深圳抽水蓄能電站首臺機甩負荷試驗關(guān)鍵技術(shù)研究

文樹潔，凡家異，陳泓宇，羅佑坤，李 青

（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2. 深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518000）

0 引言

抽水蓄能電站機組工況轉(zhuǎn)換復雜，水力邊界條件多變。抽水蓄能電站水力過渡過程研究是保證電站及機組安全運行的重要工作[1]。抽水蓄能電站真機甩負荷試驗是對抽水蓄能機組設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量的關(guān)鍵考核性試驗，也是對電站全系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、機組安全可靠性的實際檢驗[2]。

一管多機布置的抽水蓄能電站，首臺機甩負荷試驗將直接驗證電站過渡過程的數(shù)學建模、仿真計算、導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化以及誤差修正等方面的可靠性和準確性[3]。本文針對深圳抽水蓄能電站首臺機組甩負荷試驗時各過渡過程關(guān)鍵特征參數(shù)進行實測錄波分析，同時，對實測工況進行水力過渡過程仿真計算。通過對比分析研究，驗證了計算值與實測值的基本一致性。再者，由于該抽水蓄能電站為一管四機的樞紐布置型式，其可能發(fā)生“多機同甩”“一甩多扛”或者“多甩一扛”等各種類型的復雜過渡工況，這需在后續(xù)的真機甩負荷試驗中進行進一步研究和驗證。因此，這將為電站及機組的安全穩(wěn)定運行提供堅實的技術(shù)保障。

1 電站概況及仿真計算模型簡述

1.1 電站概況

深圳抽水蓄能電站位于廣東省深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)交界處，毗鄰香港特別行政區(qū)，站址距深圳市中心約20km。電站總裝機容量1200MW，單機容量300MW。電站輸水系統(tǒng)全長約4722m，其中引水系統(tǒng)長3467m，尾水系統(tǒng)洞長1255m，采用“一管四機”“四機合一洞”的樞紐布置型式，其引水和尾水系統(tǒng)分別各帶一個阻抗式調(diào)壓室。水輪機工況最高毛水頭466.81m，額定凈水頭419.0m，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，水泵水輪機的主要參數(shù)額定值見表1所示。深圳抽水蓄能電站首臺機組（即1號機組）于2017年10月3日完成甩100%Nr（Nr表示水輪機工況額定負荷）試驗，各過渡過程特征參數(shù)的實測數(shù)據(jù)與計算值吻合度高，標志著首臺機組已具備帶全負荷安全穩(wěn)定運行的條件。

表1 深圳抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數(shù)的額定值Tab.1 Rated value of the main parameters of the Pump turbine of Shenzhen pumped storage power station

1.2 仿真計算模型簡述

采用以瑞士洛桑工學院及Power Vison Engineering公司開發(fā)的商業(yè)水力過渡過程計算軟件為基礎(chǔ)并結(jié)合國內(nèi)過渡過程計算特殊要求進行二次開發(fā)的成熟商業(yè)軟件系統(tǒng)，對深圳抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)各水力元件及機組進行仿真模擬，建立該電站機組過渡過程計算簡圖，如圖1所示。

圖1中，PIPE1A～PIPE38表示輸水系統(tǒng)各管道，RESERV1、RESERV2分 別 表 示 上、 下 游 水庫，STANK1～STANK4分別表示調(diào)壓室和閘門井，F(xiàn)RURB1～FTURB4分別表示1～4號機組。

本文主要采用上述仿真模型對1號機組單機突甩不同負荷的幾個工況進行復核計算。因此，圖中僅對1號機組甩負荷進行數(shù)值仿真計算，并按照現(xiàn)場試驗要求進行相應的甩負荷工況復核；其他三臺機組（2～4號機）均處于停機狀態(tài)，不參與甩負荷。

2 電站調(diào)節(jié)保證要求

深圳抽水蓄能電站及其機組在各種過渡工況下，各主要特征參數(shù)按表2予以保證。

表2 主要特征參數(shù)的調(diào)節(jié)保證要求Tab.2 The requirement value of the regulation guarantee of the main characteristic parameters

表中，各特征參數(shù)的過渡過程保證值需考慮壓力脈動和計算誤差進行對過渡過程計算值進行修正。因此，真機甩負荷試驗實測值與計算值的對比分析，應該是指根據(jù)電站現(xiàn)場甩負荷試驗時的上、下庫水位，進行相應工況的預估計算得到的計算值經(jīng)修正后的值，與實測數(shù)據(jù)經(jīng)適當處理后的值的對比分析。如此，方能保證對比分析的科學性和可靠性。

圖1 深圳抽水蓄能電站機組過渡過程計算簡圖Fig.1 Sketch of the simulation of the transient process of Shenzhen pumped storage power station

3 導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化及調(diào)試確認

3.1 導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化

為了表述方便，令深圳抽水蓄能電站水泵水輪機四象限全特性曲線的最大導葉開度a=30°，對應于導葉相對開度100%，且此時其對應的接力器相對行程為y=100%。

根據(jù)過渡過程計算的要求，需要同時滿足蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力以及轉(zhuǎn)速上升率的要求，所以需要對多個控制工況進行聯(lián)合試算，綜合考慮各方面的影響后，優(yōu)化導葉關(guān)閉規(guī)律，并選取其中較優(yōu)的導葉關(guān)閉規(guī)律對規(guī)定的所有工況進行復核驗證，以此確定本電站相對最優(yōu)的導葉關(guān)閉規(guī)律[4]。

對于深圳抽水蓄能電站而言，經(jīng)過前期大量的優(yōu)化計算分析，水泵工況各特征參數(shù)較易滿足調(diào)節(jié)保證控制要求，水輪機工況的蝸殼進口最大壓力也較易滿足要求；然而，由于電站采用一管四機樞紐布置型式，工況組合較為復雜，水輪機工況的尾水管進口最小壓力的控制要求較難滿足，因此，應選取表3所示的主要控制工況進行優(yōu)化計算。

對于一管四機抽水蓄能電站過渡過程而言，導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計算分析的重點工作在于根據(jù)電站的電氣、電網(wǎng)的接線方式以及未來實際運行、調(diào)度情況，合理確定不同的相繼甩負荷工況組合，科學地對可能發(fā)生的相繼甩負荷工況進行最大限度的計算分析，最終優(yōu)化確定最優(yōu)的導葉關(guān)閉規(guī)律。

目前，采用東方電機自主開發(fā)的導葉關(guān)閉規(guī)律自動優(yōu)化軟件進行優(yōu)化計算，該自動優(yōu)化軟件的操作界面如圖2所示。

3.2 過渡過程推薦的導葉關(guān)閉規(guī)律

經(jīng)過大量的優(yōu)化計算和分析，深圳抽水蓄能電站機組過渡過程推薦的水輪機工況的導葉關(guān)閉規(guī)律為：導葉采用先快后慢兩段折線關(guān)閉，拐點為導葉接力器相對行程70.0%，第一段關(guān)閉時間斜率為30s，第二段關(guān)閉時間斜率為90s，如圖3所示。過渡過程計算中，球閥不參與大波動過渡過程調(diào)節(jié)，采用70s一段隨動關(guān)閉。

圖2 自動優(yōu)化軟件操作界面示意圖Fig.2 Sketch of the operation interface of the automatic optimization software

表3 導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計算時選取的主要控制工況Tab.3 Main control conditions selected for the optimal calculation of the guide vane closing law

3.3 調(diào)試確認的導葉關(guān)閉規(guī)律和球閥關(guān)閉規(guī)律

在機組甩負荷試驗前，已對機組的導葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律和球閥關(guān)閉規(guī)律進行調(diào)試，并盡量使其和推薦的導葉關(guān)閉規(guī)律及球閥關(guān)閉規(guī)律基本一致，但由于現(xiàn)場調(diào)試精度以及試驗工況等的影響，仍然會和推薦的關(guān)閉時間斜率略有差異。對于深圳抽水蓄能電站，1號機組單甩100%Nr試驗時（此時的接力器相對行程約為86.9%），導葉接力器行程和球閥關(guān)閉規(guī)律如圖4所示。

圖3 推薦的水輪機工況導葉關(guān)閉規(guī)律示意圖Fig.3 The schematic diagram of the guide vane closing law recommended for the generation mode

圖4 甩負荷試驗時，實際調(diào)試的導葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律（1號機組甩100% Nr試驗時）Fig.4 The actual debugging guide vane closing law in the load rejection test （when the Unit 1# shedding 100%Nr load rejection test）

經(jīng)對比分析，圖4中調(diào)試確認的關(guān)閉規(guī)律與圖3中推薦的導葉關(guān)閉規(guī)律略有差異。具體來看，調(diào)試確認的導葉關(guān)閉規(guī)律為先快后慢兩段折線關(guān)閉，即第一段：從接力器相對行程86.9%到拐點70.7%，耗時為5.14 s，則第一段關(guān)閉時間斜率為31.7s；第二段：從拐點處關(guān)閉至0，耗時為65.6s，則第二段斜率為92.8s。其對比表4所示。

表4 調(diào)試實際確認的導葉關(guān)閉規(guī)律與計算推薦的導葉關(guān)閉規(guī)律對比Tab.4 The comparison between the actual guide vane closing law and the recommended closing law

這與圖3所推薦的導葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律基本吻合，差異不大。經(jīng)過導葉關(guān)閉規(guī)律敏感性分析，我們認為，實際調(diào)試的導葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律與推薦的導葉關(guān)閉規(guī)律之間的差異不會對電站過渡過程帶來實質(zhì)性差異，電站1號機組采用調(diào)試確認的導葉關(guān)閉規(guī)律進行甩負荷試驗是可行的，也是可靠的。

對于球閥關(guān)閉規(guī)律，實際確認的球閥關(guān)閉規(guī)律約為80s一段關(guān)閉，較計算推薦的關(guān)閉規(guī)律略慢。由于球閥不參與大波動過渡過程調(diào)節(jié)，其關(guān)閉斜率對過渡過程各特征參數(shù)極值幾乎無影響，因此，在實際工程中也是可行的。

本文中，為了使深圳抽水蓄能電站的水力過渡過程計算值與實測值保持最大程度的相同邊界條件，對1號機組甩負荷試驗工況進行復核計算時，均采用圖4所示的經(jīng)調(diào)試確認的導葉接力器行程關(guān)閉規(guī)律。

4 真機甩負荷試驗實測與計算的對比分析研究

4.1 真機甩負荷試驗工況

在對該電站首臺機組（即1號機組）進行全面調(diào)試時，現(xiàn)場相關(guān)各方認真組織了分析評估，經(jīng)向電網(wǎng)和調(diào)度方申請確認，認為可根據(jù)電站實際運行情況，擇機進行1號機組甩負荷試驗。為了保證電站及機組的安全運行，分別對1號機組進行甩25%Nr、50%Nr和75%Nr以及100%Nr負荷試驗，本文將對其進行實測值與計算值的對比分析研究，其主要工況如表5所示。

表5 1號機組甩負荷試驗工況列表Tab.1 Main load rejection test conditions for the Unit 1#

4.2 甩25% Nr試驗實測與計算對比

在現(xiàn)場試驗前，對1號機甩25%Nr負荷工況進行數(shù)值仿真計算，并將計算結(jié)果提供給現(xiàn)場試驗組織方，經(jīng)分析討論，根據(jù)類似電站機組的甩負荷試驗的經(jīng)驗，一致認為可進行甩25%Nr負荷試驗。數(shù)值計算極值與實測極值的對比如表6所示。

表6 工況D1的計算極值與實測極值對比Tab.6 Comparison of the calculation extreme value and the measured extreme value of the Condition D1

對比分析表6中甩25%Nr負荷試驗的實測極值與計算極值，可初步分析預測1號機在相近水頭下甩50%Nr負荷的計算極值與實測極值的誤差修正量。

4.3 甩50% Nr試驗實測與計算對比

根據(jù)現(xiàn)場條件，1號機甩25%Nr和甩50%Nr負荷的水頭相近，且上、下游水位也基本相近，因此，可通過分析該機組甩低負荷（25%Nr）的實測極值與計算值之間的差異，采用逐步趨近的修正方法，分析確定修正系數(shù)及誤差修正量，使得計算修正后的極值與實測極值基本相近。

在現(xiàn)場進行1號機甩50%Nr負荷試驗前，先對該試驗工況進行復核計算。并根據(jù)相近水頭下甩低負荷試驗的實測情況，通過計算及對比分析，確定修正量，得到過渡過程各相應特征參數(shù)修正后的極值。該工況下，計算極值與實測極值的對比如表7所示。

表7 工況D2的計算極值與實測極值對比Tab.7 Comparison of the calculation extreme value and the measured extreme value of the Condition D2

采用置信度及移動平均等方法對實測數(shù)據(jù)進行科學的整理和分析，得到該工況下各主要特征參數(shù)的實測錄波曲線與計算值隨時間的波動變化曲線，如圖5所示。

由表7及圖5可知，機組轉(zhuǎn)速上升率的計算極值與實測極值差異很小，且波動趨勢基本保持一致。按照上述逐步趨近的修正方法，蝸殼進口最大壓力的計算修正后的極值與實測極值之間的差值為7.27m，差異較小，且比較圖中計算值與實測值（尤其是實測均值波動曲線），兩者的波動趨勢基本一致。

圖5 1號機組甩50% Nr，機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力實測值與計算的對比Fig.5 Comparison of measured values and calculated values of unit speed，spiral case inlet pressure and draft tube inlet pressure，when Unit 1# 50% Nr load rejection

對于尾水管進口壓力而言，計算修正后的極值與實測極值有一定的差異，這表明此時誤差修正量不足。對尾水管進口壓力的實測數(shù)據(jù)進行97%置信度處理，其上、下包絡(luò)線的范圍如圖5中（c）的粉紅色線及土黃色線所示。分析圖中尾水管進口壓力實測錄波曲線與計算值波動變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，計算值波動曲線與實測均值波動曲線波動趨勢是一致的，且實測均值的極值與計算極值的發(fā)生區(qū)域也是基本相同的，兩者的吻合程度較高；然而，實測壓力數(shù)據(jù)的波動幅度較大，其與計算值有一定的偏差。分析認為，造成這一差異的原因，可能是1號機甩50Nr負荷時，尾水管壓力波動較大，從而出現(xiàn)了尾水管進口最小壓力的實測極值比預測值略低的情況。但是，這一波動并不會對尾水管壓力造成實質(zhì)的影響。

綜合分析討論認為，可繼續(xù)進行1號機甩負荷試驗；而且，在對后續(xù)試驗工況下尾水管進口壓力進行修正時，應適當考慮壓力波動對尾水管進口壓力極值的影響。

4.4 甩75% Nr試驗實測與計算對比

在1號機甩75%Nr試驗前，對工況D3進行初步計算。結(jié)合之前相近水頭下同一機組甩25%Nr和甩50%Nr負荷試驗實測值與計算值的對比分析，仍然采用逐步趨近的修正方法，對計算值進行合理修正后，用計算修正后的值預估甩負荷試驗中各主要特征參數(shù)的極值表現(xiàn)。工況D3的計算極值與實測極值對比見表8。

表8 工況D3的計算極值與實測極值對比Tab.8 Comparison of the calculation extreme value and the measured extreme value of the Condition D3

由表8可知，計算極值（經(jīng)修正后的值）與實測極值基本一致。機組轉(zhuǎn)速上升率，計算極值與實測極值的差值為0.14%，相差極小，兩者基本一致。 蝸殼進口最大壓力，計算修正后的值與實測極值的差值為19.4m，表明修正幅度略微超過實際情況，計算修正值偏于保守，這可在后續(xù)的甩負荷試驗時修正預測時進行適當?shù)膶崟r完善，以使得計算修正后的極值更為趨近于實測極值。尾水管進口最小壓力，計算修正后的極值與實測極值的差值為-5.71m，表明修正仍然是偏于保守的，且兩者相差較小，表現(xiàn)基本一致。

工況D3的實測錄波圖形與計算值隨時間的變化過程對比如圖6所示。

圖6中，機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力的實測錄波圖形與計算值波動圖形基本一致。特別地，對于尾水管進口壓力而言，實測均值的波動趨勢和計算值的波動趨勢幾乎是吻合的，且實測數(shù)據(jù)的波動幅度較小。這表明，采用本文所述的逐步趨近法對各主要特征參數(shù)的計算極值進行修正，以預測其實測值的方法是可行的；計算及實測結(jié)果表明，深圳抽水蓄能電站1號機組甩75%Nr負荷試驗是成功的，可進行下一步甩100%Nr負荷試驗。

4.5 甩100%Nr試驗實測與計算對比

同樣地，先對甩100%Nr負荷試驗工況D4進行了初步計算，并采用上述相同的修正方法對計算值進行修正，用計算修正后的值預估甩負荷試驗中各主要特征參數(shù)的極值表現(xiàn)。工況D4的計算極值與實測極值對比見表9。

表9 工況D4的計算極值與實測極值對比Tab.9 Comparison of the calculation extreme value and the measured extreme value of the Condition D4

由表9可知，各特征參數(shù)的計算極值（經(jīng)修正后的值）與實測極值基本一致。機組轉(zhuǎn)速上升率，計算修正后的值與實測極值的差值為2.01%，相差不大。蝸殼進口最大壓力，計算修正后的值與實測極值的差值為-1.12m，兩者相差極小，基本一致。尾水管進口最小壓力，計算修正后的極值與實測極值的差值為-3.91m，表明修正仍然是略微偏于保守的，且兩者相差很小，表現(xiàn)基本一致。工況D4的實測錄波圖形與計算值隨時間的變化過程對比如圖7所示。

圖6 1號機組甩75%Nr，機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力實測值與計算的對比Fig.6 Comparison of measured values and calculated values of unit speed，spiral case inlet pressure and draft tube inlet pressure，when Unit 1# 75%Nr load rejection

圖7 1號機組甩100%Nr，機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力實測值與計算值的對比Fig.7 Comparison of measured values and calculated values of unit speed，spiral case inlet pressure and draft tube inlet pressure，when Unit 1# 100%Nr load rejection

圖7中，機組轉(zhuǎn)速、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力的實測錄波圖形與計算值波動圖形差別不大。但是，圖7中（a），經(jīng)與測試人員確認，該電站中央監(jiān)控室的轉(zhuǎn)速波形圖并未出現(xiàn)上述鋸齒狀陡變，因此，可初步判定可能是傳感器出現(xiàn)某些問題導致了測試數(shù)據(jù)的這種不正常表現(xiàn)，故可將其實測均值與計算值進行分析比較，機組轉(zhuǎn)速實測值的均值與計算值的波動趨勢基本一致。

而對于圖7中（c）的尾水管進口壓力實測數(shù)據(jù)，局部區(qū)域出現(xiàn)波動較大的情況，因此可按照甩低負荷、部分負荷試驗時采取的分析方法，對其進行97%置信度處理，得到實測數(shù)據(jù)的上、下包絡(luò)線，再將其與計算值進行比較分析，以便更為清晰地呈現(xiàn)計算值與實測值之間的相互關(guān)系。對比表明，實測均值的波動趨勢和計算值的波動趨勢幾乎是吻合的，且計算值經(jīng)修正后的值可基本將實測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的上、下包絡(luò)線[即圖7中（c）的置信區(qū)間上限和置信區(qū)間下限]的波動范圍所覆蓋。這表明，深圳抽水蓄能電站1號機組甩100%Nr負荷試驗是成功的，且各主要特征參數(shù)的實測極值表現(xiàn)與計算值是基本吻合的。

4.6 小結(jié)

綜合深圳抽水蓄能電站1號機甩25%Nr、甩50%Nr和甩75%Nr以及甩100%Nr負荷的計算結(jié)果與實測結(jié)果的對比分析，結(jié)果表明：

（1）在電站真機甩負荷試驗時，在相近水頭及上、下游水位條件下，可通過甩低負荷（甩25%Nr）試驗工況下各特征參數(shù)的仿真計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)結(jié)果及其相互之間的吻合程度，逐步修正并預測甩部分負荷（甩50%Nr和75%Nr）試驗，再逐步修正并預測甩滿負荷（甩100%Nr）試驗。經(jīng)對比表明，計算修正后的極值與實測極值基本一致，上述逐步趨近的修正方法對于甩負荷試驗工況的預測分析是科學可靠的。

（2）各試驗工況下，機組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進口壓力和尾水管進口壓力的實測錄波圖形與計算值的波動圖形變化趨勢基本一致，且實測均值與計算均值的吻合度較好。

（3）深圳抽水蓄能電站1號機組甩負荷試驗是成功的，這也驗證了深圳抽水蓄能電站機組過渡過程計算的數(shù)學建模和仿真計算的準確性。

5 結(jié)束語

針對深圳抽水蓄能電站1號機組甩負荷試驗，本文首先確認了實際調(diào)試的關(guān)閉規(guī)律的可行性及可靠性。同時，研究并采用了逐步趨近的修正方法，對計算結(jié)果進行修正，其修正后的值與實測極值基本一致，這表明該修正方法是科學合理的，可較好地通過計算極值預測實測極值。再者，對各過渡過程關(guān)鍵特征參數(shù)進行了實測錄波分析，同時，對實測工況進行水力過渡過程仿真計算，并采用置信度和移動平均值等方法對實測數(shù)據(jù)進行分析研究。通過計算值與實測值的對比分析，結(jié)果表明：機組轉(zhuǎn)速最大上升率、蝸殼進口最大壓力和尾水管進口最小壓力等關(guān)鍵特征參數(shù)的實測極值與計算極值經(jīng)修正后的值基本一致；實測值的錄波圖形與計算值的波動圖形變化趨勢基本一致，且實測均值于計算均值的吻合度較好。這驗證了深圳抽水蓄能電站機組過渡過程的數(shù)學建模、仿真計算和導葉關(guān)閉規(guī)律等方面的可靠性和準確性。

然而，由于深圳抽水蓄能電站為一管四機的樞紐布置型式，其存在“兩機同甩”“三機同甩”和“四機同甩”等過渡工況發(fā)生的可能性。因此，在未來的研究中，我們將持續(xù)關(guān)注該抽水蓄能電站“兩機同甩” “多機同甩”和“一甩多扛”以及“多甩一扛”等真機甩負荷試驗情況，同時進行相應試驗工況的仿真計算研究，并進行進一步地對比分析，以期為后續(xù)抽水蓄能電站機組甩負荷的分析研究提供參考。

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[6]陳家遠.水力過渡過程的數(shù)學模擬及控制[M].成都：四川大學出版社，2008.5.

文樹潔（1979—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪機設(shè)計及技術(shù)管理等。E-mail： wenshujie@163.com

凡家異（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向：水輪機初步設(shè)計及電站水力過渡過程研究等。E-mail： funjayi@163.com

陳泓宇（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理。E-mail： 542120791@qq.com

羅佑坤（1981—），男，工程師，主要研究方向：水電站運行管理。E-mail：465754018@qq.com

李 青（1987—），男，工程師，主要研究方向：計算機監(jiān)控系統(tǒng)、抽水蓄能電站機電安裝管理。E-mail：lsqslz@163.com