抽水蓄能电站输水系统上游调压室设置条件研究

宫 奎，王 珏，李云龙，柴建峰，杨 静

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能电站在目前智能电网的发展中拥有着不可替代的作用，由于抽水蓄能电站自身的特点，输水系统作为链接上、下水库的“通道”，其重要性不言而喻。但抽水蓄能电站输水系统普遍较长，通常设置调压室来改善输水系统的运行条件，由于历史及认知所限，涉及上游调压室设置判别的因素条件较少，在工程实践中，常常还需要综合遇到的实际情况初判、复判等加以灵活运用，部分工程项目在现初期设计时采用了调压室设置，在工程后期经论证、优化后进行了取消。对于常规水电站上游调压室设置条件，前人已做过深入研究，但对抽水蓄能电站调压室设置判据研究较少，为此结合目前抽水蓄能电站实际情况对相关设置判据进行研究是有必要的。

1 上游调压室设置条件

多年来，抽水蓄能电站上游调压室设置与否沿用的是《水电站调压室设计规范》（DL/T 5058—1996 ），在前期论证工作中，作为工程前期初设时估算使用，后被《水电站调压室设计规范》（NB/T 35021—2014）取代。在2014版规范3.2.1和3.3.1章节中，分别从电站调节保证安全性和调节稳定性两个方面对抽水蓄能电站的上游调压室设置进行了规定。现列举如下：

（1）设置上游调压室初步判别条件：按压力管道中水流惯性时间常数Tw作初步判别[1]。

[Tw]为Tw的允许值，一般取2～4s。[Tw]的取值随电站在电力系统中的作用而异[2]，当水电站作孤立运行，或机组容量在电力系统中所占的比重超过50%时，宜用小值；当比重小于10%～20%时可取大值[3]。

（2）电站运行稳定性与水流惯性时间常数Tw、机组加速时间常数Ta等密切相关，可按式（3）或者按图1“Tw-Ta与调速性能关系图”，对是否需要设置调压室进行初步判断[4]。

当不满足式（3）时，可以按照图1所示关系图进行初步判断：当处在①区可不设调压室，处在③区须设置调压室，处在②区需详细研究设置调压室的必要性。

2 实际工程调压室设置

通过对国内部分抽水蓄能电站进行调研，经收集、整理、分析，得到这些电站上游调压室设置情况统计。根据各电站相关报告、图纸等资料，分别针对不设置上游调压室、设置上游调压室情况，计算得出各电站水流惯性时间常数和机组加速时间常数[5]，计算结果见表1。其中水流惯性时间常数为未考虑调压室情况的计算值。

图1 Tw-Ta与调速性能关系图Figure 1 Relationship between Tw-Ta and speed regulation performance

同时，根据计算情况，将表1中计算的值，按照图1原则，对应放到上述三个区域中，可以得到这些电站的Tw-Ta分布图。

表1 部分抽水蓄能电站Tw、Ta及调压室设置情况Table 1 Tw、Ta and surge chamber settings of some pumped storage power stations

续表

图2 部分抽水蓄能电站Tw-Ta分布图Figure 2 Tw-Ta distribution diagram of some pumped storage power stations

根据表1和图2结果，经分析可以看出：

（1）从调节保证参数角度考虑。

按照[Tw]为Tw的允许值，一般取2～4s原则，在统计电站中不存在规范中规定的水流惯性时间超过4s、必须设置上游调压室的情况，大多数电站按照现行原则对调压室进行设置，个别电站在工程前期如可行性研究报告等中保留上游调压室的设置，多为考虑调节品质保证、地形地质影响等因素印象[6]，在后续设计及工程实践中，需经综合论证后得出推荐方案。

（2）调节品质角度分析。

从图2中可以，在进行统计、分析的19个电站中，绝大多数电站均处于调节性能良好的区域，个别电站位于比较接近较好、良好区域分界线区域。在接近分界线、调节较好的电站里，也大多设置了上游调压室。

3 从甩负荷试验、机组参数设计值等情况分析

通过抽水蓄能电站甩负荷试验，甩负荷后机组各项指标情况变化方面，可以将试验结果与调保计算成果对比分析，复核抽水蓄能电站输水系统、球阀等抗冲击能力，检验调速系统的动态调节性能，验证机组蜗壳压力上升、机组转速率等设计情况，以及与规范的吻合程度等情况，对于抽水蓄能电站的安全稳定运行具有重大意义[7]。

本文通过部分抽水蓄能电站的双机甩负荷试验实测数据和运行参数对比，用以分析上游调压室设置判据的适用情况，相关双机甩负荷试验结果以及设定的机组允许出现的极限值见表2。电站甩负荷试验蜗壳压力限定、转速上升限定值对比见图3和图4。

表2 部分抽水蓄能电站甩负荷试验参数Table 2 Load rejection test parameters of pumped storage power station

图3 甩负荷试验蜗壳压力与限定值对比Figure 3 The volute pressure of load rejection test compared with limit value

通过试验实测数据和合同中规定的极限运行参数对比，可以计算出电站甩负荷时蜗壳压力的安全裕度。安全裕度是体现电站调节保证设计水平的重要指标[7]。结合图2 部分抽水蓄能电站Tw-Ta分布图可知：

（1）对于处于或接近调节性能较好区域的抽水蓄能电站，均设置了上游调压室，相关抽水蓄能电站安全裕度相对适中。

（2）对于处于调节性能良好区域的抽水蓄能电站，设置了上游调压室。

（3）对于其余电站，均未设置上游调压室。

从上述分析中可以得出，按照调压室设计规范进行调压室设置的电站，在开展甩负荷试验时，其安全裕度是在合理范围内[8]。

图4 甩负荷试验机组转速与限定值对比Figure 4 The unit speed of the load rejection test compared with the limit value

4 结束语

（1）关于抽水蓄能电站上游调压室的设置判定问题，现行调压室设计规范已经给出了相对清晰合理的界定。上游调压室的判定条件已经沿用近三十年，经已建电站验证较为合理。

（2）通过工程实际情况与规范对比分析可以看出，现行的上游调压室设计规范基本能够满足抽水蓄能电站调节保证要求，Tw值满足要求可以作为上游调压室设置必要条件进行初判断，调节稳定性满足要求是调压室设置的制约因素，但Tw判断方法并非是构成抽水蓄能电站设置调压室与否的唯一决定性因素。

（3）部分电站在工程前期设计中，经Tw公式初判时处于2s附近时，在经工程布置、调保计算等其他工作论证后仍需设置上游调压室的工程，在甩负荷实验时安全裕度有富裕，但调节品质明显转好。

（4）在具体的工程实践中，为保障抽水蓄能电站的安全稳定运行，上游调压室的设置问题，需综合工程规划、地形地质、枢纽布置、施工、造价及运维便利等多方面考虑，结合过渡过程计算成果、模型试验等进行充分论证后谨慎实施。