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抽水蓄能电站水击

2020-04-09 21:00

抽水蓄能电站有压引水系统中由于水流速度迅速改变而产生的压力骤升骤降现象。抽水蓄能电站水击计算理论、计算方法与常规水电站相同(参见水电站水击),但抽水蓄能电站水泵水轮机(参见抽水蓄能机组)与常规水电站水轮机的水力特性、电站运行工况等有很大差别,其水击具有明显特点。

水击与水力机械特性密切相关,水泵水轮机与水轮机的水力特性差别很大。例如,应用较多的可逆式水泵水轮机在水轮机制动区和反水泵区出现S形现象,即一个转速可能对应2~3个特征流量,其中一个还是负流量。因此,抽水蓄能电站水击计算时必须采用水泵水轮机的全特性曲线。而对特性曲线的数学处理也是抽水蓄能电站水击计算中的关键问题之一。

抽水蓄能电站运行方式比常规水电站复杂,相应水击计算需考虑的工况也更多。除了水轮机发电运行工况外,增加了水泵抽水运行工况,及水泵抽水、水轮机发电、调相等多种工况间的转换。

抽水蓄能电站经常在电网中担负调峰、调频、负荷跟踪和事故备用等任务,因此,对抽水蓄能机组快速反应能力及灵活性要求很高,不宜对机组运行条件限制过多。在水击计算中则要考虑工况频繁转换时出现不利工况叠加的组合工况。例如,当几台机共用上游调压室时,应计算上游高水位时几台机连续甩负荷的最不利组合工况。

抽水蓄能电站只在电力系统尖峰负荷期间满出力发电,即满负荷运行时间短,水头损失引起的电能损失相对较小。从动能经济及高水头高压管道制造工艺困难等角度考虑,通常输水管道高压管道段的管径较小,平均流速可达7~10m/s。由于流速高,水流惯性作用大,相应水击压力升高幅度较大。

水泵水轮机的水泵工况运行时,突然断电工况在抽水蓄能电站中是特殊情况,对下游调压室及机组速率上升校核有一定意义,需进行校核。

图1 卧轴三机式抽水蓄能机组剖面图(单位:cm)

1—水轮机;2—电动—发电机;3—联轴器;4—水泵

高水头抽水蓄能电站以地下式为多,经常采用一根压力引水管和尾水隧洞连接几台机组的布置方式。水流在机组前后形成环形通道,一台机组甩负荷或水泵断电时可能影响相邻机组的正常运行,相互间干扰较大。

从经济角度考虑,地下式抽水蓄能电站出现高流速、长尾水洞的情况较多,易因负压过大而造成水柱分离(压力降到水的汽化压力以下时,气体从水中分离出来的现象)。为避免出现水柱分离现象,通常要求尾水隧洞中最大真空度不大于8m水柱。为满足此要求,有可能要求机组安装高程降低。例如,日本奥美浓抽水蓄能电站尾水洞长764m,仍不设尾水调压室,而将机组安装高程深埋于尾水位以下79.5m。

活动导叶关闭时间也是影响水击的重要因素。由于水泵水轮机转轮直径较大,叶片形状特殊,其飞逸转速与额定转速之比相对较小,通常为1.4~1.6,即使延长导叶关闭时间,其转速上升率也不致过高(通常为35%~45%)。因此,水泵水轮机采用较长的导叶关闭时间,一般为30~45 s,并采用两段关闭方式,以减少压力输水系统的水击压力。

导叶关闭时间与工况转换时间相关,如电力系统对抽水蓄能机组有快速反应要求,即对工况转换时间有要求时,导叶关闭时间也不宜过长。

由于抽水蓄能机组水击计算的重要性及复杂性的影响,尚无简单的计算方法可资利用,必须采用计算机进行数值分析,并考虑水泵水轮机全特性曲线,以求得较精确的水击计算成果。

可逆式水泵水轮机在水轮机飞逸工况和反水泵工况区,由于“S特性”而产生不稳定性,在水轮机甩负荷时形成较大的压力脉动。同时考虑到模型与真机转轮特性的误差,日本通常在抽水蓄能机组计算最大水击压力时增加3%~6%的附加压力值。

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