抽水蓄能电站引水系统布置方案对水力过渡过程影响

刘 霞，雷谷峰，郑建兴

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

1 概述

平江抽水蓄能电站上水库位于福寿山福寿林场的大福坪，下水库位于福寿山山脚的吉星村。上、下水库均处在汨罗江二级支流百福水上游。电站地处湖南东北部，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区，距离长沙市75 km，距平江县城39 km，地理位置优越。工程的开发任务主要是承担湖南电网的调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务。

电站总装机容量为1 400 MW，装设4台单机容量为350 MW的可逆式机组，电站引水系统、尾水系统均采用2洞4机的布置方式，引水系统采用两级斜井方案，1级斜井长度约为424 m，2级斜井长度约为433 m。水流进、出厂房的方式为正进正出。设有尾水调压室，输水系统总长约3 089 m。

平江抽水蓄能电站可研报告于2016年通过审查，可研阶段输水系统采用两级斜井的布置方案，由于1级斜井及2级斜井均为400 m级斜井，考虑到斜井长度较长，存在一定的施工难度，招标设计阶段对一竖井一斜井布置方案的可行性进行了对比分析研究，本文主要针对一竖井一斜井布置方案的过渡过程进行复核，并与两级斜井方案进行对比分析。

2 复核计算主要目的、思路与方法

2.1 一竖井一斜井方案复核思路

平江抽水蓄能电站招标设计阶段为研究输水系统一竖井一斜井布置方案的可行性，分别利用2种不同计算软件（以下简称软件W、软件H），与本电站相近水头/扬程和比转速的2个不同转轮全特性曲线（以下简称曲线X、曲线D），分别针对输水系统一竖井一斜井方案进行了控制工况过渡过程复核计算。经初步分析，引水上平段最小内水压力已成为该方案比较选择的制约性因素，因此复核计算的重点为引水上平段最小内水压力，同时关注蜗壳末端最大压力上升值、尾水管进口最小压力下降值及机组转速最大上升率等参数。

根据一竖井一斜井方案的输水系统布置，②输水系统（3号、4号机组）长度较①输水系统（1号、2号机组）长度更大，故针对3号、4号机组进行复核。

2.2 大波动过渡过程复核计算控制值

大波动过渡过程复核计算控制值如下：

（1）可研阶段蜗壳进口最大压力升高率按照30%控制(约1 001 m·H2O)；

（2）尾水管进口最小压力：

设计工况：HB≥30 m·H2O；

校核工况：HB≥16 m·H2O；

（3）输水道全线各断面最高点处的最小压力：Hsmin≥2.0 m·H2O；

（4）机组最大转速上升率：βmax≤45%。

2.3 大波动过程复核计算工况

大波动过渡过程复核计算工况包括各种水位组合下机组增负荷、机组甩负荷导叶正常关闭、机组正常启动抽水、水泵突然断电导叶正常关闭的设计工况；以及机组甩负荷一台机组导叶拒动、水泵断电一台机组导叶拒动、各种组合工况等校核工况，具体工况在此从略。

3 一竖井一斜井过渡过程复核结果及分析

两级斜井布置方案过渡过程计算极值详见表1。沿用可研阶段的关闭规律进行一竖井一斜井方案过渡过程计算，复核计算结果统计详见表2。

表1 可研阶段两级斜井计算结果表

表2 一竖井一斜井计算结果表

由表2结果，主要分析如下：

（1）上平段最小内水压力软件H（曲线D）计算结果最小，为1 017.93 m·H2O，与可研阶段两级斜井方案计算极值相差较大，一竖井一斜井方案计算极值更差，超过了计算控制值。

（2）蜗壳进口最大压力软件W（曲线D）计算结果最大，为1 042.49 m·H2O，软件H（曲线D）计算结果也超出了计算控制值，相比可研阶段两级斜井方案，一竖井一斜井方案计算极值更差。

（3）尾水管进口最小压力结果最小为33.10 m·H2O，机组最大转速上升计算结果最大为41.79%，与可研阶段两级斜井方案计算极值相差较小，不是制约因素。

4 引水上平段末端最小压力敏感性分析

4.1 软件W（曲线D）计算分析

针对一竖井一斜井方案，软件W（曲线D）计算结果蜗壳进口最大压力计算值不满足可研阶段控制值要求，同时上平段最小内水压力稍有裕量，根据工程经验，同时参考相关文献研究成果，加长导叶关闭时间，可降低蜗壳进口最大压力[1，2]，为了进一步复核软件W（曲线D）可研阶段采用的26 s关闭规律是否适合一竖井一斜井方案，同时探索上平段最小内水压力与关闭规律之间的影响关系。分别对导叶关闭规律26 s、30 s、34 s、38 s、42 s进行了敏感性分析,有研究表明，对于400 m以上水头的水电站机组，采用直线关闭规律是最简单、有效、合理方案[3]。故此处敏感性分析均采用直线关闭规律。

上平段最小内水压力及蜗壳进口最大压力计算值随着导叶关闭规律改变的趋势图见图1。由图1可以看出，随着导叶关闭时间的延长，蜗壳进口最大压力随之降低；引水上平段最小内水压力在26～34 s之间随着关闭时间的延长而增大，在34 s达到最大值，但在34 s之后，随之关闭时间的延长而减小；当关闭时间大于等于38 s时，引水上平段最小内水压力已不满足控制值要求。

图1 上平段最小压力及蜗壳进口最大压力随导叶关闭时间变化趋势图

表3 26 s关闭规律计算极值与34 s关闭规律计算极值对比表

由以上计算对比分析，可以看出，相比26 s关闭规律，采用34 s关闭规律时，引水上平段最小内水压力裕量更大，蜗壳进口最大压力更小。尾水管进口最小压力和机组最大转速上升计算结果均满足计算控制值的要求。

4.2 软件H（曲线D）计算分析

针对②输水系统（3号、4号机组）引水上平段末端最小内水压力问题，复核可研阶段40 s直线关闭规律是否适合一竖井一斜井方案，同时寻求关闭规律与上平段末端最小内水压力的关系，是否可以通过改变关闭规律寻求改善途径，采用软件H（曲线D）分别对20 s、25 s、30 s、35 s、45 s、50 s关闭规律进行了计算。蜗壳进口最大压力及引水上平段最小压力随导叶关闭时间变化趋势详见图2。

由图2可以看出，随着导叶关闭时间的延长，蜗壳进口最大压力随之降低；引水上平段最小内水压力在40 s处于最小值，可以通过改变导叶关闭规律而得到适当改善。经初步计算分析结果，采用50 s的直线关闭规律，引水上平段最小内水压力为1 020.26 m·H2O，可以满足计算控制值的要求。

图2 蜗壳进口最大压力及上平段最小压力随导叶关闭时间变化趋势图

5 结论及建议

5.1 主要结论

（1）通过对导叶关闭规律进一步优化和敏感性计算分析可以看出，如引水系统采用一竖井一斜井方案，蜗壳进口最大压力及引水上平段最小压力均可以得到有效改善，但需要更长的导叶关闭时间。

（2）基于可研阶段的机组参数及关闭规律，对引水系统一竖井一斜井方案复核结果可以看出，蜗壳进口最大压力及引水上平段最小压力较两斜井方案结果更差。因此，从改善水力过渡过程角度出发，采用两级斜井方案更有利。

5.2 有关建议

随着抽水蓄能电站应用水头的不断提高，以及电站建设条件等因素的影响，近年来在建抽水蓄能电站蜗壳及引水系统的设计压力跟以往的经验相比，大部分已突破了以往规范的要求[4]。2019年3月颁布实施的能源行业标准NB/T 10072-2018 《抽水蓄能电站设计规范》已将蜗壳进口最大压力上升率提高至40%[5]。鉴于此，后续抽水蓄能电站在进行输水系统布置时，可在工程投资、施工难度以及电站安全等方面找到更好的平衡点。