黑麋峰抽水蓄能电站调相压水过程热力学分析与探讨
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第39卷增刊2 水电姑机电技术Vol.39No.S22016 年12 月Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station Dec.2016 61黑麋峰抽水蓄能电站调相压水过程热力学分析与探讨杨磊，郑建兴(中国电建集团中南勘测设汁研究院有限公司，湖南长沙410014)摘要:抽水蓄能电站在机组调相及水泵工况起动时，需要将机组转轮室内的水体压至转轮以下，使转轮在空气中 旋转。
在这过程中，由于高压气体压力的瞬间释放，往往伴随着气体温度的骤然变化，这种变化将会对系统设备造成 破坏性的影响。
分析和研究水电站机组压水供气的热力学变化过程，可以使我们在系统设计和电站运行中采取相应 措施，减小气体温度变化对于系统相关配套设备及管路可能产生的影响，以保证电站安全稳定运行。
关键词:黑麋峰;调相压水;压水气罐;温度;热力学分析中图分类号:T K730.7 文献标识码:AD O I：10.13599/ki.ll-5130.2016.S2.0191引言黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市北郊黑 麋峰风景区，电站装设4台单机容量为300 MW的单 级立轴混流可逆式机组，总装机容量1200 MW〇黑麋峰抽水蓄能电站投产运行后，在进行调相 压水的过程时，出现了压水气罐和压水供气管路结 霜的现象。
经初步判断,此现象与压水过程中管道和 设备内部流体的温度变化有关，因此对其进行热力 学分析及研究是十分必要的。
研究的结果对于了解 机组压水过程的热力学变化，探索温度对压水供气 系统设计的影响，修正系统计算方法具有重要意义。
探寻正确的计算方法，能够优化压水系统设备的选 择,不仅能消除电站机组在压水过程中的安全隐患，还能将新的设计方法和改进措施推广到类似新建或 已建电站项目，以保证电站安全稳定运行。
下面将对调相压水系统中空气温度的变化进行 计算分析与研究。
2现行规程规范的相关规定根概水力发电厂机电册规范DI/T5186-2004》第46.7规定,，JC泵水轮机调相压水fn水菜工况压水起 动用的航罐空起动，航麟力为工作压力下限值，单台酿两次压水操作的总耗气文章编号：1672-5387(2016)S2-0061-06翻航罐内允许的最赃力确定'娜伽水蓄能电站册导则DI/T5208-2005》第 9_8_3酿，“麵布翻制造餅，一酶台M l：设1个或2个S7JC储气罐。
在空气压缩机不工作和罐内为最 缸作压力的情况下,航罐的容积激应能满誠2離倾的用續求，，。
《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术 规定DL/T5066-2010》中计算公式如下：V r=——^Vd(N+a)式中：Vi---储气罐容积，m3;Pd---尾水管内的空气压力，kg£fem2表压；Pj---常工作压力下 P Sffi，kgf/cm2P,完成1次压水操作后储气罐压力，即储 气罐内允许最低压力，kgf/cm2表压；V d—转轮室和尾水管内充气容积，m3;n—多变指数，取心1.2;N^需压低水面的水泵水轮机台数；a备用的压水操作次数（a为0.5~1)。
收稿日期：2016-11-02作者简介:杨磊(1986-)，男，工程师，从事水电站水力机械工作。
62水电姑机电技求第39卷3压水供气系统计算分析3.1压水供气系统设计基本资料3.1.1电站基本参数黑麋峰抽水蓄能电站基本参数见表1。
表1电站基本参数表项 目参数正常蓄水位/m400.00上水库 死水位/m376.50调节库容OTm3842.4正常蓄水位/m103.70下水库财位/m65.00调节库容历m3843.8电站水头最大毛水头澈扬傲m335 272.83丄2电站环境自然条件⑴环境温湿度极端最高气温39.9°C极端最低气温多年平均气温多年平均相对湿度81%(2)水库水温历年最高水温333°C历年最低水温 3.8X：多年平均水温19.3X：3丄3机组及压水供气系统主要参数黑麋峰抽水蓄能电站麵主要技术参諷數。
表2机组主要技术参数表项目参数额定净水头/m295机组台数X单机容量历kW4x30水縣轮机转轮高压侧直松m5.04额定转3$/r/min300额定出力/MW306水紅况最从力刪在320水轮肛况额定流量/m3/S118.3水泵工况最大流量/m3/s106安装髙程/m15.00电站机组转轮室下压水位10.7 m,转轮室压水体积％= 32 m3。
每台机配置有2个容积12 m3、工作 压力■?0=8.0 MPa的压水气罐。
全厂设有1个容积 V p= 4 m3,工作压力巧>=8.0 MPa的平衡气罐。
3.2热力学计算与分析3_2_1概述根据黑麋峰抽水蓄能电站在调相压水运行过程 中出现的现象可以判断,在压水过程中，压水气罐中 的气体温度发生了极大的变化，但是在以往的选型计算过程中没有体现压水气罐内气体温度随压力的变化关系，故本文将先按照现行规程规范给出的公式计算压水气罐的容积，然后对压水气罐计算容积进行热力学计算与分析，再从工程热力学角度就压水气罐容积变化对压水过程中气体温度的影响进行更深入的分析和探讨。
3.2_2计算边界条件与假定由于空压机系统在实际操作和运行过程中，会受到外部环境因素的影响，因此在进行计算分析时,先作出如下假设：⑴压缩空气在整个过程中视为理想气体。
(2) 在压水过程中,压水气罐与外部环境无热量 交换。
(3) 在压水过程中，压水气罐没有空气泄露，整 个过程中系统质量守恒。
3.2_3依据的主要理论及公式在热力学过程中，绝热过程是状态变化的任何一个微元过程中系统与外界都不交换热量的过程,即过程中每一时刻系统与外界热交换量为零，当然全部过程与外界交换的热量也为零。
绝对绝热的过程难以实现，工质无法与外界完全隔热，但当实际过程进行很快，一定量的工质的换热量相对极少时可近似地看作绝热过程。
过程进行迅速，往往是非准平衡的和不可逆的，所以可逆的绝热过程是实际过程的一种近似。
因此绝热过程的研究对于研究系统实际的热交换过程是很有意义的。
可逆的绝热过程又称为定熵过程或等熵过程。
根据上面所假设的边界条件，压水气罐中气体的压水过程可近似看做为理想气体的等熵绝热过程,根据理想气体状态方程式:■P V=mJ?g r，则有：定值式中：P—压缩空气压力,Pa;V—^体体积，m3;m—气体的质量，kg;空气气体常数，287 J/(kg.K);体温度(K)，r=273+t，t^体温度；r—绝热系数,1.4。
热能公式：0=CmA：T式中：体内能的变化量；增刊2杨磊，等:黑麋峰抽水蓄能电站调相压水过程热力学分析与探讨63C—^体的比热容,J/(kg*K);m—气体的质量；A T—^体温度的变量。
3_2_4压水气罐容积初步计算首先按现行规范中给出的公式计算压水气罐的容积：Vr=———Y Vd(N+a)(Pr+l f-(P'r+l f⑴转轮室气体压力ft户尸(下库最高尾水位-转轮室下ffcdc位)x p水xg+Pa=1.03 MPaPa_标准大气压力，取1.1013 x105 Pa;P水一7jC体密度，p水=1 000 kg/m3;(2) 压水气罐正常工作压力下限值圪按8.0 MPa 考虑：(3)完成1次压水操作后压水气罐压力巧,取 比转轮室充气压力高0.3 MPa,即1.33 MPa;(4) 转轮室内充气容积V d，取32 m3;(5) 多变指数n，取fl=1.2;(6) 需压低水面的水泵水轮机台数iV=l;(7) 备用的压水操作次数《，取a=l。
麵以上麵愼出H7JC气聽容积V i=1622m3,小于电站实际配置压水气罐容积。
3.2.5热力学计算3.2.5.1压水气罐计算容积下热力学计算1) 转轮室气体压力朽,根据上面的计算结果 Rf=1.03 MPa02) 转轮室内压缩空气质量^根据现有抽水蓄能电站运行情况，转轮室内无结冰结霜等现象，考虑气体在转轮室内与周围环境的热量交换，转轮室内空气温度按当地冬季最低水温考虑td=3.8^，考虑到转轮室空气泄露，取空气利用系数=0.8,根据公式:PV= mfigr,则一次压水所需的空气质量为m,= 514.36 kg。
3) 压水前压水气罐中空气质量m〇压水前压水气罐中气体温度按环境多年平均气温考虑，取17_2^。
根据公式:PFim/^71，得：m〇=1557.98 kg4)完成第一次压水后，压水气罐中空气质量•m\= m〇-m d=l043.62 kg〇5)完成第一次压水后，压水气罐中的空气的温度J\、压力假设压气过程在瞬间完成，将压水气罐中的压 气过程视为等熵绝热过程，则有：第一次压水之后，压水气罐内所剩气体的状态 方程：P^m^T,(b)式中：凡一压水前压水气罐初始压力，f t=8.0 MPa;V一气体体积，V=16_22 m3;mi_第一次压水后剩余空气的质量；flg_空气气体常数，287 J/(kg.K);体温度(K),按多年平均气温17_2丈考虑；r—绝热系数，取r=1.4。
根据(a)、(b)两式计算出T, =247.30 K，h =247.30-273=-25.70T；；Pj= 4.57 MPa6)第二次压水后压水气罐中空气的温度r2、压力幵假设第一次压水失败后立即进行第二次压水，期间不考虑空压机启动补气的情况。
第二次压水前压水气罐中气体状态参数为：Tj= 247.30 K,P2=4.57 MPa；第二次压水后压水气罐中气体质量为：m r~md=529.27 kg;根据上面的计算方法，可以得出：T2=188.54 K,t2=188.54-273=-84.46!1C；P2=1.8 MPa3.2.5.2加大压水气罐容积后热力学计算分析根据上面的计算结果可知，在压水气罐的计算 容积下，压水过程中压水气罐内的温度下降太大，因此需要考虑加大压水气罐的容积进行试算。
黑麋峰 抽蓄电站实际配置2个容积12 m3压水气罐，总容 积V=24m3,以电站压水气罐的实际容积作为比较 值，根据3.2.5.1中的计算方法和环境温度取值情 况，对2次连续压水过程中压水气罐的温度进行计 算，结果如下：第一次压水后压水气罐内空气温度：^=-10.59^,^ =5.62 MPa第二次压水后压水气罐内空气温度：t2=-43.76°C,P2=3.5MPa3.2.5.3设置平衡气罐后热力学计算分析黑麋峰抽蓄电站中压气系统在机组压水供气总64水电姑机电技术第39卷环境温度图2压水气罐温度变化曲线图(平衡气罐容积6m 3)通过图1和图2可以总结分析出如下变化规 律：1) 在相同压水气罐容积下，二次压水后气罐内 的气体温度随着环境温度的升高而递增。
2)在相同环境温度下，二次压水后气罐内的气体温度随着压水气罐容积的增大而递增，并且在相 同的容积增量下，容积越大，温度递增幅度越小。
