黑麋峰抽水蓄能电站4号机组改造前后过渡过程计算与试验研究.pdf

85刘平等：黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后过渡过程计算与试验研究0引言抽水蓄能机组具有工况转换复杂、水力条件多变的特点1，运行经验表明，大多数水电站事故发生在机组过渡过程中，因而对其进行过渡过程分析研究尤为重要。抽水蓄能电站真机甩负荷试验是对抽水蓄能机组设计、制造和安装质量的关键考核性试验，也是对电站全系统调节能力、机组安全可靠性的实际检验2-5。因此，除电站运行前的过渡过程计算外，需对现场甩负荷试验实测结果进行对比分析，验证计算方法的准确性，为电站各种复杂的过渡过程计算预测提供坚实的试验依据6-7。本文将黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后现场真机甩负荷试验计算预测结果与实测录波结果进行对比分析，验证了计算的准确性，为电站及机组安全稳定运行提供技术保障，也为其他机组甩负荷试验提供技术参考。同时对比了黑麋峰 4 号机组转轮改造前后过渡过程特性，证明了黑麋峰 4号机组转轮改造的成功。1工程概述及仿真计算模型1.1工程概述黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市，设有 4 台装机容量 300MW 的机组，采用引水系统一管两机，尾水系统单管单机的布置方式8。2010 年 10 月，黑麋峰 4 号原机组完成调试并投入商运。由于 4 号原机组使用导叶非同步开启方法，导叶关闭规律采用延时关闭规律，且过渡过程特性较差，存在限负荷运行的问题。通过 4 号机组水力优化项目，对 4 号机组重新进行了转轮水力开发设计，更换了新的转轮。2020 年 12 月 14 日，黑麋峰 4 号机组改造后完成真机甩100%额定负荷试验，机组各特征参数均满足合同、相关补充协议或纪要的要求，标志着 4 号机组已具备带全负荷安全稳定运行的条件。黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前与改造后的主要参数如表 1 所示。表 1 黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后主要参数Table1Mainparametersofheimifengpowerstationbeforeandaftertherenovationoftheunit4参数单位值（转轮改造前）值（转轮改造后）单机容量MW300.0300.0额定转速 nrr/min300.0300.0发电电动机飞轮力矩 GD2t m21100011000水轮机工况转轮高压边直径 D1m5.044.873黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后过渡过程计算与试验研究刘平1，杨恒1，马艳梅2，郑建兴3，凡家异2（1湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市410213；2东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市618000；3中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市410014）摘要：针对黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后单机甩负荷试验，分别分析了 4 号机组转轮改造后甩部分负荷和额定负荷各工况的计算与实测录波数据，分析结果表明，机组各特征参数计算波动图形与实测录波图形的变化趋势基本一致，实测与计算修正后的极值吻合度较好。证明了过渡过程数学建模的准确性、计算方法的可靠性，说明机组可安全稳定度过甩负荷过渡过程。同时，分析对比了 4 号机组转轮改造前后单机甩负荷试验实测录波数据与计算结果，分析结果表明，转轮改造后甩负荷各特征参数实测极值比改造前实测极值更优；各特征参数实测录波图形毛刺比改造前更少；转轮改造后过渡过程特性优于改造前过渡过程特性。关键词：抽水蓄能；甩负荷试验；过渡过程计算中图分类号：TK734文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.04.01386水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023参数单位值（转轮改造前）值（转轮改造后）水轮机工况额定水头 Hrm295.0295.0水轮机工况额定流量 Qrm3/s118.3116.33水轮机额定出力 NrMW306.0306.01.2仿真计算模型简述黑麋峰抽水蓄能过渡过程计算采用成熟的商业计算软件，根据合同及相关会议要求，对电站输水系统管道划分为12 个管段，并建立合理的仿真计算模型。本文仅针对 4 号机组单机甩负荷进行复核计算，其他机组处于停机状态。含3 号机组和 4 号机组的 2 号水力单元计算模型简图如图 1 所示。图中 FTURB1 表示 3 号机组、FTURB2 表示 4 号机组，RESERV1 表示上游水库、RESERV2 表示下游水库，STANK1表示上游闸门井，STANK2 和 STANK3 表示下游闸门井。PIPE1 PIPE12 表示输水系统各管道。上库上游闸门井球阀关闭规律球阀系数3号球阀3号机组3号尾水管3号尾水闸门井4号尾水闸门井3号蜗壳4号球阀4号机组4号尾水管4号蜗壳导叶关闭规律导叶关闭规律下库RESERV1 PIPE1PIPE2PIPE3PIPE4FP_KDS1PIPE5_1PIPE6_1PIPE7_1PIPE8_1FP_KDVA1JSYNCHR1FTURB1FTURB2VALVE1VALVE2JSYNCHR2FP_YVA1FP_YGV1FP_YGV2FP_YAV2FP_KDVA2PROG_PDTOUT_U2OUT_U1OUTPIPE9_1PIPE10_1 PIPE11_1PIPE12_1PIPE12_2PIPE11_2PIPE10_2PIPE9_2PIPE8_2PIPE7_2PIPE6_2PIPE5_2STANK1RESERV2STANK2STANK3FPKDS2FPKDS3FPointsFPointsFPointsFPointsFPointsFPointsFPointsFPointsFPointsOutputOutputOutputProg图 1黑麋峰抽水蓄能电站 2 号水力单元过渡过程计算简图Figure 1Calculation sketch of the transition process of the 2#hydraulic unit of Heimifeng power station 2过渡过程参数保证要求黑麋峰抽水蓄能电站及其机组在各种过渡工况下，各主要特征参数按表 2 予以保证。表 2主要特征参数的调节保证要求Table2 Transientguaranteerequirementsforthemaincharacteristicparameters特征参数单位值备注蜗壳进口最大压力m WC 500.0计入压力脉动与计算误差修正后尾水管进口最大压力m WC 151.0（即 1.48MPa）计入压力脉动与计算误差修正后尾水管进口最小压力设计工况m WC0.0计入压力脉动与计算误差修正后校核工况-8.0计入压力脉动与计算误差修正后机组转速最大上升率%50.0整个输水管道顶部最小压力m WC2.0根据水电站调节保证设计导则要求，过渡过程各特征参数的计算需考虑压力脉动和计算误差的修正9。因此，真机甩负荷试验计算值与实测值的对比分析，宜为根据现场甩负荷试验时实际的上、下库水位预估计算得到的计算值经修正后的值，与现场实测数据经置信度处理后的值进行对比分析1。3水轮机导叶关闭规律3.1改造前 4 号机组水轮机导叶关闭规律黑麋峰 4 号机组改造前采用的关闭规律如图 2 所示，以导叶接力器全行程对应于相对行程 100%，该关闭规律为先延时 10s，再两段折线关闭，导叶开度拐点为 36%，第一段关闭时间斜率为 16.5s，第二段关闭时间斜率为 35.944s。有效关闭总时长为 33.5s。3.2改造后 4 号机组水轮机导叶关闭规律黑麋峰 4 号机组改造后采取的水轮机工况关闭规律为：以导叶接力器全行程对应于相对行程 100%，采用一段直线关闭规律，导叶接力器从相对行程 100%关到 0 的总时间为46s，如图 3 所示。续表87刘平等：黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后过渡过程计算与试验研究0.0020.0040.0060.0080.00100.00120.0010.0020.0030.0040.0050.0060.00接力器相对行程/%时间/s(10.00,100.00)(20.56,36.00)(33.50,0.00)图 24 号机组改造前导叶接力器行程关闭规律Figure 2Closing law of servomotor stroke before modification of unit 4 46,002040608010012020406080100接力器相对行程/%时间/s图 34 号机组改造后导叶接力器行程关闭规律Figure 3Closing law of servomotor stroke after modification of unit 44现场单机甩负荷试验计算与实测对比分析研究4.14 号机组改造后单机甩负荷试验实测与计算对比分析4.1.14 号机组改造后单机甩负荷现场试验工况黑麋峰 4 号机组改造后进行调试时，现场分别进行了单机甩 25%额定负荷、50%额定负荷、75%额定负荷及 100%额定负荷的试验。本文仅对改造后 4 号机组单机甩 75%额定负荷和 100%额定负荷试验工况进行计算与实测结果的对比分析研究。现场甩负荷工况详情如表 3 所列。表 3 4 号机组改造后单机甩负荷现场试验及反演计算工况Table3Fieldtestandinversioncalculationconditionsofsinglemachineloadrejectionafter4#machinetransformation工况上库水位/m下库水位/m负荷变化工况说明T1392.6083.631 台（75%Nr）04 号机组带 75%Nr负荷运行，突甩 75%Nr负荷，导叶正常关闭T2391.3085.001 台（100%Nr）04 号机组带 100%Nr负荷运行，突甩 100%Nr负荷，导叶正常关闭4.1.2计算极值与实测极值对比分析采用成熟的过渡过程计算软件对现场甩负荷试验工况进行计算，并按照合同要求的修正方法，结合东方电机实际经验及现场情况对机组各特征参数进行适当地修正。根据相关会议纪要要求，现场实测数据采用 97%置信度及移动平均法处理后的数据。现场甩负荷试验东方电机实测结果及计算结果对比如表 4 所示，实测极值与计算极值的差值如表 5 所示。4.1.3计算波形图与实测录波波形图对比综合 4 号机组改造后单甩 75%额定负荷以及 100%额定负荷试验工况的实测结果与计算结果的对比分析，结果表明：机组蜗壳进口压力、尾水管进口压力及转速上升率的计算波形与实测录波图形变化趋势基本相符，极值出现的时间区间基本相符；各特征参数实测极值相较于计算修正后的极值基本相同。4.24 号机组改造前后单机甩负荷试验实测与计算对比4.2.1实测极值与计算极值计算对比分析黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后现场单机甩 100%额定负荷的工况参数如表 6 所示。其蜗壳进口最大相对压力、表 44 号机组改造后单机甩负荷试验东方电机实测极值及计算极值结果对比Table4ComparisonofmeasuredextremevalueandcalculatedextremevalueresultsofDECinsinglemachineloadrejectiontestafter4#machinetransformation工况机组号机组转速上升率/%蜗壳进口最大压力/m尾水管进口最小压力/m计算值实测极值计算值修正后的值实测极值计算值修正后的值实测极值T1-4 号机组单甩 75%Nr4 号25.023.2422.3438.5433.837.516.819.1T2-4 号机组单甩 100%Nr4 号36.334.1424.5452.4454.934.114.611.988水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023表 54 号机组改造后单机甩负荷试验东方电机实测极值与计算修正后的值的差值分析Table5 AnalysisofthedifferencebetweenthemeasuredextremevalueandthecalculatedcorrectedvalueofDECinthesinglemachineloadrejectiontestafterthetransformationofthe4#machine工况蜗壳进口最大相对压力/m尾水管进口最小相对压力/m机组转速上升率差值的绝对值/%差值的绝对值差值绝对值相对于最大净水头百分比/%差值的绝对值差值绝对值相对于最大净水头百分比/%T1（甩 75%Nr）4.71.42.40.71.8T2（甩 100%Nr）2.50.82.70.82.2图 44 号机组改造后单甩 75%额定负荷，蜗壳进口压力、机组转速和尾水管进口压力实测结果与计算结果对比Figure 4Comparison of measured and calculated results of spiral case inlet pressure，unit speed and draft tube inlet pressure for single reject 75%of rated load after the modification of unit 403060901201504号尾水管进口压力实测值4号尾水管进口压力实测均值4号尾水管进口压力计算值4号蜗壳进口压力实测值4号蜗壳进口压力实测均值4号蜗壳进口压力计算值4号机组转速实测值4号机组转速实测均值4号机组转速计算值尾水管进口压力/m蜗壳进口压力/m时间/s时间/s时间/s020406080100306090120150N/Nr/%4号机组单甩75%Nr工况4号机组单甩75%Nr工况(R)4号机组单甩75%Nr工况5004504003503002500102030405060(a)机组转速(a)Unit speed(b)蜗壳进口压力(b)The inlet of spiral case pressure(c)尾水管进口压力(c)The inlet of draft tube pressure204060809070503010100尾水管进口最小相对压力及机组转速上升率的实测极值与计算极值差值的绝对值如表 7 所示。4.2.2实测录波波形图与计算波形图对比分析4 号机机组转轮改造前后时单甩 100%工况尾水管进口压力现场实测与计算对比如图 6 所示，蜗壳进口压力现场实测与计算对比如图 7 所示。由表 7 和图 6、图 7 可得：（1）4 号机组转轮改造前尾水管进口压力最小值计算与89刘平等：黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后过渡过程计算与试验研究图 54 号机组改造后单甩 100%额定负荷，蜗壳进口压力、机组转速和尾水管进口压力实测结果与计算结果对比Figure 5Comparison of measured and calculated results of spiral case inlet pressure，unit speed and draft tube inlet pressure for single reject 100%of rated load after the modification of unit 403060901201504号尾水管进口压力计算值4号蜗壳进口压力实测值4号蜗壳进口压力实测均值4号蜗壳进口压力计算值4号机组转速实测值4号机组转速实测均值4号机组转速计算值尾水管进口压力/m蜗壳进口压力/m时间/s时间/s时间/s02040608010020406080100306090120150N/Nr/%6005004003002000102030405060(a)机组转速(a)Unit speed(b)蜗壳进口压力(b)The inlet of spiral case pressure(c)尾水管进口压力(c)The inlet of draft tube pressure置信度上包络置信度下包络4号尾水管进口压力实测值4号尾水管进口压力实测均值-R4号机组单甩100%Nr工况4号机组单甩100%Nr工况4号机组单甩100%Nr工况(R)表 6转轮改造前后 4 号机组单机甩负荷工况对比Table6 Comparisonofsinglemachineloadrejectionconditionsofunit4beforeandaftertransformation工况上库水位/m下库水位/m负荷变化工况说明备注H1397.1775.081 台 04 号机组带 100%Nr负荷运行，突甩 100%Nr负荷，导叶正常关闭。4 号机组为改造前机组改造前机组现场试验工况T2391.3085.01 台 04 号机组带 100%Nr负荷运行，突甩 100%Nr负荷，导叶正常关闭。4 号机组为改造后机组改造后机组现场试验工况表 74 号机组改造前后单机甩 100%额定负荷试验实测极值与计算修正后的值的差值分析Table7 Analysisofthedifferencebetweenthemeasuredextremevalueandthecalculatedvalueofthesinglemachinerejecting100%ratedloadtestbeforeandafterthemodificationofunit4工况蜗壳进口最大相对压力/m尾水管进口最小相对压力/m机组转速上升率差值的绝对值/%差值的绝对值差值绝对值相对于水头百分比/%差值的绝对值差值绝对值相对于水头百分比/%H1（改造前甩 100%Nr）25.5 7.9 13.94.31.1 T2（改造后甩 100%Nr）2.50.82.70.92.290水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023实测的差值为 13.9m，占水头的 4.3%；转轮改造后该差值为2.7m，占水头的 0.9%。相较于转轮改造前，改造后转轮甩负荷尾水管进口压力最小值计算与实测更接近，且极值更大，具有更大的安全余量。4 号机组转轮改造前蜗壳进口压力最大值计算与实测的差值为 25.5m，占水头的 7.9%；转轮改造后该差值为 2.5m，占水头的 0.8%。相较于转轮改造前，改造后转轮甩负荷蜗壳进口压力最大值计算与实测更接近，且极值更小，具有更大的安全余量。（2）4 号机组转轮改造后尾水管进口压力实测录波图形相较于转轮改造前毛刺较少，压力脉动引起的数据波动幅度较小，能更好地反映甩负荷过程中蜗壳及尾水管进口压力的变化趋势。4 号机组转轮改造后蜗壳进口压力实测录波图形与转轮改造前相比压力脉动引起的数据波动幅度整体相差不大，但极值毛刺略少。转轮改造前后蜗壳进口压力实测结果水平相当。（3）对于过渡过程特性，黑麋峰 4 号机组改造主要针对的是甩负荷时的尾水管进口最小压力的相关问题，在 4 号机组改造前后单机甩 100%额定负荷试验中，改造后的转轮过(a)改造前(a)Before modification(b)改造后(b)After modification0306090120150尾水管进口压力/m尾水管进口压力/m时间/s时间/s2020100020406080100304050604060801004号尾水管进口压力计算值置信度上包络置信度下包络4号尾水管进口压力实测值4号尾水管进口压力实测均值-R4号尾水管进口压力实测值4号尾水管进口压力实测均值4号尾水管进口压力计算值4号机组单甩100%Nr工况(R)图 64 号机组转轮改造前后单甩 100%额定负荷工况尾水管进口压力对比Figure 6Comparison of draft tube inlet pressure under single rejecting 100%rated load condition before and after runner modification of unit 4600500400300200100102030405060(a)改造前(a)Before modification(b)改造后(b)After modification蜗壳进口压力/m时间/s时间/s600500400300200102030405060蜗壳进口压力/m4号蜗壳进口压力实测值4号蜗壳进口压力实测均值4号蜗壳进口压力计算值4号蜗壳进口压力实测值4号蜗壳进口压力实测均值4号蜗壳进口压力计算值4号机组单甩100%Nr工况4号机组单甩100%Nr工况 图 74 号机组转轮改造前后单甩 100%额定负荷工况蜗壳进口压力Figure7Comparison of spiral case inlet pressure under single rejecting 100%rated load condition before and after runner modification of unit 491刘平等：黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组改造前后过渡过程计算与试验研究渡过程特性优于改造前的转轮。5结论 本文对黑麋峰抽水蓄能电站 4 号机组转轮改造后单机甩负荷试验实测结果与计算预测结果进行了对比分析，并将 4号机组转轮改造前后单机甩负荷试验结果进行对比分析，分析结果表明：（1）各现场试验的工况下，蜗壳进口压力最大值、尾水管进口压力最小值和机组转速上升率最大值的计算波动图形变化趋势与实测录波图形变化趋势相符，极值发生时间区间相符，实测与经修正后的计算极值吻合很好。这证明了过渡过程数学建模的准确性、计算方法的可靠性，说明机组可安全稳定度过甩负荷过渡过程。（2）对比 4 号机组转轮改造前后甩负荷计算结果，结果表明转轮改造后甩负荷各特征参数实测值与计算值更为接近，改造后实测极值有更大的安全余量，且改造后实测录波图形的毛刺和数据波动幅度远小于改造前实测录波图形。这验证了黑麋峰 4 号机组改造后的转轮过渡过程特性优于改造前的转轮。此外，改造后的转轮采用导叶一段直线关闭规律，相较于改造前转轮所采用的导叶延时及两段折线关闭，关闭规律更为简单，便于实际操作，可避免分段关闭操作失灵等风险。同时，转轮改造后取消了非同步导叶及球阀参与调节，机组运行更加安全稳定10。整体来说改造后转轮比改造前转轮过渡过程特性更优，可保证电站机组安全稳定运行。参考文献1 文树洁，凡家异，陈泓宇，等.深圳抽水蓄能电站首台机甩负荷试验关键技术研究 J.水电与抽水蓄能，2018，4（1）：32-40.2 凡家异，文树洁，陈太平.深圳抽水蓄能电站双机甩负荷试验计算与实测对比分析研究 J.东方电气评论，2020，34（2）：015.3 刘平，李博，魏加富，等.黑麋峰抽水蓄能电站机组水力过渡过程仿真研究 J.水利水电技术，2019，50（S2）：111-115.4 张建，王伦其，文树洁，等.呼和浩特抽水蓄能电站过渡过程计算与实测研究 J.水电与抽水蓄能，2019，5（4）：69-77.5 凡家异，文树洁，陈太平，等.水泵水轮机四象限曲线“S”特性量化评判方法的初步研究 J.水电与抽水蓄能，2018，4（1）：57-62.6 郑建兴，刘平，曾艳梅，等.经验模态分析法在黑麋峰机组甩负荷试验中的应用 C/第 20 次中国水电设备学术讨论会，成都，2015.7 丁景焕，张建，凡家异，等.运行工况对水泵水轮机尾水管进口压力的影响 J.水电与抽水蓄能，2016，2（2）：38-41.8 魏永新.黑麋峰抽水蓄能电站简介 C/中国水力发电工程学会抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集，2005：420-422.9 国家能源局.NB/T 103422019，水电站调节保证设计导则S.北京：中国水利水电出版社，2020.10 王君，胡敏.非同步导叶在黑麋峰抽水蓄能电站的应用 J.水电站机电技术，2013，36（6）：14-16.收稿日期：2022-11-19 修回日期：2023-07-25刘平（1976），男，本科，高级工程师，主要从事抽水蓄能电站运行管理工作。杨恒（1985），男，本科，高级工程师，主要从事抽水蓄能电站运行管理工作。马艳梅（1994），女，硕士，工程师，主要从事水轮机初步设计及电站水力过渡过程研究工作。E-mail：郑建兴（1975），男，本科，正高级工程师，主要从事水力机械设计及质量管理工作。凡家异（1987），男，硕士，高级工程师，主要从事水轮机设计及电站水力过渡过程研究工作。E-mail：Calculation and Experimental Study on the Transition Process before and after the Modification of Unit 4 of Heimifeng Pumped Storage Power StationLIUPing1，YANGHeng1，MAYanmei2，ZHENGJianxing3，FANJiayi2（1StateGridXinyuanCompanyHunanHeimifengPumpedStorageCo.Ltd.，Changsha410213，China；2DongfangElectricMachineryCo.Ltd.，Deyang，618000，China；3ZhongNanEngineeringCorporationLimited，Changsha410014，China）Abstract：Inthispaper，aimingatthesinglemachineloadrejectiontestof4#unitbeforeandafterthetransformationof4#unitinHeimifengPumpedStoragePowerStation，thecalculationandmeasuredwaverecordingdataofeachworkingconditionofpartialloadrejectionandratedloadafterthetransformationof4#unitrunnerareanalyzedrespectively.Theanalysisresultsshowthatthevariationtrendofthecalculatedfluctuationgraphofeachcharacteristicparameteroftheunitisbasicallythesameasthatofthemeasuredwaverecordinggraph，andtheextremevalueofthemeasuredandcalculatedcorrectionisingoodagreement.Thisprovestheaccuracyofthemathematicalmodelingofthetransitionprocessandthereliabilityofthecalculationmethod.Itshowsthattheunitcansafelyandstablypasstheloadrejectiontransitionprocess.Atthesametime，themeasuredwaverecordingdataandcalculationresultsofthesingle-machineloadrejectiontestbeforeandafterthetransformationofthe4#unitrunnerareanalyzedandcompared.Theanalysisresultsshowthatthemeasuredextremevaluesofthecharacteristicparametersoftheloadrejectionafterthetransformationoftherunnerarebetterthanthemeasuredextremevaluesbeforethetransformation.Themeasuredrecordingpatternburrsofeachcharacteristicparameterarelessthanbeforethetransformation；thecharacteristicsofthetransitionprocessafterthetransformationoftherunnerarebetterthanthosebeforethetransformation.Keywords：pumpedstoragepowerstation；loadrejectiontest；transitionprocesscalculation