清原抽水蓄能电站水泵工况断电过渡过程数值模拟计算研究

张怀生

(辽宁省朝阳市喀左县水利局， 辽宁 朝阳 122300)

1 工程概况

辽宁清原抽水蓄能电站位于辽宁省抚顺市清原满族自治县北三家乡境内，为当前东北地区在建的最大抽水蓄能电站，预计2021年首批机组投入运行[1]。清原抽水蓄能电站工程为Ⅰ等大(1)型工程，永久性主要建筑物级别为1级，设计洪水标准为200 a一遇，校核洪水标准为2000 a一遇[2]，电站的正常蓄水位为725.00 m，设计洪水位为726.10 m，校核洪水位为726.54 m。清原抽水蓄能电站位于抚顺市和沈阳市之间，位于辽宁省的负荷中心部位，具有十分优越的地理位置。电站建成后可以承担辽宁电网的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等任务。电站工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和地面开关站等建筑物组成[3]。清原抽水蓄能电站的总装机规模为1200 MW，设有四台300 MW机组。电站设计有两条引水主洞，电站的四台机组很据引水主洞分成没有水力联系的两个单元。电站的尾水隧洞为单机布置，且长度不同，其中4号机组最长为328.09 m，1号机组最短，为288.93 m。在机组水泵工况正运行过程中，如果供电系统由于突发情况造成供电停止，而流道中的水流没有及时切断，则机组在经过正转正流、正转逆流以及反转逆流等阶段后，最终会进入停泵飞逸状态，进而对整个机组和输水管道系统造成比较严重的安全威胁[4]。因此，本文通过数值模拟的方式对水泵工况断电过渡过程计算，以验证机组设计的有效性。

2 仿真模型的构建

2.1 仿真工具的选取

MATLAB(Matrix Laboratory)是由美国是Math Works公司推出的一款大型通用化商业数学软件，具有数值分析、绘图、控制系统仿真、图像和信号处理以及财务和金融等诸多方面的功能[5]。该软件的基本数据单位是矩阵，其指令表达十分契合数学和工程领域的常用形式，因此在解算方面相比类似软件十分简洁和快捷[6]。因此，本次研究基于该软件中的SIMULINK 仿真模块，建立清原抽水蓄能电站的仿真模型，并进行必要的仿真计算。

S-Function 为利用非图形化语言描述的一个功能模块，主要用于对特定系统进行仿真模拟，可以利用MATLAB、C 和 C++等多种语言进行编写。鉴于研究中对水轮机调节具有显著的非线性特征，难以通过现有的模块进行仿真，因此研究中采用MATLAB编写S-Function函数进行水轮机调节仿真模拟。

2.2 仿真模型的建立

要进行清原抽水蓄能电站的水力过渡过程的仿真模拟计算，首先需要利用MATLAB 软件中的 Simulink 工具箱，将数学模型转化为仿真模型。在具体的构建过程中，利用Simulink 工具箱将仿真模块按照数学模型进行有序连接，最后封装成各个部位的仿真模型[7]。将分别建立的水轮机、简单管道、分叉管道以及串联管道的Simulink 模型再进行组合连接，建立起整个机组的仿真模型[8]。

3 仿真模拟结果与分析

3.1 导水机构正常关闭仿真结果分析

3.1.1 额定工况断电过渡过程

在水轮机导叶正常关闭情况下的3#和4#机组同时断电过渡过程进行仿真模拟计算，其初始工况如表1所示，各关键节点的水压力计算结果如表2所示，3#机组的相对转速变化曲线、蜗壳进口压力波动曲线以及尾水管进口压力波动曲线分别见图1～图3。由计算结果可知，在断电之后，水泵的转速呈现出逐渐减小的趋势，并没有发生转速上升的波动现象。从压力角度来看，蜗壳进口压力呈现出先降后升的态势，尾水管进口的压力则呈现出先升后降的态势。从计算结果可知，在上述关闭条件下，由于断电后导叶迅速关闭，转速一直为负值，并没有过渡到水轮机状态，机组过渡过程的诸参数可以满足调节保证计算。

表1 初始工况参数

表2 导水机构正常关闭过渡过程计算结果 m

图1 水泵机组相对转速随时间变化图

图2 蜗壳进口压力波动图

图3 尾水管进口压力波动图

3.1.2 其他初始工况过渡过程计算结果

在断电后导叶正常关闭条件下，对上库 375.5 m，下库 102.6 m，两台机导叶全开(工况1)和上库 375.5 m，下库 64 m，两台机带额定负荷(工况2)两种初始工况进行过渡过程仿真计算，其具体参数如表3所示，仿真计算结果如表4和表5所示。由计算结果可知，从压力角度来看，蜗壳进口压力呈现出先降后升的态势，尾水管进口的压力则呈现出先升后降的态势。最大水击压力值为413.63 m，产生在工况1条件下3#和4#机组同时断电。由表4可知，尾水管的最低水位高度为42.09 m，发生在工况1条件下3#和4#机组同时断电甩额定负荷时。总之，从仿真计算结果可知，其他工况下的各项指标均可以满足调节保证计算要求。

表3 其他初始工况参数

表4 其他初始工况下蜗壳水压计算结果 m

表5 其他初始工况下尾水管水压计算结果 m

3.2 导水机构异常关闭过渡过程

在机组遭遇突然断电进行关机时，4#机组可以正常关机而3#机组拒动，对上述导水机构异常关闭过渡过程进行仿真计算，其初始工况如表1所示，仿真计算结果如表6所示。由于两机组关闭方式不同，根据仿真计算结果绘制出图4所示的两机组的相对转速变化曲线。由计算结果可知，在断电之后，水泵的转速呈现出逐渐减小的趋势，并没有发生转速上升的波动现象。但是，拒动的3#机组会进入飞逸状态，但是其转速较小，并不会超过额定转速的一半，因此不会对机组造成显著的不利影响。从压力角度来看，蜗壳进口压力呈现出先降后升的态势，在第二个波峰时达到最大值。尾水管进口的压力则呈现出先升后降的态势。其中，3#机机组蜗壳进口的最大压力值和最小压力值分别为401.52 m和 28.86 m；4#机机组蜗壳进口的最大压力值和最小压力值分别为为402.96 m和30.72 m。故最大水击压力为402.96 m，机组过渡过程的诸参数可以满足调节保证计算。

表6 导水机构非正常关闭过渡过程计算结果 m

图4 导水机构非正常关闭两机组相对转速随时间变化图

4 结 语

在抽水蓄能电站运行中，采用直线关闭规律。一旦发生突发事件造成水泵断电，失去动力作用的水流的向上流动惯性就会迅速消失，转而受到重力作用而向下流动。因此，如果关闭时间较长，机组就会由于向下水流的作用而转入水轮机工况，并对机组的安全运行造成显著的不利影响。本文的仿真计算结果显示，在导水机构正常关闭情况下，由于关闭历时较短，因此不会发生机组的反转。当导水机构异常关闭时，拒动机组会进入飞逸状态，但是其转速较小，并不会超过额定转速的一半，最大击水压力和最小击水压力也在调节保证计算允许范围内。