清原抽水蓄能電站水泵工況斷電過渡過程數(shù)值模擬計(jì)算研究

張懷生

(遼寧省朝陽市喀左縣水利局， 遼寧 朝陽 122300)

1 工程概況

遼寧清原抽水蓄能電站位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣北三家鄉(xiāng)境內(nèi)，為當(dāng)前東北地區(qū)在建的最大抽水蓄能電站，預(yù)計(jì)2021年首批機(jī)組投入運(yùn)行[1]。清原抽水蓄能電站工程為Ⅰ等大(1)型工程，永久性主要建筑物級別為1級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 a一遇[2]，電站的正常蓄水位為725.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為726.10 m，校核洪水位為726.54 m。清原抽水蓄能電站位于撫順市和沈陽市之間，位于遼寧省的負(fù)荷中心部位，具有十分優(yōu)越的地理位置。電站建成后可以承擔(dān)遼寧電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù)。電站工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關(guān)站等建筑物組成[3]。清原抽水蓄能電站的總裝機(jī)規(guī)模為1200 MW，設(shè)有四臺(tái)300 MW機(jī)組。電站設(shè)計(jì)有兩條引水主洞，電站的四臺(tái)機(jī)組很據(jù)引水主洞分成沒有水力聯(lián)系的兩個(gè)單元。電站的尾水隧洞為單機(jī)布置，且長度不同，其中4號機(jī)組最長為328.09 m，1號機(jī)組最短，為288.93 m。在機(jī)組水泵工況正運(yùn)行過程中，如果供電系統(tǒng)由于突發(fā)情況造成供電停止，而流道中的水流沒有及時(shí)切斷，則機(jī)組在經(jīng)過正轉(zhuǎn)正流、正轉(zhuǎn)逆流以及反轉(zhuǎn)逆流等階段后，最終會(huì)進(jìn)入停泵飛逸狀態(tài)，進(jìn)而對整個(gè)機(jī)組和輸水管道系統(tǒng)造成比較嚴(yán)重的安全威脅[4]。因此，本文通過數(shù)值模擬的方式對水泵工況斷電過渡過程計(jì)算，以驗(yàn)證機(jī)組設(shè)計(jì)的有效性。

2 仿真模型的構(gòu)建

2.1 仿真工具的選取

MATLAB(Matrix Laboratory)是由美國是Math Works公司推出的一款大型通用化商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有數(shù)值分析、繪圖、控制系統(tǒng)仿真、圖像和信號處理以及財(cái)務(wù)和金融等諸多方面的功能[5]。該軟件的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，其指令表達(dá)十分契合數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域的常用形式，因此在解算方面相比類似軟件十分簡潔和快捷[6]。因此，本次研究基于該軟件中的SIMULINK 仿真模塊，建立清原抽水蓄能電站的仿真模型，并進(jìn)行必要的仿真計(jì)算。

S-Function 為利用非圖形化語言描述的一個(gè)功能模塊，主要用于對特定系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，可以利用MATLAB、C 和 C++等多種語言進(jìn)行編寫。鑒于研究中對水輪機(jī)調(diào)節(jié)具有顯著的非線性特征，難以通過現(xiàn)有的模塊進(jìn)行仿真，因此研究中采用MATLAB編寫S-Function函數(shù)進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)節(jié)仿真模擬。

2.2 仿真模型的建立

要進(jìn)行清原抽水蓄能電站的水力過渡過程的仿真模擬計(jì)算，首先需要利用MATLAB 軟件中的 Simulink 工具箱，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真模型。在具體的構(gòu)建過程中，利用Simulink 工具箱將仿真模塊按照數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有序連接，最后封裝成各個(gè)部位的仿真模型[7]。將分別建立的水輪機(jī)、簡單管道、分叉管道以及串聯(lián)管道的Simulink 模型再進(jìn)行組合連接，建立起整個(gè)機(jī)組的仿真模型[8]。

3 仿真模擬結(jié)果與分析

3.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)正常關(guān)閉仿真結(jié)果分析

3.1.1 額定工況斷電過渡過程

在水輪機(jī)導(dǎo)葉正常關(guān)閉情況下的3#和4#機(jī)組同時(shí)斷電過渡過程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，其初始工況如表1所示，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水壓力計(jì)算結(jié)果如表2所示，3#機(jī)組的相對轉(zhuǎn)速變化曲線、蝸殼進(jìn)口壓力波動(dòng)曲線以及尾水管進(jìn)口壓力波動(dòng)曲線分別見圖1～圖3。由計(jì)算結(jié)果可知，在斷電之后，水泵的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)速上升的波動(dòng)現(xiàn)象。從壓力角度來看，蝸殼進(jìn)口壓力呈現(xiàn)出先降后升的態(tài)勢，尾水管進(jìn)口的壓力則呈現(xiàn)出先升后降的態(tài)勢。從計(jì)算結(jié)果可知，在上述關(guān)閉條件下，由于斷電后導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，轉(zhuǎn)速一直為負(fù)值，并沒有過渡到水輪機(jī)狀態(tài)，機(jī)組過渡過程的諸參數(shù)可以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算。

表1 初始工況參數(shù)

表2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)正常關(guān)閉過渡過程計(jì)算結(jié)果 m

圖1 水泵機(jī)組相對轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

圖2 蝸殼進(jìn)口壓力波動(dòng)圖

圖3 尾水管進(jìn)口壓力波動(dòng)圖

3.1.2 其他初始工況過渡過程計(jì)算結(jié)果

在斷電后導(dǎo)葉正常關(guān)閉條件下，對上庫 375.5 m，下庫 102.6 m，兩臺(tái)機(jī)導(dǎo)葉全開(工況1)和上庫 375.5 m，下庫 64 m，兩臺(tái)機(jī)帶額定負(fù)荷(工況2)兩種初始工況進(jìn)行過渡過程仿真計(jì)算，其具體參數(shù)如表3所示，仿真計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。由計(jì)算結(jié)果可知，從壓力角度來看，蝸殼進(jìn)口壓力呈現(xiàn)出先降后升的態(tài)勢，尾水管進(jìn)口的壓力則呈現(xiàn)出先升后降的態(tài)勢。最大水擊壓力值為413.63 m，產(chǎn)生在工況1條件下3#和4#機(jī)組同時(shí)斷電。由表4可知，尾水管的最低水位高度為42.09 m，發(fā)生在工況1條件下3#和4#機(jī)組同時(shí)斷電甩額定負(fù)荷時(shí)?？傊?，從仿真計(jì)算結(jié)果可知，其他工況下的各項(xiàng)指標(biāo)均可以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

表3 其他初始工況參數(shù)

表4 其他初始工況下蝸殼水壓計(jì)算結(jié)果 m

表5 其他初始工況下尾水管水壓計(jì)算結(jié)果 m

3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)異常關(guān)閉過渡過程

在機(jī)組遭遇突然斷電進(jìn)行關(guān)機(jī)時(shí)，4#機(jī)組可以正常關(guān)機(jī)而3#機(jī)組拒動(dòng)，對上述導(dǎo)水機(jī)構(gòu)異常關(guān)閉過渡過程進(jìn)行仿真計(jì)算，其初始工況如表1所示，仿真計(jì)算結(jié)果如表6所示。由于兩機(jī)組關(guān)閉方式不同，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果繪制出圖4所示的兩機(jī)組的相對轉(zhuǎn)速變化曲線。由計(jì)算結(jié)果可知，在斷電之后，水泵的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)速上升的波動(dòng)現(xiàn)象。但是，拒動(dòng)的3#機(jī)組會(huì)進(jìn)入飛逸狀態(tài)，但是其轉(zhuǎn)速較小，并不會(huì)超過額定轉(zhuǎn)速的一半，因此不會(huì)對機(jī)組造成顯著的不利影響。從壓力角度來看，蝸殼進(jìn)口壓力呈現(xiàn)出先降后升的態(tài)勢，在第二個(gè)波峰時(shí)達(dá)到最大值。尾水管進(jìn)口的壓力則呈現(xiàn)出先升后降的態(tài)勢。其中，3#機(jī)機(jī)組蝸殼進(jìn)口的最大壓力值和最小壓力值分別為401.52 m和 28.86 m；4#機(jī)機(jī)組蝸殼進(jìn)口的最大壓力值和最小壓力值分別為為402.96 m和30.72 m。故最大水擊壓力為402.96 m，機(jī)組過渡過程的諸參數(shù)可以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算。

表6 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)非正常關(guān)閉過渡過程計(jì)算結(jié)果 m

圖4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)非正常關(guān)閉兩機(jī)組相對轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

4 結(jié) 語

在抽水蓄能電站運(yùn)行中，采用直線關(guān)閉規(guī)律。一旦發(fā)生突發(fā)事件造成水泵斷電，失去動(dòng)力作用的水流的向上流動(dòng)慣性就會(huì)迅速消失，轉(zhuǎn)而受到重力作用而向下流動(dòng)。因此，如果關(guān)閉時(shí)間較長，機(jī)組就會(huì)由于向下水流的作用而轉(zhuǎn)入水輪機(jī)工況，并對機(jī)組的安全運(yùn)行造成顯著的不利影響。本文的仿真計(jì)算結(jié)果顯示，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)正常關(guān)閉情況下，由于關(guān)閉歷時(shí)較短，因此不會(huì)發(fā)生機(jī)組的反轉(zhuǎn)。當(dāng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)異常關(guān)閉時(shí)，拒動(dòng)機(jī)組會(huì)進(jìn)入飛逸狀態(tài)，但是其轉(zhuǎn)速較小，并不會(huì)超過額定轉(zhuǎn)速的一半，最大擊水壓力和最小擊水壓力也在調(diào)節(jié)保證計(jì)算允許范圍內(nèi)。