抽水蓄能电站过渡过程蜗壳压力设计研究

邓 磊，宋德强，周 攀 ，丁景焕



抽水蓄能电站过渡过程蜗壳压力设计研究

邓 磊1，宋德强2，周 攀1，丁景焕1

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京，100161; 2. 黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江牡丹江，157005）

为了深入研究抽水蓄能电站过渡过程蜗壳压力设计，对多家设计院和抽水蓄能电站进行了调研。研究结果表明，蜗壳设计压力比以往设计均有提高，原因为现场实测结果与设计结果偏差较大。实测结果压力脉动大，而压力脉动大的原因与水泵水轮机的水轮机运行区域范围过于靠近S区或位于S区的正上方有关。本文建议水轮机运行区域范围距离S区有一定的距离。

抽水蓄能电站；过渡过程；蜗壳压力；压力脉动；水泵水轮机S区

0 前言

抽水蓄能电站调节保证控制值的选取事关电站的建设质量和投产运行后电站的运行安全。前期国内牵涉到调节保证设计的主要设计规范有《DL/T 5186-2004 水力发电厂机电设计规范》和《DL/T 5208-2005抽水蓄能电站设计导则》。近年来，已建投产的部分抽水蓄能电站过渡过程逐渐引起了国内较大的争议，针对调节保证设计这一专题，2013年10月水利水电规划设计总院发布了“水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂行规定（试行）”（以下简称“暂行规定”）；2005版本的“抽水蓄能电站设计导则”也正在修订过程中，2015年已发布征求意见稿，但还未正式发布。

为研究总结已建抽水蓄能电站过渡过程压力设计的工程经验，选择对国内标准、水规总院暂行规定、国内三大典型设计院、国外厂商和新源系统内已建和在建抽水蓄能电站进行设计调研，以期对后期新建抽水蓄能电站工程的设计和建设提供指导。

1 标准设计调研

1.1 DL/T 5186-2004 水力发电厂机电设计规范

下文简称“机电设计规范”。

（1）机组甩负荷的蜗壳最大压力升高率保证值，按以下不同情况选取：

额定水头小于20m时，宜为70%～100%；额定水头为20m～40m时，宜为70%～50%；额定水头为40m～100m时，宜为50%～30%；额定水头为100m～300m时，宜为30%～25%；额定水头大于300m时，宜小于25%（可逆式蓄能机组宜小于30%）。

最大压力升高率保证值，应按计算值并留有适当裕度确定。

1.2 DL/T 5208-2005抽水蓄能电站设计导则

下文简称“设计导则”。

（1）水泵水轮机甩负荷和水泵断电时的最大压力升高率，按以下不同情况考虑：

额定水头小于300m时，按DL/T5186中的规定执行；额定水头大于300m时，宜小于30%，并应进行技术经济比较。

计算最大压力升高率ξ时，可取上库水位与蜗壳进口中心的高程差作为基准值。

最大设计内水压力值，应在计算值的基础上考虑压力脉动等因素，宜留有适当裕度。

1.3 水规总院暂行规定

“暂行规定”中关于蜗壳压力设计要求如下：

调节保证设计值应在水力过渡过程计算值的基础上考虑计算误差进行修正后确定，水击压力设计值还应考虑压力脉动的影响。可行性研究设计阶段，抽水蓄能电站目前可参考以下标准执行。随着工程经验和时间的积累，将进一步对修正量的选取进行调整和完善。

（1）对于最大水头大于200m的抽水蓄能电站：引水系统压力脉动引起的压力上升可按甩前净水头的7%~5%选取；计算误差可按压力上升值的10%选取。尾水系统涡流引起的压力下降可按甩前净水头的3.5%~2%选取，计算误差可按尾水管进口压力下降值的7%~10%选取。

（2）对于最大水头小于200m的抽水蓄能电站：输水系统压力脉动引起的压力变化、计算误差可根据电站实际情况及工程经验选取。

1.4 NB/T 抽水蓄能电站设计导则（征求意见稿）

下文简称“设计导则征求意见稿”。

（1）机组调试期间，必要时应对甩负荷和水泵断电等工况进行过渡过程计算，并与调试测试成果进行对比分析。

（2）调节保证设计值应根据水力过渡过程计算结果，考虑一定的压力脉动裕量及计算误差确定，并应满足以下要求：

1）蜗壳进口最大压力升高设计值，当额定水头小于300m时，应满足现行行业标准《水力发电厂机电设计规范》DL/T5186的有关规定；当额定水头大于300m时，宜小于40%，高于40%应进行技术经济比较。计算压力升高率ξ时，以上库正常蓄水位与蜗壳进口中心高程之差作为基准值。

2）输水系统沿线各断面最高处的最小压力不应低于0.02MPa；尾水管进口断面的最大真空度保证值不应大于0.08MPa，且不应出现负压脱流现象。

1.5 设计标准比较研究

1.5.1 关于水头的分界点问题

水规总院的暂行规定是200m水头以上压力脉动和计算误差按照暂行规定执行，200m水头以下参照执行。NB/T抽水蓄能电站设计导则（征求意见稿）以300m为分界点，存在标准和暂行规定冲突的情况，建议对水头的分界点进行统一。

1.5.2 关于蜗壳压力设计提高的问题

（1）按照“机电设计规范”和“设计导则”，按蜗壳压力上升率允许最大30%进行计算，前期这两个标准考虑蜗壳压力上升率时，针对计算结果只是考虑一部分的裕度，没有提出压力脉动影响和计算误差这两个概念，因此前期抽水蓄能电站的蜗壳压力上升率基本上在30%以内，少部分可能略微超过30%，但也有限。

另外净水头有不同的取值方式，设计单位从安全的角度出发基本按“甩前最大净水头”等于“上库正常蓄水位最大值与蜗壳进口中心的高程差”的方式进行设计。

（2）根据“设计导则征求意见稿”规定“蜗壳压力上升率调节保证设计值应根据水力过渡过程计算结果，考虑一定的压力脉动裕量及计算误差确定”和“额定水头大于300m时，蜗壳压力上升率宜小于40%，高于40%应进行技术经济比较。”，可以得出：蜗壳压力上升率的最大值通常为40%，这40%是包含了压力脉动和计算误差的，蜗壳压力设计值总体比原来提高了约10%。

按照“设计导则征求意见稿”规定：蜗壳压力设计值中压力脉动和计算误差的取值方式按照“暂行规定”执行，计算误差为4%（10%´40%）的甩前净水头，和压力脉动引起的蜗壳压力上升5%~7%相加得出：蜗壳压力设计裕度增加值为9%~11%的甩前净水头。

考虑蜗壳压力最大计算值（133%最大甩前净水头）作为基值进行比较，则增加的9%~11%甩前净水头蜗壳压力设计裕度相当于蜗壳压力最大计算值的6.27%~8.27%(9%~11%/1.33)。

即暂行规定之后，蜗壳压力计算的上升率约在33%左右，比前期30%的规定提高了约3%，同时考虑了约6.27%~8.27%蜗壳压力最大计算值的计算误差和压力脉动。

另根据“设计导则征求意见稿”，计算压力升高率时，以上库正常蓄水位与蜗壳进口中心高程之差作为基准值。因为“净水头”比“上库正常蓄水位与蜗壳进口中心高程之差”小，如果按照“上库正常蓄水位与蜗壳进口中心高程之差”的40%进行计算，则蜗壳压力与过渡过程计算结果相比，还将进一步提高。

2 设计院调研总结

水规总院暂行规定出来后，对国内三家典型设计院，华东勘测设计院、北京勘测设计院和中南勘测设计院进行了设计调研，调研结果显示在水规总院暂行规定出来之后，各大设计院对于蜗壳压力的选取均有了较大幅度的增长。

2.1 华东院调研总结

华东院典型电站蜗壳设计压力调研结果见表1。

表1 华东院典型电站蜗壳设计压力调研结果

“暂行规定”出来之前，华东勘测设计院设计基本在可研阶段蜗壳压力计算值基础上按照3%～5%裕度进行蜗壳压力合同值的确定。在“暂行规定”出来之后，按照暂行规定执行，但是华东院对于蜗壳压力设计值，在考虑了压力脉动和计算误差裕度后确定的调节保证设计值基础上再次上浮了3.75%（1050/1012）的裕度。可认为加了裕度后再次增加了裕度，与前期华东院设计的电站相比提高了5%以上裕度。

2.2 北京院调研总结

北京院典型电站蜗壳设计压力调研结果见表2。

表2 北京院典型电站蜗壳设计压力调研结果

“暂行规定”出来之前，北京勘测设计院设计基本在可研阶段蜗壳压力计算值的基础上增加的裕度按照以下取值方法：压力脉动取甩前净水头的5%，计算误差取压力上升值的10%进行蜗壳压力合同值的确定。在最终确定招标值时，在按照上述计算方法得出的蜗壳压力值基础上进行单位量纲的换算，将单位由mH2O转换为MPa，这样单位量纲的换算再次增加了约2%的裕度。

在“暂行规定”出来之后，按照暂行规定执行，确定方法为：蜗壳计算最大值加上压力脉动（甩前净水头7%，较以前取值5%大2%）加上计算误差（压力上升值的10%），在计算结果附近圆整的基础上，将单位由mH2O转换为MPa，这样单位量纲的换算增加了约2%的裕度，可认为加了裕度后再次增加了裕度，与前期北京院设计的电站相比提高了3%~5%的裕度。

2.3 中南勘测设计研究院调研结果

中南院典型电站蜗壳设计压力调研结果见表3。从该设计调研表格可以得出：“暂行规定”出来之前，中南勘测设计院设计基本在可研计算值的基础上增加了7%~10%的裕度。“暂行规定”出来之后，根据暂行规定执行，本文暂未调研“暂行规定”之后中南院设计的详细计算成果。

表3 中南院典型电站蜗壳设计压力调研结果

3 国外厂商设计调研

我国在和外国厂商的交流中，外国厂商主要是日本的厂商和法国ALSTOM提供了一些设计经验，本报告对调研数据进行了相应的计算分析，见表4。“暂行规定”制定期间部分数值来源于这次的经验交流。

表4 国外厂商蜗壳压力设计裕度值调研表

备注：压力上升率按照前期标准按30%进行计算。

从表4可以看出，关于蜗壳压力设计裕度值，按照前期标准允许的30%压力上升率进行计算，东芝公司考虑的压力脉动和裕度（等同于暂行规定的计算误差）为8.5%甩前净水头；ALSTOM公司考虑压力脉动和裕度为8.8%甩前净水头。

日立公司按照第一峰考虑为3.26%净水头，按照第二峰考虑为3%～12%甩前净水头；三菱公司按照第一峰考虑为5%甩前净水头，按照第二峰考虑为11%甩前净水头。大部分蜗壳压力的峰值，实测在第一峰的概率很大。日立公司和三菱公司的做法可以理解为，假定第一峰的计算值加上第一峰的裕度值为蜗壳压力设计值1，第二峰的计算值与第二峰的裕度值相加为蜗壳压力设计值2，两者进行比较，哪个大取哪个。因此不能简单的理解为日立公司和三菱公司的裕度值加了11%左右。假设蜗壳压力设计值1大于蜗壳压力设计值2，则日立公司裕度取值为3.26%，三菱公司裕度取值为5%。

水规总院“暂行规定”蜗壳压力的裕度范围为甩前净水头的8%～10%，东芝公司为8.5%，ALSTOM公司为8.8%，日立公司为3.26%，三菱公司为5%。实际我国目前在建的典型抽蓄电站蜗壳压力设计裕度绩溪为10%，丰宁为10.8%，敦化为12.7%，蜗壳压力计算取值裕度比水规总院的规定大，也比国外厂商的大。

4 新源公司系统抽水蓄能电站蜗壳设计压力调研

新源系统内抽水蓄能电站蜗壳压力设计调研情况见表5。

表5 新源系统内抽水蓄能电站蜗壳压力设计调研表

分析表5可知，电站蜗壳压力合同值与静水头的比值后期基本达到40%及以上，前期在35%以下，在建抽水蓄能电站蜗壳设计压力较前期抽水蓄能电站蜗壳设计压力有明显提高。

5 蜗壳压力设计提高原因研究

5.1 蜗壳压力实测值与计算值偏差大

根据多家抽水蓄能电站甩负荷过渡过程的测试经验，现场甩负荷试验蜗壳压力实测数据压力脉动都比较大，有的电站蜗壳压力脉动振幅超过100mH2O，单侧压力脉动幅度超过50mH2O，导致蜗壳实测压力与甩负荷工况蜗壳计算压力相差较大，这是蜗壳设计压力提高的技术因素。某电站单机甩负荷和双机甩负荷试验实测数据、计算数据和根据水规总院暂行规定的修正比较结果见表6。

表6 抽水蓄能电站甩负荷蜗壳压力实测值、计算值和修正值比较表