嗝婷娣e;A3、A4、V3、V4分別為調(diào)壓井上游側(cè)與下游側(cè)的管路斷面面積和流速，其它符號同前。

　　(4)l4段。此段兩端分別為下調(diào)壓井及下游水庫，對E點有

　　F點為水庫的入口，水庫水位保持不變，邊界條件為

4、蒲石河抽水蓄能水電站水輪機工況甩負(fù)荷現(xiàn)場試驗

　　4.1、電站的基本情況

　　蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是我國東北地區(qū)第一座大型純抽水蓄能電站。電站安裝4臺300MW機組，總裝機容量1200MW;電站的引水系統(tǒng)為二管四機的布置方式;尾水系統(tǒng)為一管四機的布置方式。2012年6月18日，蒲石河抽水蓄能電廠在2號機組上進(jìn)行了300MW甩負(fù)荷試驗，機組的主要技術(shù)參數(shù)及甩負(fù)荷前的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機組主要參數(shù)及甩負(fù)荷前主要參數(shù)

　　4.2、測點的布置

　　水輪機裝置過渡過程現(xiàn)場試驗需要量測的動態(tài)參數(shù)瞬變規(guī)律與試驗的目的有關(guān)。針對2號機組的特點，在水輪機儀表盤處布置了壓力鋼管、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)間、蝸殼進(jìn)口及出口、尾水管進(jìn)口及出口各一個壓力或壓力脈動傳感器，轉(zhuǎn)輪與頂蓋間、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間以及尾水管肘管處各兩個壓力或壓力脈動傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號外，其他均為IMF型號。在主接力器處布置了一個型號為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線式位移傳感器用于測量導(dǎo)葉開度的變化規(guī)律;其它參數(shù)引自自動監(jiān)控系統(tǒng)。圖4標(biāo)示出了測點位置。

圖4 測點布置

　　4.3、試驗結(jié)果

　　球閥與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律如圖2所示。甩負(fù)荷開始，球閥在60s內(nèi)以一段直線規(guī)律關(guān)閉;而導(dǎo)葉一開始不動，11s之后，以一段直線規(guī)律在15s內(nèi)關(guān)閉。

　　圖5中實線為該機組甩負(fù)荷時動態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場示波圖。由圖5可知，壓力上升的第一個高峰值，出現(xiàn)在甩負(fù)荷后8.9s，此時球閥已開始關(guān)閉，導(dǎo)葉未參與關(guān)閉。由于球閥在大開度時開度變化對流量的影響較小，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時，流量的微小變化即可引起較大的轉(zhuǎn)速上升值，轉(zhuǎn)速的上升又會引起壓力的上升。此時壓力上升值主要是由轉(zhuǎn)速上升引起的。在轉(zhuǎn)速曲線上B點，機組所受的動態(tài)軸力矩為零，達(dá)暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速;此后機組進(jìn)入制動區(qū)，雖然轉(zhuǎn)速下降，由離心效應(yīng)引起的流量下降作用減小，但由于球閥的調(diào)節(jié)作用加大，流量減少率增大，因此壓力值仍增加;壓力曲線C點處壓力達(dá)到最大，即流量的變化率最大;D點導(dǎo)葉開始關(guān)閉，此時機組處于反水泵工況區(qū)，導(dǎo)葉開度變化對壓力最大值的上升并沒有太大的影響，由于導(dǎo)葉開度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個峰值，即E點處第二個壓力峰值比第一個峰值要小得多。

圖5 動態(tài)參數(shù)瞬變曲線

5、甩負(fù)荷過渡過程計算

　　為了研究內(nèi)特性法在球閥參與過渡過程時計算的準(zhǔn)確性，應(yīng)用編制的基于方程組式(1)—式(13)的內(nèi)特性軟件IFT2.0，對該機組現(xiàn)場試驗同一工況，采用相同的球閥關(guān)閉規(guī)律及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，進(jìn)行了甩300MW負(fù)荷過渡過程計算。

　　圖5中虛線為該機組甩全負(fù)荷時蝸殼進(jìn)口壓力及機組轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。由圖可知，與試驗值相比，內(nèi)特性法計算的壓力最大值與轉(zhuǎn)速上升最大值偏差很小。但在后面機組進(jìn)入反水泵工況時，有一定的誤差。但由于機組在甩負(fù)荷過渡過程中，最關(guān)心的是壓力上升極值及轉(zhuǎn)速上升極值，因此內(nèi)特性法完全滿足工程實際的要求。

　　表2示出了2#機組甩全負(fù)荷時動態(tài)參數(shù)極值的試驗值與內(nèi)特性法計算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿足過渡過程動態(tài)品質(zhì)的要求。

表2 機組甩300MW時動態(tài)參數(shù)的極值

6、結(jié)論

　　(1)分析了抽水蓄能電站水輪機工況甩負(fù)荷過渡過程中球閥參與流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能電站現(xiàn)場甩負(fù)荷試驗所證實。

　　(2)在抽水蓄能電站甩負(fù)荷過渡過程中，采用球閥與導(dǎo)葉結(jié)合的控制方式，只要合理地選取導(dǎo)葉延時時間與關(guān)閉時間，就可以有效地降低壓力上升值，因此當(dāng)電站在電力系統(tǒng)中的作用，以及地形、地質(zhì)、壓力水道布置等因素滿足的條件下，它可以用來取代調(diào)壓井的作用，從而降低電站造價。

　　(3)基于內(nèi)特性理論編制的抽水蓄能機組過渡過程數(shù)值計算軟件IFT2.0經(jīng)蒲石河電站甩負(fù)荷試驗證明，計算準(zhǔn)確性滿足工程需要，它最大的優(yōu)點是無需已知水泵水輪機的全特性曲線，就可完成過渡過程的計算。