抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)上游調(diào)壓室設(shè)置條件研究

宮 奎，王 玨，李云龍，柴建峰，楊 靜

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能電站在目前智能電網(wǎng)的發(fā)展中擁有著不可替代的作用，由于抽水蓄能電站自身的特點(diǎn)，輸水系統(tǒng)作為鏈接上、下水庫(kù)的“通道”，其重要性不言而喻。但抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)普遍較長(zhǎng)，通常設(shè)置調(diào)壓室來(lái)改善輸水系統(tǒng)的運(yùn)行條件，由于歷史及認(rèn)知所限，涉及上游調(diào)壓室設(shè)置判別的因素條件較少，在工程實(shí)踐中，常常還需要綜合遇到的實(shí)際情況初判、復(fù)判等加以靈活運(yùn)用，部分工程項(xiàng)目在現(xiàn)初期設(shè)計(jì)時(shí)采用了調(diào)壓室設(shè)置，在工程后期經(jīng)論證、優(yōu)化后進(jìn)行了取消。對(duì)于常規(guī)水電站上游調(diào)壓室設(shè)置條件，前人已做過(guò)深入研究，但對(duì)抽水蓄能電站調(diào)壓室設(shè)置判據(jù)研究較少，為此結(jié)合目前抽水蓄能電站實(shí)際情況對(duì)相關(guān)設(shè)置判據(jù)進(jìn)行研究是有必要的。

1 上游調(diào)壓室設(shè)置條件

多年來(lái)，抽水蓄能電站上游調(diào)壓室設(shè)置與否沿用的是《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5058—1996 ），在前期論證工作中，作為工程前期初設(shè)時(shí)估算使用，后被《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35021—2014）取代。在2014版規(guī)范3.2.1和3.3.1章節(jié)中，分別從電站調(diào)節(jié)保證安全性和調(diào)節(jié)穩(wěn)定性兩個(gè)方面對(duì)抽水蓄能電站的上游調(diào)壓室設(shè)置進(jìn)行了規(guī)定?，F(xiàn)列舉如下：

（1）設(shè)置上游調(diào)壓室初步判別條件：按壓力管道中水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw作初步判別[1]。

[Tw]為Tw的允許值，一般取2～4s。[Tw]的取值隨電站在電力系統(tǒng)中的作用而異[2]，當(dāng)水電站作孤立運(yùn)行，或機(jī)組容量在電力系統(tǒng)中所占的比重超過(guò)50%時(shí)，宜用小值；當(dāng)比重小于10%～20%時(shí)可取大值[3]。

（2）電站運(yùn)行穩(wěn)定性與水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw、機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta等密切相關(guān)，可按式（3）或者按圖1“Tw-Ta與調(diào)速性能關(guān)系圖”，對(duì)是否需要設(shè)置調(diào)壓室進(jìn)行初步判斷[4]。

當(dāng)不滿足式（3）時(shí)，可以按照?qǐng)D1所示關(guān)系圖進(jìn)行初步判斷：當(dāng)處在①區(qū)可不設(shè)調(diào)壓室，處在③區(qū)須設(shè)置調(diào)壓室，處在②區(qū)需詳細(xì)研究設(shè)置調(diào)壓室的必要性。

2 實(shí)際工程調(diào)壓室設(shè)置

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)部分抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)研，經(jīng)收集、整理、分析，得到這些電站上游調(diào)壓室設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)。根據(jù)各電站相關(guān)報(bào)告、圖紙等資料，分別針對(duì)不設(shè)置上游調(diào)壓室、設(shè)置上游調(diào)壓室情況，計(jì)算得出各電站水流慣性時(shí)間常數(shù)和機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)[5]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。其中水流慣性時(shí)間常數(shù)為未考慮調(diào)壓室情況的計(jì)算值。

圖1 Tw-Ta與調(diào)速性能關(guān)系圖Figure 1 Relationship between Tw-Ta and speed regulation performance

同時(shí)，根據(jù)計(jì)算情況，將表1中計(jì)算的值，按照?qǐng)D1原則，對(duì)應(yīng)放到上述三個(gè)區(qū)域中，可以得到這些電站的Tw-Ta分布圖。

表1 部分抽水蓄能電站Tw、Ta及調(diào)壓室設(shè)置情況Table 1 Tw、Ta and surge chamber settings of some pumped storage power stations

續(xù)表

圖2 部分抽水蓄能電站Tw-Ta分布圖Figure 2 Tw-Ta distribution diagram of some pumped storage power stations

根據(jù)表1和圖2結(jié)果，經(jīng)分析可以看出：

（1）從調(diào)節(jié)保證參數(shù)角度考慮。

按照[Tw]為Tw的允許值，一般取2～4s原則，在統(tǒng)計(jì)電站中不存在規(guī)范中規(guī)定的水流慣性時(shí)間超過(guò)4s、必須設(shè)置上游調(diào)壓室的情況，大多數(shù)電站按照現(xiàn)行原則對(duì)調(diào)壓室進(jìn)行設(shè)置，個(gè)別電站在工程前期如可行性研究報(bào)告等中保留上游調(diào)壓室的設(shè)置，多為考慮調(diào)節(jié)品質(zhì)保證、地形地質(zhì)影響等因素印象[6]，在后續(xù)設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐中，需經(jīng)綜合論證后得出推薦方案。

（2）調(diào)節(jié)品質(zhì)角度分析。

從圖2中可以，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析的19個(gè)電站中，絕大多數(shù)電站均處于調(diào)節(jié)性能良好的區(qū)域，個(gè)別電站位于比較接近較好、良好區(qū)域分界線區(qū)域。在接近分界線、調(diào)節(jié)較好的電站里，也大多設(shè)置了上游調(diào)壓室。

3 從甩負(fù)荷試驗(yàn)、機(jī)組參數(shù)設(shè)計(jì)值等情況分析

通過(guò)抽水蓄能電站甩負(fù)荷試驗(yàn)，甩負(fù)荷后機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)情況變化方面，可以將試驗(yàn)結(jié)果與調(diào)保計(jì)算成果對(duì)比分析，復(fù)核抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)、球閥等抗沖擊能力，檢驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，驗(yàn)證機(jī)組蝸殼壓力上升、機(jī)組轉(zhuǎn)速率等設(shè)計(jì)情況，以及與規(guī)范的吻合程度等情況，對(duì)于抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義[7]。

本文通過(guò)部分抽水蓄能電站的雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)比，用以分析上游調(diào)壓室設(shè)置判據(jù)的適用情況，相關(guān)雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)定的機(jī)組允許出現(xiàn)的極限值見(jiàn)表2。電站甩負(fù)荷試驗(yàn)蝸殼壓力限定、轉(zhuǎn)速上升限定值對(duì)比見(jiàn)圖3和圖4。

表2 部分抽水蓄能電站甩負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Load rejection test parameters of pumped storage power station

圖3 甩負(fù)荷試驗(yàn)蝸殼壓力與限定值對(duì)比Figure 3 The volute pressure of load rejection test compared with limit value

通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和合同中規(guī)定的極限運(yùn)行參數(shù)對(duì)比，可以計(jì)算出電站甩負(fù)荷時(shí)蝸殼壓力的安全裕度。安全裕度是體現(xiàn)電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)[7]。結(jié)合圖2 部分抽水蓄能電站Tw-Ta分布圖可知：

（1）對(duì)于處于或接近調(diào)節(jié)性能較好區(qū)域的抽水蓄能電站，均設(shè)置了上游調(diào)壓室，相關(guān)抽水蓄能電站安全裕度相對(duì)適中。

（2）對(duì)于處于調(diào)節(jié)性能良好區(qū)域的抽水蓄能電站，設(shè)置了上游調(diào)壓室。

（3）對(duì)于其余電站，均未設(shè)置上游調(diào)壓室。

從上述分析中可以得出，按照調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行調(diào)壓室設(shè)置的電站，在開(kāi)展甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，其安全裕度是在合理范圍內(nèi)[8]。

圖4 甩負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速與限定值對(duì)比Figure 4 The unit speed of the load rejection test compared with the limit value

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）關(guān)于抽水蓄能電站上游調(diào)壓室的設(shè)置判定問(wèn)題，現(xiàn)行調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)給出了相對(duì)清晰合理的界定。上游調(diào)壓室的判定條件已經(jīng)沿用近三十年，經(jīng)已建電站驗(yàn)證較為合理。

（2）通過(guò)工程實(shí)際情況與規(guī)范對(duì)比分析可以看出，現(xiàn)行的上游調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范基本能夠滿足抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證要求，Tw值滿足要求可以作為上游調(diào)壓室設(shè)置必要條件進(jìn)行初判斷，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性滿足要求是調(diào)壓室設(shè)置的制約因素，但Tw判斷方法并非是構(gòu)成抽水蓄能電站設(shè)置調(diào)壓室與否的唯一決定性因素。

（3）部分電站在工程前期設(shè)計(jì)中，經(jīng)Tw公式初判時(shí)處于2s附近時(shí)，在經(jīng)工程布置、調(diào)保計(jì)算等其他工作論證后仍需設(shè)置上游調(diào)壓室的工程，在甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時(shí)安全裕度有富裕，但調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯轉(zhuǎn)好。

（4）在具體的工程實(shí)踐中，為保障抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，上游調(diào)壓室的設(shè)置問(wèn)題，需綜合工程規(guī)劃、地形地質(zhì)、樞紐布置、施工、造價(jià)及運(yùn)維便利等多方面考慮，結(jié)合過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果、模型試驗(yàn)等進(jìn)行充分論證后謹(jǐn)慎實(shí)施。