抽水蓄能电站一管多机组同时档压和过渡过程特性分析

抽水蓄能电站一管多机组同时档压和过渡过程特性分析

现阶段，广泛使用了一管多机套的配置方式。换言之，一根导线通过伞的形状连接多个机组。与单管连续线的配置方式相比，这在一定程度上节约了电气工程的投资成本。但在复杂的抽水蓄能电站水力过渡过程中,同一水力单元中的机组相互间影响,却给电站设计和安全运行带来新的问题。在传统的调节保证计算中,对于一管多机在大波动过渡过程中相继甩负荷分析较少。然而在近年,随着抽水蓄能电站的大量建设运行,国内外一些电站在实际运行中,发生了机组间相继甩负荷,事故造成了严重的损失和危害。因此对于这种常被忽视的相继甩负荷工况,有必要在电站设计初期加以分析。1继降水原理仿真计算抽水蓄能电站上库与厂房之间的输水主管往往长达数公里,机组在发生事故甩负荷时,蜗壳末端的水击压力主要是由上游输水主管中的流量变化产生。当共一水力单元的各机组同时甩负荷导叶关闭时,过机流量迅速减小,输水主管中的水体在惯性作用下在上游岔点和蜗壳末端产生水击压力。若各引水支管引用流量一样,则主管的惯性水体在每台机组的蜗壳端流量变化几乎一致,相应产生的水击压力差异不大。而当同一水力单元的各机组发生相继甩负荷时,先甩机组在导叶关闭作用下,过机流量迅速减小,造成机组上游侧水压升高,下游侧水压下降,使得后甩负荷机组的水头压差变大,引用流量增大。但就主输水管而言,相对于同时甩负荷,相继甩负荷时输水主管中的流量变化要缓和许多,因而当后甩机组甩负荷时,在其蜗壳端产生的水击压力往往都会减小。根据实际运行中机组相继甩负荷事故发生概率,以及考虑最不利情况,以某抽水蓄能电站一台机组延时甩负荷(该电站引水系统为一管四机,尾水系统为四机一洞)为实例仿真计算,所得极值结果见表1和图1。由以上分析和数值计算可以看出,一管多机布置的同一水力单元机组间发生相继甩负荷时,蜗壳末端最大动水压力在输水主管流量变化缓和作用下,相对同时甩负荷大幅度降低。2不同时段的降压机运行时长当共一水力单元各机组同时甩负荷时,由于导叶变化同步,机组之间的流量分配均匀,各台机组流量在相近的时间内衰减到0,此过程中机组调保参数极值一般均已发生完毕。然而,当发生相继甩负荷时,由前分析,后甩机组在先甩机组影响下,甩负荷初始的流量和水头差都比同时甩负荷时大,当流量增大到一定程度突发甩负荷时,导叶开始按相同关闭规律关闭。值得注意的是,此过程中后甩机组的过机流量虽然初始值较大,但其却用比同时甩时更短的时间衰减为0。分析原因可知后甩机组在甩负荷导叶关闭后,由于其岔管节点压力大于先甩机组的岔管节点压力,后甩机组的流量会有较大部分流向先甩的每台机组内,因而导致后甩机组的流量用了更短的时间衰减为0。根据实例模拟,结果见图2。分析以上计算结果,在同时甩负荷时,同一水力单元中的1#、2#机流量在10s左右同时衰减至0;而在1#机组延时6s甩负荷时,1#机组的初始流量较同时甩负荷时有所增大,但1#只用了大约6s时间将流量衰减为0,此过程中相邻先甩的2#机组在10s之后的反向流量明显较同时甩时减小,正是因为后甩机组前的流量流向先甩机组所致。计算还得到,当1#机组延时时间在10s内变化时,其甩负荷后流量衰减至0时间与延时甩负荷时间成反比。正是由于共一水力单元机组相继甩负荷后机组流量变化特性,而一般可逆式机组的最大转速上升需要6～10s,当后甩机组甩负荷后,其流量变化时间缩短,相应机组的最大转速可能会超过同时甩,也可能在小于同时甩时的结果。数值模拟计算见表2和图3。由上计算看出,相继甩负荷后,先甩机组的最大转速上升率较同时甩时小,且在不同的延时时间下,相差不大;后甩机组的最大转速上升率随着延时时间呈现先增后降的规律,原因以上已经分析,在相继甩负荷后,后甩机组的流量衰减时间较同时甩负荷时有所缩短,当这段时间足够给机组升速时,最大转速则会超过同时甩负荷时的结果,反之则会小于同时甩负荷的最大转速上升率。3不同减最大变化率时的结果分析传统的调保计算得到的尾水管进口最小压力控制工况一般是在上库最高水位,下库发电死水位,同一水力单元满出力运行的机组同时发生甩负荷,导叶正常关闭或者导叶拒动。大多数没有考虑机组之间相继甩负荷,或者考虑的相继甩负荷组合时间不够危险,算得的结果没有考察到最不利的情况。文献中提到同一水力单元中,在先甩机组流量达到0时,由于后甩机组流量已增到最大,产生的流速梯度最大,可导致后甩机组的尾水管进口最小压力出现控制值。然而根据本文实例计算分析发现,后甩机组最不利时间点并非在先甩机组流量达到0时的10s。加以分析,后甩机组的尾水管进口最小压力一定是在机组过机流量衰减变化率最剧烈时产生,而后甩机组的过机流量最大变化率并非一定是在甩负荷初始的最大流量附近。后甩机组的流量衰减最大变化率究竟在后甩机组延时多久,以及甩负荷后多久发生,需要对具体电站进行敏感性计算分析。根据本例,数值计算结果见表3和图4。由表3计算结果可以看出,在相继甩负荷后,同一水力单元中先甩机组的尾水管进口最小相对压力与同时甩负荷时相比变动不大,都有较大的安全裕量。但是对于后甩机组而言,其尾水管进口最小相对压力在后甩机组延时4s、6s、8s时都不符合调保规范要求。图5是在同时甩负荷和4种相继甩负荷情况下,后甩机组1#的流量变化过程对比。由此图可以看出,在同时甩负荷时,1#流量衰减至0的时间大约是10s;延时4s甩负荷后,1#流量衰减至0时间约为7.2s;延时6s甩负荷后,1#流量衰减至0时间约为6s;延时8s甩负荷后,1#流量衰减至0时间约为5.1s;延时10s甩负荷后,1#流量衰减至0时间约为5s。由表3尾水管进口最小压强发生时间可以看到,1#机无论在同时甩还是在相继甩时后甩,其尾水管最小压力发生时间均在机组过机流量接近0的时刻。由图5还可看到,随着后甩1#机的延时时间变长,其初始流量越来越大,但其甩负荷后流量衰减至0时间却越来越短,后甩1#机整体流量变化率Q末−Q初t末−t初Q末-Q初t末-t初是越来越大,粗略分析易认为尾水管进口压力应越来越小。但实际上尾水管压力却是先减小后增大,与甩负荷后整体流量变化率相关性不大。为了较精确的反应5种情况下机组流量变化率随时间的变化过程,先对上述流量与时间关系线进行了曲线拟合,选用6阶多项式函数进行数据点拟合,得到5种情况下的流量与时间关系函数表达式y=f(x)见表4。用以上流量随时间变化关系函数,对时间变量x求一次导数,从而得到流量变化率与时间的关系函数y′=g(x)。以下是同时甩负荷和相继甩负荷5种情况下的机组流量变化率与时间的关系图(见图6)。图6可见,在延时6s时,后甩的1#机组流量变化率绝对值在过机流量接近零时刻最大,因而导致了尾水管压力在此时刻出现一次最小值;同时还可以看出,过机流量变化率的绝对值与尾水管最小压力成反比,即流量变化率绝对值越大,尾水管进口最小压力最小。这正反应了在尾水管进口最小压力是一瞬时值,即使延时时间长的机组整体流量变化率大,其瞬时流量变化率不一定是最大,也就解释了为何本例相继甩负荷工况,后甩机组最不利时间点不是先甩机组过机流量衰减至0时的10s。4运营结果分析对抽水蓄能电站一管多机的布置方式,机组同时甩负荷和相继甩负荷分别进行了对比分析,主要结论如下:(1)同一水力单元机组在发生相继甩负荷时,由于输水主管的流量变化相对机组同时甩负荷时要缓和,因而各机组蜗壳末端动力压力极值会有所改善。(2)发生相继甩负荷时,后甩机组的流量衰减至0时间较同时甩时会缩短,且与后甩机组延时甩负荷时间成反比。(3)相继甩负荷时,后甩机组的转速最大上升率取决于后甩机组甩负荷后流量衰减至0的时间,当这段时间足够让机组升速时,转速最大上升率会超过同时甩负荷