抽水蓄能电站球阀参与机组过渡过程调节研究

翟进男

摘要：随着抽水蓄能电站在我国的加快开发与建设，传统的机组过渡过程调节方式存在一定的局限性，越来越多的抽蓄电站采用了球阀参与机组过渡过程调节的运行方式。该文概述了球阀参与抽蓄机组过渡过程调节的意义，介绍了抽蓄机组过渡过程及球阀参与抽蓄电站机组过渡过程调节的国内外研究现状，指出了目前球阀参与抽蓄机组过渡过程调节研究和应用中存在的主要问题，并对未来的研究给出了建议。

关键词：抽水蓄能电站球阀过渡过程关闭策略

中图分类号：TV743文献标识码：A     文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Study on Ball Valve Participating in Unit Transient Regulation in Pumped Storage Power Station

ZHAI Jinnan

（Hebei Fengning Pumped Storage Co.， Ltd.， Chengde， Hebei Province，068350 China）

Abstract： With the rapid development and construction of pumped storage power stations in China， the traditional regulation mode of unit transition process has some limitations. More and more pumping storage power stations use ball valves to participate in the regulation of unit transition process. This paper summarizes the significance of ball valve participating in the regulation of pumping and storage unit transition process， introduces the research status of pumping and storage unit transition process and ball valve participating in pumping and storage power station unit transition process regulation at home and abroad， points out the main problems existing in the research and application of ball valve participating in pumping and storage unit transition process regulation， and gives suggestions for future research.

Key Words： Pumped storage power station; Ball valve; Transition process; Close policy

在實现“碳达峰、碳中和”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统背景下，新能源将成为电能供给增长的主体。而抽水蓄能电站运行灵活、反应快速、调节性能良好、技术成熟，对于提高电力系统调节能力和大规模可再生能源消纳水平，促进削峰填谷，提供负荷中心供电支撑、应急保障等方面具有重要作用。近期，国家电网发布的“碳达峰、碳中和”行动方案已显示：“十四五”期间，国家电网将加大抽水蓄能电站规划选点和前期工作，再安排开工建设一批项目，到2025年，国家电网经营区抽水蓄能装机容量将超过5 000万kW。大力发展抽水蓄能已势在必行。水电机组过渡过程调节保证计算是电站建设可行性研究阶段的一项重要工作内容，直接关系到电站运行的安全性和稳定性，抽水蓄能电站亦如此。目前，国内已有少量抽水蓄能电站采用球阀参与过渡过程调节的方式进行甩负荷停机，如惠州抽蓄电站、宝泉抽蓄电站、张河湾抽蓄电站和黑麋峰抽蓄电站等多家电站。对于传统的水电站安全运行理念和观点来说，球阀作为电站运行安全的重要保障设施不宜参与过渡过程调节。水规总院发布的《调节保证设计专题报告编制暂行规定》也明确指出了“进水阀不应参与水力过渡过程调节”，表明了其对于球阀参与过渡过程调节的谨慎态度。因此，面对即将来到的抽水蓄能电站规模化发展，加强球阀参与过渡过程调节的研究具有重要意义。

1 球阀参与机组过渡过程调节的意义

目前，国内大部分抽水蓄能电站机组均不采用球阀参与机组过渡过程调节，而抽蓄电站基本采用可逆式机组，机组的转速变化会对机组过流量产生较大影响，因其转轮流道狭长且直径大，故水流易形成较大的离心力，当机组设计为高水头和高扬程时，即便机组处于水轮机工况运行，也可能因水泵的离心作用而产生较大的离心力，阻止水流进入转轮，当机组转速接近飞逸转速时，该离心力迅速升高，机组不可避免地进入全特性曲线的“S”形区域，虽然此时机组导叶开度和转速变动不大，但会使机组流量剧烈变化，同时转轮前后压力将出现大幅波动，进而引起蜗壳内部较大的压力脉动。不难看出，对于抽蓄机组而言，其甩负荷工况下的水力过渡过程十分复杂，特别是在极端相继甩负荷工况下，容易发生机组转速、引水管道压力、蜗壳末端压力和尾水管进口压力等特征参数的瞬态值过大，甚至高于控制值，形成电站安全运行隐患，而传统的优化机组过渡过程调节品质方式，优化导叶关闭规律其作用十分有限。因此，寻找一种更好的控制策略以改善机组过渡过程动态调节品质有着迫切的现实需求。

2球阀参与过渡过程调节的相关研究现状

目前，国外内部分专家学者已展开了抽蓄机组过渡过程及球阀参与抽蓄电站机组过渡过程调节的相关研究，并取得了一些有益的成果。

2.1 国外研究现状

Svarstad等[1]针对抽蓄机组为满足电力市场需求而在实际运行中工况、快速频繁切换的特性，对抽蓄机组工况转换的过渡过程进行了研究，通过对两种几何不同的机组分别开展实验，分析了工况快速转变时机组和压力管道所产生的压力脉动情况。实验结果表明，机组最高的压力振幅出现在泵工况的中断模式下，在该运行过程中所产生的高振幅正是从泵工况转变到水轮机工况运行的最大问题。以往的研究中大多采用CFD分析机组在较大导叶开度时对应的不稳定工况下的水流情况，而在实际机组运行过程中，导叶往往会在机组发生过渡过程之前关闭到一个更小的角度，使得整个过程的时间延长。Stens等[2]通过比较不同导叶开度下抽蓄机组从抽水工况到发电工况的瞬态转变过程，分析了导叶开度如何影响机组的压力波动。证实了机组在工况转换前将导叶关闭到更小开度时，虽然延长导叶关闭时间，但大大减小了尾水管中的压力脉动，转轮叶片的进水边压力也有所减小，但另一方面也会造成导叶的扭矩增大。U Ješe等[3]针对水泵水轮机在抽水工况和发电工况之间的转换的水流不稳定，对可逆式机组在非设计工况运行时发生的不稳定性进行了研究，并将研究成果成功应用在了捷克的抽蓄电站机组优化中，使机组在优化后具有更广泛的运行范围。

2.2 国内研究现状

球阀参与抽蓄机组过渡过程调节的工程应用在我国出现较晚，因此早期国内并无相关方面的研究。近年来，随着抽蓄电站在国内的不断开发建设和运行，国内专家学者也开始关注到球阀参与机组过渡过程调节这一问题，并开展了一些相关的研究工作。目前，球阀参与抽蓄机组过渡过程调节的研究主要集中在导叶-球阀协联关闭策略和球阀动水关闭两个方面。导叶-球阀协联关闭策略方面，李孟瑶等[4]为提高抽水蓄能电站相继甩负荷工况的动态品质，提出了一种基于多目标算法的导叶-球阀协联关闭策略，仿真试验结果表明所提出的导叶-球阀协联关闭策略更好地协调了机组转速与管道水击压力之间的矛盾，可为相继甩负荷工况下电站的安全稳定运行提供有效的技术指导。黄伟等[5]为解决极端甩负荷工况下单纯采用优化导叶关闭规律的策略无法满足调节保证计算要求的问题，提出了一种进水球阀与导叶协同调节的过渡过程控制策略，并通过一维数值模拟评估了导叶关闭规律、水泵水轮机特性及球阀关闭规律等因素对机组转速、蜗壳及尾水管压力的影响，最后通过工程实例验证了该控制策略的有效性。郑慧娟等[6]以清远抽水蓄能电站为例，对导叶-球阀协联关闭规律进行研究，通过数值模拟分析了导叶-球阀协联关闭规律对机组过渡过程的影响，模拟了机组的整个过渡过程，验证了球阀参与机组过渡过程有利于满足调保计算要求;同时，试验结果表明了选择合适的导叶关闭规律和关闭时间的重要性。球阀动水关闭方面，于辉等[7]对抽水蓄能电站进行数值模拟，提取甩负荷过渡过程关键参数，根据仿真结果确定球阀流场边界条件;然后计算球阀流道内流场压力与速度分布;最后基于流场仿真结果建立球阀结构流固耦合模型，求解球阀瞬态过程结构强度相关参数分布。胡勇健等[8]针对不同负荷下球阀动水关闭进行试验，通过分心试验所得各项动应力值及振动位移值，验证了球阀具备动水关闭能力且不会产生有害振动，同时验证了甩全负荷这一极端工况下时球阀关闭的安全性。陈大森等[9]通过对球阀进行动水关闭试验，评价抽水蓄能电站球阀及相关设备的抗振性能和安全性，同时验证了极端工况下球阀运行的安全性和可靠性。

3存在的主要问题

目前，球阀参与机组过渡过程调节已引起业界的广泛关注，部分专家学者也进行了相关的理论研究和探索，但在实际的研究和应用过程中仍然存在一些问题亟待解决。

3.1缺乏球阀过流曲线特性研究

球阀参与机组过渡过程调节使得调节保证计算除原有计算之外，还需增加球阀的压力变化计算。而计算球阀的压力变化首先要具有球阀的过流特性曲线。目前，因国内多数电站未使用球阀参与机组过渡过程调节，造成多数生产厂家没有开展针对球阀进行特性曲线的试验。缺乏球阀过流曲线特性的研究，势必会影响到球阀参与机组过渡过程调节的有效应用。

3.2球阀本体安全性研究不足

球阀参与机组甩负荷调节，使其由机组防飞逸的后备保护措施变为主动参与机组甩负荷流量调节，造成与原球阀设计理念不一致，对球阀本体安全性提出了更高的要求;球阀参与机组甩负荷调节还使得其动水关闭的使用较常规电站要更加频繁，进一步提高了对球阀自身的技术要求;而国内抽蓄电站起步较晚，常规水电站机组大多不采用球阀作为主进水阀，故球阀本体安全性研究较少，直接影响到球阀参与机组过渡过程调节的安全使用。

3.3球阀运行状态的监测不够

球阀一旦参与机组过渡过程调节，便成为了调节保证计算中的一个重要部件，其所承受的水压相对原球阀势必大幅升高，如发生漏水或者损坏会直接影响到机组的安全稳定运行，甚至威胁到整个电站的安全，其安全运行的重要性不言而喻。而目前大多电站还未对球阀的安全运行引起足够的重视，同样缺乏对球阀及球阀室更加全面、准确和高效的监测。

4结语

抽水蓄能電站球阀参与机组过渡过程调节是一个涉及水、机、电三种时变非线性系统相互作用的异常复杂的综合过渡过程，要做到整个过程的安全稳定十分不易。未来，对于更多抽蓄电站可能采用的球阀参与机组过渡过程调节这一运行方式，建议加强以下几个方面的研究。

（1）随着国内抽蓄电站数量不断增加，各电站球阀结构不尽相同，其过流特性也相差较大，应进一步加强球阀过流曲线特性的研究，重点开展球阀在各开度下的局部损失系数研究，以满足球阀参与机组过渡过程调节要求。

（2）加强开展球阀过渡过程尤其是极端工况甩负荷情况下球阀动水关闭的受力研究，解决原有抽蓄机组球阀动水关闭过程中球阀本体所受水推力、水力对球阀活门转轴的最大作用力矩等数据依靠经验公式进行估算造成的计算精度不高等问题，有效保障球阀参与机组甩负荷调节的安全性。

（3）加强导叶-球阀协联关闭策略的研究，以寻找更优的导叶-球阀协联关闭策略，进一步改善机组过渡过程调节的动态品质。

参考文献

[1]  SVARSTAD M F， NIELSEN T K.Pressure Pulsations During a Fast Transition from   Pump to Turbine Mode of Operation in Laboratory and Field Experiment[J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2019，240（8）：082006.

[2]  STENS C， RIEDELBAUCH S.Influence of Guide Vane Opening on the Flow Phenomena in a Pump Turbine During a Fast Transition from Pump Mode to Generating Mode[J].Journal of Physics： Conference Series，2017，813（1）：012024.

[3]  JEŠE U，NOVOTNÝ V，SKOTÁK A. Development Trends in the Field of Reversible Pump-Turbines –Study of Pumping and Generating Mode off-Design Conditions[J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2019，240（8）：082009.

[4]  李孟瑤，周建中，赵路，等.抽水蓄能电站相继甩负荷工况导叶-球阀协联关闭规律优化[J].水电能源科学，2021，39（10）：172-176.

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[8]  胡勇健，李展，张晖，等.深圳抽水蓄能电厂球阀动水关闭试验研究[J].水力发电，2021，47（2）：31-33.

[9]  陈大森，李明.某抽水蓄能电站球阀动水关闭试验分析[J].人民黄河，2020，42（S2）：136-137.