抽水蓄能电站过渡过程相关计算工况研究

江献玉，王 珏，韩 标，杜克楠，凌 超

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司十三陵蓄能电厂，北京市 102213）

近年来伴随着社会、经济的快速发展，我国抽水蓄能电站事业相应发展很快，相关设计、建设、运营经验形成了丰富积累，但其中也面临着一些新的问题和挑战，如何更好地做好抽水蓄能电站过渡过程计算就是其中之一。抽水蓄能电站水泵水轮机组需兼顾抽水、发电双向运行，过渡过程计算成为确保机组安全运行的重要前提[1]，过渡过程计算影响抽水蓄能电站机组安装高程、压力管道参数以及调压室是否设置等，但过渡过程计算工况繁多、工作量巨大、设计有效保障难度大[2]，特别是电站设计初期，合适的计算工况选择对电站设计方案的确定非常重要，任何考虑因素的偏差都会影响设计的结果。

1 研究背景

1.1 行业规定

在抽水蓄能电站设计过程中，过渡过程计算作为电站设计方案的一种重要校核方式，是不可或缺的一个环节。2013年颁布的《水电站输水发电系统过渡过程计算专题报告编制暂行规定》（以下简称《暂规》）更加明确了其重要性[3]，《暂规》第15条规定“在调节保证专题设计时，应至少采用两种不同计算软件进行对比分析，且设计单位应有独立的分析成果”。因此，在进行过渡过程计算时，必须应用不同软件反复进行复核比对，以确保设计合理可靠。

1.2 工况类型

《暂规》对过渡过程计算的工况进行了界定，它将计算工况分为设计工况和校核工况[3]。

（1）设计工况。

在电站正常运用范围内不利的水力过渡过程计算边界条件下，电站正常运用（包括开停机、增减负荷、正常工况转换以及稳定运行等状态）或正常运用时考虑一个偶发事件（设备故障、电力系统故障等）引起的过渡工况。

（2）校核工况。

在正常运用条件下，考虑两个相互独立的偶发事件引起的过渡工况。过渡过程计算过程中一般不考虑三个独立的偶发事件或设备故障叠加引起的过渡过程工况。

在进行输水系统结构设计时，承载能力极限状态持久状况的基本组合中，采用的相关参数为水力过渡过程计算设计工况成果；承载能力极限状态偶然状况偶然组合中，采用的相关参数为水力过渡过程计算校核工况成果。

1.3 计算现状

过渡过程计算，是在保证工程安全的前提条件下，以工程技术经济合理为目标，结合工程实际特点，通过对水力过渡过程模拟研究，确定输水发电系统大波动控制性参数（过渡过程计算值），评价小波动稳定性，必要时提出合理的运行限制措施[4]。调节保证工况研究时，应考虑过渡过程计算可能出现的工况，确定过渡过程计算值的控制工况。

过渡过程计算必须重视工况的选择，不同工况选择会影响过渡过程计算的控制值，进而影响电站的总体设计。在抽水蓄能电站过渡过程计算中，通过改变水位、偶发事件和功率等因素，可以找到无数种工况组合[5]，部分抽水蓄能电站的过渡过程主要工况就可以达到数十种，工况众多、控制工况选择困难等问题更加突出。

在众多工况中，相当一部分工况不会对电站安全运行造成严重影响[6]，但在一些极端小概率工况下（例如机组相继甩负荷工况等），电站过渡过程的特征值可能会远超出控制范围要求。选取不当可能会造成控制参数选择有误，或可导致强度裕度不够而发生事故[7]。如果以极端小概率工况为基础进行电站设计，电站投资可能会成倍增长，严重影响电站的经济性[8]。因此，针对过渡过程计算进行计算工况区分、研究不同工况对电站过渡过程计算结果影响是很有意义的。

2 工程调研成果

2.1 控制工况调研

对国内200～500m水头的抽水蓄能电站进行调研，搜集电站的过渡过程计算报告，并从中找出了控制参数出现的工况。对相关电站计算结果进行分析，寻找调节保证控制工况规律。调研成果见表1。

表1 调研电站控制工况表Table 1 The control conditions of pumped storage power stations Investigated

续表

2.2 影响参数调研

对国内已建、在建抽水蓄能电站开展调研，通过相关资料分析过渡过程计算可能的影响参数，参数的各种组合基本涵盖了机组的所有控制工况，在选择抽水蓄能电站调节保证工况时只需要从中选择电站控制参数出现的工况即可。通过调研发现，系统最大压力、系统最小压力，机组最大转速上升率，调压室最高、最低涌浪等设计控制参数对电站的设计方案、工程投资影响较大，在开展相关设计时要尤为注意。机组运行状态影响参数统计成果见表2。

表2 机组运行状态影响参数Table 2 Affecting parameters of unit operating status

3 控制工况分析及工况设置标准

3.1 蜗壳最大压力计算工况

蜗壳末端压力可以看作是两部分的和，一部分是由上游水位决定的静压力；另外一部分是由于机组流量变化导致的水锤压力。

从工况的角度来讲，上游水位决定了蜗壳的静压力，上游水位越高静压力越大，因此上游水位较高的工况比较可能是蜗壳压力上升最大的工况。另外，水锤压力也是蜗壳末端压力一个组成部分。简单来讲，水锤压力取决于机组流量变化率。因此，对于导叶关闭规律确定的机组，初始流量越大的电站，流量变化越快，从而水锤压力越大。

综上所述，机组蜗壳压力最大的工况一般出现在上游最高水位（或接近最高水位），同时机组流量较大的工况。比如，上游校核洪水位，机组满输出功率（或超输出功率）运行，或者上游正常蓄水位，机组满输出功率（或超输出功率）运行等。蜗壳最大压力对应工况统计见表3。

表3 蜗壳最大压力对应工况统计表Table 3 Conditions corresponding to the maximum pressure of the volute

3.2 尾水管最小压力计算工况

对于尾水管最小压力的工况，与蜗壳末端最大压力工况原理相同。一般会出现在电站下游死水位，电站满负荷运行工况。尾水管最小压力对应工况统计见表4。

3.3 机组最大转速上升计算工况

针对机组转速上升最大的工况，规律较为统一，上述所有报告中均发生在机组甩负荷，导叶拒动工况，而且一般为导叶一关一拒工况。由于水流是机组转动的动力，因此流量大的工况可能是机组转速上升最大的工况。机组最大转速对应工况统计见表5。

3.4 调压室最高涌浪水位计算工况

（1）对于上游调压室最高涌浪计算，相关规范中描述如下：上游调压室按上库正常蓄水位时，共用同一调压室的（以下简称共一调压室）全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况；按上库校核洪水位时，相应工况作校核。

表4 尾水管最小压力对应工况统计表Table 4 Conditions corresponding to the minimum pressure of draft tube

表5 机组最大转速对应工况统计表Table 5 Conditions corresponding to the maximum speed of the unit

在实践中发现，针对上游调压室，上述工况可以考虑作为调压室最高水位的设计工况和校核工况。但是上述工况并不一定是上游调压室最高涌浪发生的工况。上游调压室的最高涌浪可考虑为如下工况：上库校核洪水位，同一引水系统的所有机组启动增至额定输出功率，流入上游调压室流量最大时，所有机组甩负荷，导叶关闭。

（2）对于下游调压室最高涌浪计算，相关规范中描述如下：下游调压室按厂房下游设计洪水位时，共一调压室的全部n台机组由（n-1）台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载作为设计工况，按厂房下游校核洪水位时相应工况作校核，并复核设计洪水位时共一调压室的全部机组瞬时丢弃全负荷的第二振幅。

在常规计算中，还有两种工况也常作为下游调压室最高水位的计算校核工况：①尾水校核洪水位，同一系统的所有机组启动抽水，在流入调压室流量最大的时刻，抽水断电导叶拒动；②尾水校核洪水位，同一系统的所有机组增负荷，在调压室水位最高时刻，抽水断电导叶拒动。

3.5 调压室最低涌浪水位的计算工况

（1）调压室设计规范列举了下面的工作作为上游调压室最低涌浪水位的设计和校核工况：

上游调压室上库死水位时共一调压室的全部n台机组由（n-1）台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载，并复核上库死水位时共一调压室的全部机组瞬时丢弃全负荷时的第二振幅（水泵工况）。

在常规计算中，以下两种工况也常作为上游调压室最低水位的计算校核工况：

上库死水位，同一系统的所有机组启动抽水，在流出上游调压室流量最大的时刻，所有机组甩负荷导叶拒动；

上库死水位，同一系统的所有机组启动发电，在上游调压室水位最低的时刻，所有机组甩负荷导叶拒动。

（2）下游调压室：共一调压室的全部机组在满载及相应下游水位瞬时丢弃全部负荷。

在常规计算中，以下两种工况也常作为下游调压室最低水位的计算校核工况：

下库死水位，同一系统的所有机组启动发电，在流出下游调压室流量最大的时刻，所有机组甩负荷；

下库死水位，同一系统的所有机组启动发电，在下游调压室水位最低的时刻，所有机组甩负荷。

3.6 过渡过程计算工况标准

结合电站调研、研究与分析，针对抽水蓄能电站，建议过渡过程计算以下列工况作为重点工况：

T1：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶关闭；

T2：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶拒动；

T3：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶关闭；

T4：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶拒动；

T5：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶关闭；

T6：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系统多台机组发电，同时甩负荷，导叶拒动；

P1：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶关闭；

P2：上游校核洪水位，下游死水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶拒动；

P3：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶关闭；

P4：上游正常蓄水位，下游正常蓄水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶拒动；

P5：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶关闭；

P6：上游死水位，下游最高蓄水位，同一引水系统多台机组抽水，同时断电，导叶拒动。

4 结束语

在目前抽水蓄能电站调压室设计中，过渡过程计算已经成为核心因素，大部分电站的调压室设置过程中，过渡过程计算值成为决定调压室设置与否的决定性因素之一。因此，过渡过程计算十分重要。

（1）抽水蓄能电站过渡过程计算中，工况组合繁多，不同工况选择对计算结果影响不同，选择适应的计算工况，可以为电站安全稳定运行提供重要保障参考，又能较好地促进电站的经济性。

（2）《暂规》中引入设计工况和校核工况，可以理解为采用概率论来解决调节保证问题。其中，设计工况（考虑一个偶发事件）作为电站设计基础，对小概率发生事件（考虑两个独立的偶发事件）作为校核工况，对一些极端小概率工况（考虑三个独立的偶发事件）不做考虑。在电站实践中较好地保证了电站安全又节约了投资，该方法是可行的。

（3）在过渡过程计算过程中，很多因素会影响计算结果，而计算工况的设置是影响计算结果的重要因素。当抽水蓄能电站在过渡过程计算时设置较为严苛的工况（概率极小的工况）时，过渡过程计算值将有较大提高，这将是安全余量较为富裕，可能对电站的经济效益形成不利影响。