抽水蓄能电站过渡过程双软件反演分析

周喜军，杨 静，丁景焕，韩文福，郭 鹏，魏 欢，李东阔

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引 言

大规模可再生新能源并网已成为当前电网发展的主要趋势。但新能源发电具有出力随机、波动性大等特征，严重影响大电网的安全稳定和供电质量。抽水蓄能机组具有启停迅速和调节灵活的优点，能快速有效地跟踪、响应电网的波动负荷，是构建能源转型的现代电网必不可少的工具。

电站运行工况的转换过程称为过渡过程。抽水蓄能电站正是通过频繁的机组启停、增减负荷等工况转换过渡过程在电网中发挥重要作用。但运行经验表明，水电站机组及其附属设备的事故，大多是在过渡过程中发生的。可见，过渡过程的稳定性关系到整个电站的运行安全。与常规水电站在电网中主要承担发电任务不同，抽水蓄能电站在电网中的任务包括抽水、发电、调频、调相、事故备用等，各种运行工况下的排列组合高达20余种。且抽水蓄能机组受电站长输水系统布置、水泵水轮机全特性、狭长的转轮内部流道、甩负荷流量多峰性等多种因素影响，其过渡过程的复杂性远远高于常规水电站。设计及运行控制难度较高，稍有不当均有可能引发严重事故。

过渡过程数值计算是目前业内公认的过渡过程分析方法，通过计算可对电站水力系统的技术可行性及经济合理性进行判断[1]。许多研究单位都编制了专门的过渡过程计算程序对该问题进行研究。为保证采用不同软件进行电站过渡过程设计的可靠性，水利水电规划设计总院专门对抽水蓄能电站的过渡过程计算提出具体要求，抽水蓄能电站在电站从预可行性研究至投运的每个阶段都需要依据不少于两款过渡过程计算软件来共同开展电站过渡过程计算，确保设计安全。

通过咨询调研发现，在所有的计算软件中，SIMSEN是国内外各大机组制造厂商普遍认可且采用较多的软件，而国内的浪淘石在电站设计过程中也应用较多，因此本文的研究工作也基于SIMSEN和浪淘石两款计算软件平台开展。

为进一步提高软件计算过渡过程结果的准确性，结合现场实测数据来对比并修正过渡过程计算结果显然是从根本上提高计算准确性的有效手段。反演分析技术就是利用电站投产后现场实测结果来验证数值计算结果的一种方法[2]。反演分析一方面可为计算分析提供准确的修正量，指导提高过渡过程的设计，另一方面可对已完成的试验数据进行系统研究，增强技术管理人员的把关能力，将运行期的过渡过程事故经验有效反馈至前期设计阶段，深化对过渡过程认识的精细程度[3]。

可见，结合反演计算深入研究计算与实测运行中的差异对揭示过渡过程本质是必不可少的。本文即采用这种结合电站现场实测的过渡过程数据与SIMSEN和浪淘石两款过渡过程计算软件结果进行对比的反演分析方法，拟通过细致的反演分析研究，提高过渡过程的计算精确度，促进电站全寿命周期的过渡过程设计安全性，形成对工程应用的有效指导，确保电站安全稳定运行。

1 电站主要参数

实测电站的主要参数及机组参数见表1。

实测数据和计算数据的对比是反演分析技术的核心。本文中反演分析对比数据主要考虑三个最为重要的过渡过程控制参数，其要求如下：

（1）蜗壳进口最大压力不大于887m。

（2）最大转速上升率不大于50%。

（3）尾水管进口最小压力不小于0m。

2 反演分析方法

过渡过程现场试验中通过压力信号采集方法获得压力变化数据。压力数据中包括脉动和误差。而过渡过程计算软件均基于一维计算理论，受其限制，计算结果得到的是压力均值的变化曲线，不包含脉动压力及计算误差，二者直接进行对比不利于对结果的精细分析。因此，首先对获得的现场实测结果进行了信号分解处理。所用分解方法为经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition[4]，EMD）。

EMD方法是一种将非线性、非平稳信号分解成一系列调频调幅信号的自适应分解方法。可将压力信号分解为趋势项和脉动项，其中趋势项代表压力波动均值。如图1所示给出了甩负荷过渡过程蜗壳进口压力的实测数据分解成均值压力趋势线和脉动压力的结果，分解后获得的趋势线直接与数值计算结果进行对比，如图2所示，图中可以看出分解后的趋势线与计算结果二者波动趋势及幅值基本一致，表明用实测数据分解后的趋势线与计算结果进行对比是可行的。图1中分解后的脉动压力表明甩负荷过程中脉动压力幅值也是逐渐变化的，在接近飞逸工况时幅值最高。后期为提高计算准确性，还需对实测脉动结果进行进一步分析，以便为计算提供修正。

图1 实测蜗壳进口压力经验模态分解Figure 1 Empirical mode decomposition of measured pressure at spiral casing inlet

图2 实测数据分解后的趋势项与计算结果的比较Figure 2 Comparison between the trend term of the measured data and the calculated results

3 电站反演分析实例

3.1 计算模型及工况

过渡过程计算采用的SIMSEN[5]过渡过程软件是由瑞士联邦理工大学开发，被国内外多个制造厂如福伊特、东电及多所高校采用的过渡过程计算软件。武汉大学开发的浪淘石软件也已被国内数十个电站采用，采用这两个具有代表性的计算软件开展反演分析验证，反映过渡过程计算中的共性问题更有说服力。

基于这两个计算软件平台，所建立的电站水力系统模型如图3及图4所示，模型包括上游水库、引水管路、机组、上下游调压室、闸门井、尾水管路，下游水库等元件的水力系统。计算采用的导叶关闭规律如图5所示，水泵断电工况采用的导叶关闭规律与水轮机工况导叶关闭规律相同。

因沥青公路易受雨水侵蚀，所以需积极加强对其防护，在铺设完成之后，施工技术人员需反复用沥青及时地在公路两侧进行涂刷，想要达到较好的防雨效果，一般需涂刷3遍以上，不然容易造成塌陷的发生。施工技术人员为了保证公路排水性能，需建造防水性能非常好的盲沟，按照实际情况进行，可对其起到很好的防护作用。不仅如此，为了防止公路路面受到雨水对其侵蚀，进一步提升防水性能，可在公路两旁种植植物。

图3 SIMSEN数值仿真计算模型Figure 3 SIMSEN calculation model

图4 浪淘石数值仿真计算模型Figure 4 LANG TAOSHI calculation model

表2 反演分析计算工况Table 2 Back analysis compute conditions

分析工况选择了典型的过渡过程双机甩负荷工况及水泵断电工况，这两个工况的详细信息见表2所示。基于这两个工况的计算结果，分析机组蜗壳进口压力、尾水管进口压力及机组转速三个主要控制参数的实测值与计算值的差异。

3.2 双机甩负荷工况反演计算分析

双机甩100%负荷导叶正常关闭工况，1号和2号机组蜗壳进口最大压力、尾水管进口最小压力、机组最大转速三个控制参数计算与实测趋势线的对比结果如图6～图11所示。从图6、图7中可以看到，两款软件计算的蜗壳进口最大压力计算值均与实测值非常接近，软件计算的压力均值线与实测压力趋势线的波动趋势基本一致，三者吻合较好，偏差仅1%左右。由于2号机组水道略长，因此压力值略高。相比而言，实测结果与数值计算的蜗壳进口最大压力出现时间略微不同，且压力最大值后的波动也有一定差异。这可能是由于过渡过程计算中设置的波速与实际电站流道中波速不一致造成的压力传播差异，但该差别并不影响电站的安全性。

图5 导叶关闭规律Figure 5 Guide vane closing law

图6 双甩1号机组蜗壳进口压力对比Figure 6 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 1# unit at load-rejection

图7 双甩2号机组蜗壳进口压力对比Figure 7 Measured and calculated spiral casing inlet pressure of 2# unit at load-rejection

机组转速最大上升值计算结果与实测值如图8、 图9中所示，二者的结果也非常接近，计算的机组转速波动曲线与实测波动基本一致，尤其是在出现转速极值的第一个波形，三者基本重合，偏差在1%以内。SIMSEN软件计算中未考虑水轮机的转动惯量（不考虑计算结果偏保守，设计更安全），因此转速最大值略高，但最大转速均未超过45%。可见数值计算的转速上升极值是非常可靠的。

尾水管进口最小压力的波动波形如图10、图11所示，两款软件计算的结果是一致的，相对实测结果数值计算的尾水管最小压力值更低。考虑到甩负荷后尾水管内流动受转轮出口漩涡及脱流的影响，流场紊乱程度较高，计算值若加上尾水管内压力脉动修正量后明显会进一步降低最小压力值。因此该计算值偏低的结果在实际工程设计中更为合理。

图8 双机甩负荷1号机组转速对比Figure 8 Measured and calculated runner speed of 1# unit at load-rejection

图9 双机甩负荷2号机组转速对比Figure 9 Measured and calculated runner speed of 2# unit at load-rejection

图10 双甩1号机组尾水管进口压力对比Figure 10 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 1# unit at load-rejection

图11 双甩2号机组尾水管进口压力对比Figure 11 Measured and calculated draft tube inlet pressure of 2# unit at load-rejection

3.3 水泵断电工况反演计算分析

对水泵工况两机抽水断电、导叶正常关闭的工况也进行了反演计算及分析。对计算的蜗壳进口压力、尾水管进口压力、机组转速的计算结果进行了对比，其值如表3所示。

从表中可以看到，对于电站1号水力单元双机切泵工况，两款软件计算的蜗壳进口最大压力值比较接近，但与实测值均有3%左右的偏差，数值软件的计算值均偏高。蜗壳进口最小压力极值的计算结果中，SIMSEN软件的计算结果与实测相差不超过2m，基本可视为一致，浪淘石软件也仅存在2%左右的误差。

尾水管进口最小压力计算结果也与实测值比较接近，但数值计算值更低，设计偏安全。从尾水管进口最大压力值的比较可以看出，SIMSEN的计算结果基本与实测一致，浪淘石的计算结果相差5m左右，偏差4%。

机组转速的计算结果预见了机组在水泵断电的时候1号和2号机组均出现反转，机组反转转速最大上升值计算结果也与实测值非常接近，分别达到462.7r/min和492.9r/min，与实测结果基本一致。

表3 1号和2号机组抽水断电工况试验与计算结果分析Table 3 Measured and calculated results of two Units pumping emergency shutdown（ESD）

续表

4 计算与实测偏差原因分析

（1）数值计算结果中未考虑实际流场中的压力脉动影响是造成二者偏差的主要原因。

从图1的实测压力数据分解也可以看出，过渡过程工况压力脉动值是变化的，因此确定一个工况的合理取值存在难度。目前工程中蜗壳进口最大压力仅粗略取值为5%～7%、电站尾水管进口最小压力取值为2%～3.5%。合理的压力脉动修正量如何选取尚未有定论。

另一方面实测压力数据的准确性也需进一步确认。如目前尾水管进口压力测量通常仅在锥管一侧安置传感器。但在过渡过程紊乱的尾水管流场中，选择单一测点的脉动作为整个截面脉动的参考其准确性存疑。且传感器的安置方式也会影响测量结果的准确性。这些均为计算修正量的准确确定带来不利影响。

因此，基于实测结果对计算进行修正需要首先确保实测结果的准确性，其次通过不同工况的综合分析合理确定修正量，为计算结果的反演分析提供更有效的指导。

（2）数值计算中的参数设置也是造成二者差异的一个重要因素。

如流道不同位置波速的设置。抽水蓄能电站一般为高水头电站，最大水锤压强出现在第一相末，波速对最大压力结果存在一定的影响[6]。但真实流场的波速难以通过实测获得，计算中波速一般根据流道特性及计算人员的经验在1000～1400m/s之间取值，对计算结果带来一定的误差。

其次，水力系统中通常用当量直径代替过流断面变化的流道。如抽水蓄能电站进出水口、蜗壳、尾水管等都需要进行当量。采用不同的非均匀圆管当量直径计算方法得出的结果并不相同，影响流场计算结果[7]。

另外，调压室和闸门井阻抗孔损失系数以及流道不同部位流动损失的确定也会影响波动幅值和衰减速度、系统的稳定性等方面，合理取值也对水力过渡过程计算十分关键[8-9]。其确定方法也有待进一步研究确定。

5 结论

本文结合具有代表性的双机甩负荷过渡过程工况和抽水断电工况，介绍了基于实测数据分析数值计算结果的反演分析方法。

分析结果表明，所采用的两款数值计算软件均能反映过渡过程工况的关键控制参数变化，计算结果与实测数据的趋势线基本一致。验证了前期采用计算软件进行过渡过程预测的合理性。

分析了现场实测数据与计算参数设置可能是造成计算与实测结果之间存在偏差的主要原因。但总体而言，偏差在工程应用可接受的范围内。

后续还将通过更多电站更多工况的反演计算，系统的研究设计值、实测值与计算值的差异。提高实测结果的准确性，为过渡过程计算结果提供准确的修正，提高预测的可靠性。为更合理的进行抽水蓄能电站的过渡过程设计提供有效指导。