抽水蓄能電站引水系統(tǒng)布置方案對水力過渡過程影響

劉 霞，雷谷峰，鄭建興

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 概述

平江抽水蓄能電站上水庫位于福壽山福壽林場的大福坪，下水庫位于福壽山山腳的吉星村。上、下水庫均處在汨羅江二級支流百福水上游。電站地處湖南東北部，緊鄰湖南電網(wǎng)負荷中心長、株、潭地區(qū)，距離長沙市75 km，距平江縣城39 km，地理位置優(yōu)越。工程的開發(fā)任務(wù)主要是承擔湖南電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。

電站總裝機容量為1 400 MW，裝設(shè)4臺單機容量為350 MW的可逆式機組，電站引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用2洞4機的布置方式，引水系統(tǒng)采用兩級斜井方案，1級斜井長度約為424 m，2級斜井長度約為433 m。水流進、出廠房的方式為正進正出。設(shè)有尾水調(diào)壓室，輸水系統(tǒng)總長約3 089 m。

平江抽水蓄能電站可研報告于2016年通過審查，可研階段輸水系統(tǒng)采用兩級斜井的布置方案，由于1級斜井及2級斜井均為400 m級斜井，考慮到斜井長度較長，存在一定的施工難度，招標設(shè)計階段對一豎井一斜井布置方案的可行性進行了對比分析研究，本文主要針對一豎井一斜井布置方案的過渡過程進行復(fù)核，并與兩級斜井方案進行對比分析。

2 復(fù)核計算主要目的、思路與方法

2.1 一豎井一斜井方案復(fù)核思路

平江抽水蓄能電站招標設(shè)計階段為研究輸水系統(tǒng)一豎井一斜井布置方案的可行性，分別利用2種不同計算軟件（以下簡稱軟件W、軟件H），與本電站相近水頭/揚程和比轉(zhuǎn)速的2個不同轉(zhuǎn)輪全特性曲線（以下簡稱曲線X、曲線D），分別針對輸水系統(tǒng)一豎井一斜井方案進行了控制工況過渡過程復(fù)核計算。經(jīng)初步分析，引水上平段最小內(nèi)水壓力已成為該方案比較選擇的制約性因素，因此復(fù)核計算的重點為引水上平段最小內(nèi)水壓力，同時關(guān)注蝸殼末端最大壓力上升值、尾水管進口最小壓力下降值及機組轉(zhuǎn)速最大上升率等參數(shù)。

根據(jù)一豎井一斜井方案的輸水系統(tǒng)布置，②輸水系統(tǒng)（3號、4號機組）長度較①輸水系統(tǒng)（1號、2號機組）長度更大，故針對3號、4號機組進行復(fù)核。

2.2 大波動過渡過程復(fù)核計算控制值

大波動過渡過程復(fù)核計算控制值如下：

（1）可研階段蝸殼進口最大壓力升高率按照30%控制(約1 001 m·H2O)；

（2）尾水管進口最小壓力：

設(shè)計工況：HB≥30 m·H2O；

校核工況：HB≥16 m·H2O；

（3）輸水道全線各斷面最高點處的最小壓力：Hsmin≥2.0 m·H2O；

（4）機組最大轉(zhuǎn)速上升率：βmax≤45%。

2.3 大波動過程復(fù)核計算工況

大波動過渡過程復(fù)核計算工況包括各種水位組合下機組增負荷、機組甩負荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉、機組正常啟動抽水、水泵突然斷電導(dǎo)葉正常關(guān)閉的設(shè)計工況；以及機組甩負荷一臺機組導(dǎo)葉拒動、水泵斷電一臺機組導(dǎo)葉拒動、各種組合工況等校核工況，具體工況在此從略。

3 一豎井一斜井過渡過程復(fù)核結(jié)果及分析

兩級斜井布置方案過渡過程計算極值詳見表1。沿用可研階段的關(guān)閉規(guī)律進行一豎井一斜井方案過渡過程計算，復(fù)核計算結(jié)果統(tǒng)計詳見表2。

表1 可研階段兩級斜井計算結(jié)果表

表2 一豎井一斜井計算結(jié)果表

由表2結(jié)果，主要分析如下：

（1）上平段最小內(nèi)水壓力軟件H（曲線D）計算結(jié)果最小，為1 017.93 m·H2O，與可研階段兩級斜井方案計算極值相差較大，一豎井一斜井方案計算極值更差，超過了計算控制值。

（2）蝸殼進口最大壓力軟件W（曲線D）計算結(jié)果最大，為1 042.49 m·H2O，軟件H（曲線D）計算結(jié)果也超出了計算控制值，相比可研階段兩級斜井方案，一豎井一斜井方案計算極值更差。

（3）尾水管進口最小壓力結(jié)果最小為33.10 m·H2O，機組最大轉(zhuǎn)速上升計算結(jié)果最大為41.79%，與可研階段兩級斜井方案計算極值相差較小，不是制約因素。

4 引水上平段末端最小壓力敏感性分析

4.1 軟件W（曲線D）計算分析

針對一豎井一斜井方案，軟件W（曲線D）計算結(jié)果蝸殼進口最大壓力計算值不滿足可研階段控制值要求，同時上平段最小內(nèi)水壓力稍有裕量，根據(jù)工程經(jīng)驗，同時參考相關(guān)文獻研究成果，加長導(dǎo)葉關(guān)閉時間，可降低蝸殼進口最大壓力[1，2]，為了進一步復(fù)核軟件W（曲線D）可研階段采用的26 s關(guān)閉規(guī)律是否適合一豎井一斜井方案，同時探索上平段最小內(nèi)水壓力與關(guān)閉規(guī)律之間的影響關(guān)系。分別對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律26 s、30 s、34 s、38 s、42 s進行了敏感性分析,有研究表明，對于400 m以上水頭的水電站機組，采用直線關(guān)閉規(guī)律是最簡單、有效、合理方案[3]。故此處敏感性分析均采用直線關(guān)閉規(guī)律。

上平段最小內(nèi)水壓力及蝸殼進口最大壓力計算值隨著導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律改變的趨勢圖見圖1。由圖1可以看出，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的延長，蝸殼進口最大壓力隨之降低；引水上平段最小內(nèi)水壓力在26～34 s之間隨著關(guān)閉時間的延長而增大，在34 s達到最大值，但在34 s之后，隨之關(guān)閉時間的延長而減??；當關(guān)閉時間大于等于38 s時，引水上平段最小內(nèi)水壓力已不滿足控制值要求。

圖1 上平段最小壓力及蝸殼進口最大壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時間變化趨勢圖

表3 26 s關(guān)閉規(guī)律計算極值與34 s關(guān)閉規(guī)律計算極值對比表

由以上計算對比分析，可以看出，相比26 s關(guān)閉規(guī)律，采用34 s關(guān)閉規(guī)律時，引水上平段最小內(nèi)水壓力裕量更大，蝸殼進口最大壓力更小。尾水管進口最小壓力和機組最大轉(zhuǎn)速上升計算結(jié)果均滿足計算控制值的要求。

4.2 軟件H（曲線D）計算分析

針對②輸水系統(tǒng)（3號、4號機組）引水上平段末端最小內(nèi)水壓力問題，復(fù)核可研階段40 s直線關(guān)閉規(guī)律是否適合一豎井一斜井方案，同時尋求關(guān)閉規(guī)律與上平段末端最小內(nèi)水壓力的關(guān)系，是否可以通過改變關(guān)閉規(guī)律尋求改善途徑，采用軟件H（曲線D）分別對20 s、25 s、30 s、35 s、45 s、50 s關(guān)閉規(guī)律進行了計算。蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時間變化趨勢詳見圖2。

由圖2可以看出，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的延長，蝸殼進口最大壓力隨之降低；引水上平段最小內(nèi)水壓力在40 s處于最小值，可以通過改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律而得到適當改善。經(jīng)初步計算分析結(jié)果，采用50 s的直線關(guān)閉規(guī)律，引水上平段最小內(nèi)水壓力為1 020.26 m·H2O，可以滿足計算控制值的要求。

圖2 蝸殼進口最大壓力及上平段最小壓力隨導(dǎo)葉關(guān)閉時間變化趨勢圖

5 結(jié)論及建議

5.1 主要結(jié)論

（1）通過對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進一步優(yōu)化和敏感性計算分析可以看出，如引水系統(tǒng)采用一豎井一斜井方案，蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力均可以得到有效改善，但需要更長的導(dǎo)葉關(guān)閉時間。

（2）基于可研階段的機組參數(shù)及關(guān)閉規(guī)律，對引水系統(tǒng)一豎井一斜井方案復(fù)核結(jié)果可以看出，蝸殼進口最大壓力及引水上平段最小壓力較兩斜井方案結(jié)果更差。因此，從改善水力過渡過程角度出發(fā)，采用兩級斜井方案更有利。

5.2 有關(guān)建議

隨著抽水蓄能電站應(yīng)用水頭的不斷提高，以及電站建設(shè)條件等因素的影響，近年來在建抽水蓄能電站蝸殼及引水系統(tǒng)的設(shè)計壓力跟以往的經(jīng)驗相比，大部分已突破了以往規(guī)范的要求[4]。2019年3月頒布實施的能源行業(yè)標準NB/T 10072-2018 《抽水蓄能電站設(shè)計規(guī)范》已將蝸殼進口最大壓力上升率提高至40%[5]。鑒于此，后續(xù)抽水蓄能電站在進行輸水系統(tǒng)布置時，可在工程投資、施工難度以及電站安全等方面找到更好的平衡點。