江蘇宜興抽水蓄能電站一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)

朱冠宏

（華東宜興抽水蓄能有限公司 江蘇宜興 214205）

1 概述

水輪機(jī)組甩負(fù)荷是帶負(fù)荷的機(jī)組在運(yùn)行中突然從電網(wǎng)中脫離失去負(fù)荷的情況，是一種劇烈的大波動水力過渡過程，可能會對電廠安全造成影響。甩負(fù)荷發(fā)生以后，發(fā)電機(jī)的阻力矩在極短的時(shí)間內(nèi)下降為零，巨大的剩余能量使機(jī)組的轉(zhuǎn)速迅速升高，導(dǎo)致水輪機(jī)蝸殼的壓力升高、尾水管中的真空度加大。如果甩負(fù)荷發(fā)生后不能及時(shí)關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速將升高至飛逸狀態(tài)，超過安全裕度的高速旋轉(zhuǎn)會對發(fā)電機(jī)及軸系造成嚴(yán)重破壞。

抽水蓄能可逆式機(jī)組具有水輪機(jī)和水泵 2個(gè)工作模式，通常具有較高的水頭（揚(yáng)程），在運(yùn)行中工況調(diào)節(jié)頻繁，壓力波動比常規(guī)水輪機(jī)更大。為了承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相的作用，抽水蓄能的甩負(fù)荷狀態(tài)比常規(guī)機(jī)組頻繁。特別是電站通常采用一管多機(jī)布置方式，可能發(fā)生同一個(gè)水力單元中的機(jī)組互相影響的情況，甩負(fù)荷的情況將更加復(fù)雜，如發(fā)生相繼甩負(fù)荷或同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)會發(fā)生多機(jī)壓力波動在上下游管路互相疊加的情況。

為了保證機(jī)組的安全，發(fā)生甩負(fù)荷以后需要調(diào)速器能夠及時(shí)關(guān)閉導(dǎo)葉減少水輪機(jī)力矩，調(diào)整機(jī)組重新穩(wěn)定在空載工況下運(yùn)行。但是關(guān)閉導(dǎo)葉減少過機(jī)流量會在引水壓力管道中引起正水錘使水輪機(jī)水頭增加、在尾水涵洞中引起負(fù)水錘導(dǎo)致尾水管進(jìn)水發(fā)生流動分離，甚至“水錘”導(dǎo)致壓力管爆裂或“反水錘”導(dǎo)致抬機(jī)等危害。因此，在抽水蓄能電站和機(jī)組設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)電站輸水系統(tǒng)和水輪機(jī)的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算，合理確定甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)機(jī)和規(guī)律，并對轉(zhuǎn)速和壓力的變化過程進(jìn)行校核，以保證在安全范圍之內(nèi)。

國內(nèi)新建的抽水蓄能電站均進(jìn)行了調(diào)節(jié)保證計(jì)算，如天荒坪、宜興等電站，盡管如此，為了確保電站的運(yùn)行安全，在原型機(jī)組上開展甩負(fù)荷試驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證仍然是非常有必要的。特別是一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)難度大風(fēng)險(xiǎn)高且直接關(guān)系電站的安全運(yùn)行，近年來逐漸得到重視，試驗(yàn)的結(jié)果對于其他蓄能電站的運(yùn)行也具有較好的指導(dǎo)意義。2010年江蘇宜興抽水蓄能電站進(jìn)行了一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，本文介紹了這次試驗(yàn)的情況，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 電站參數(shù)

2.1 工程概括

江蘇宜興抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機(jī)容量1000MW，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。電站上水庫正常蓄水位 471.5m，死水位 428.6m；下水庫正常蓄水位 78.9m，死水位 57m。引水系統(tǒng)長1242.12～1153.47m，洞徑為6.0～2.4m，除上水庫進(jìn)/出水口段采用鋼筋混凝土襯砌外，其余均采用鋼板襯砌，引水岔管采用對稱Y形月牙肋鋼岔管。尾水系統(tǒng)采用兩機(jī)一洞方式布置，尾水系統(tǒng)長1840.21～1907.68m，洞徑為5.0～7.2m，其中機(jī)組尾水管下游至尾水閘門井中心線下游 28.5m段采用鋼板襯砌，其余采用鋼筋混凝土襯砌。尾水調(diào)壓室布置在尾水岔管下游，采用阻抗式帶上室結(jié)構(gòu)型式，調(diào)壓室大井直徑為10.0m。

2.2 機(jī)組參數(shù)

電站引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)的布置方式，安裝4臺250MW立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機(jī)組，電機(jī)形式為立軸、懸式、三相、50Hz、空冷、可逆式同步發(fā)電電動機(jī)，和主變壓器采用單元接線方式，500KV系統(tǒng)采用內(nèi)橋接線方式接入華東 500KV電網(wǎng)。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的參數(shù)見表 1、表 2。

表1 水泵水輪機(jī)參數(shù)

表2 電機(jī)參數(shù)

3 試驗(yàn)方法

3.1 測點(diǎn)布置和傳感器

宜興抽水蓄能一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證調(diào)節(jié)保證計(jì)算的結(jié)果、評價(jià)機(jī)組運(yùn)行是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測試的對象為連接于同一管路中的1＃、2＃機(jī)組，測試參數(shù)主要有雙機(jī)甩負(fù)荷時(shí)壓力鋼管和每臺機(jī)組蝸殼最大壓力上升值、每臺機(jī)組尾水管真空、每臺機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值等。因此，試驗(yàn)測點(diǎn)參數(shù)主要有機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度、壓力鋼管壓力、蝸殼壓力、尾水管壓力、發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）信號和有功信號等，試驗(yàn)測點(diǎn)的布置選擇見表3。

測試用的傳感器嚴(yán)格按照廠家和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝，并在試驗(yàn)開始前依據(jù)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行了校準(zhǔn)，精度均符合試驗(yàn)要求。傳感器安裝完畢后，分別啟動 1＃、2＃機(jī)組單機(jī)帶 50%負(fù)荷，檢驗(yàn)傳感器的安裝及接線是否正確，所有傳感器工作正常。

表3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置選擇

3.2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

試驗(yàn)采用甩負(fù)荷后直接停機(jī)的方法，電站機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉采用理論 40s的三段關(guān)閉規(guī)律(見圖 1)，球閥采用理論 48s直線關(guān)閉規(guī)律?，F(xiàn)場試驗(yàn)甩負(fù)荷后，機(jī)組進(jìn)入緊急停機(jī)程序，球閥和導(dǎo)葉接力器均緊急關(guān)閉。

圖1 雙機(jī)甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

3.3 試驗(yàn)過程和工況

試驗(yàn)之前設(shè)計(jì)院根據(jù)原型機(jī)組特性曲線和單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)實(shí)際采用的導(dǎo)葉啟閉規(guī)律（三段式關(guān)閉規(guī)律），針對電力部門提供的可能試驗(yàn)工況和控制工況進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。

為了確保試驗(yàn)安全，一管雙機(jī)甩負(fù)荷按照雙機(jī)甩50%、75%、100%負(fù)荷依次進(jìn)行，對應(yīng)的毛水頭分別為 365.73m、403.78m和 396.40m，初始出力分別為120.351MW、187.0MW和250.0MW。每次甩負(fù)荷試驗(yàn)后應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行對比分析，并對兩臺機(jī)組進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)安全后再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

宜興抽水蓄能電站 1、2號機(jī)組一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果見表 4～6，作為比較，調(diào)節(jié)保證計(jì)算的結(jié)果也在表中一起給出。

表4 一管雙機(jī)甩50%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

表5 一管雙機(jī)甩75%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

4.2 雙機(jī)甩100%負(fù)荷情況分析

通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以看出，雙機(jī)甩100%負(fù)荷情況下機(jī)組轉(zhuǎn)速升高幅度最大，蝸殼壓力最高，因此對電站系統(tǒng)的影響較大?，F(xiàn)場試驗(yàn)甩負(fù)荷后，機(jī)組進(jìn)入緊急停機(jī)程序，球閥和導(dǎo)葉接力器均緊急關(guān)閉，實(shí)測1、2號機(jī)組甩100%負(fù)荷導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律如圖2所示，關(guān)閉規(guī)律及時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 一管雙機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

圖2 雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)1、2號機(jī)組導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律

雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)，1、2號機(jī)組的過渡過程的曲線見圖3和圖4，由圖中可以看到：在甩負(fù)荷發(fā)生后 5s左右的時(shí)刻，壓力管、蝸殼的壓力和機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值，此后轉(zhuǎn)速逐漸下降并穩(wěn)定，壓力經(jīng)過多次波動逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)1號機(jī)組過渡過程曲線

4.3 試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)

圖4 雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)2號機(jī)組過渡過程曲線

對比雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果和合同文件指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)：（1）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率為35.62%，最大轉(zhuǎn)速為 508.6rpm滿足合同文件調(diào)節(jié)保證值（≤50%）的要求；（2）蝸殼最大壓力測試值為62.03bar，滿足合同“蝸殼進(jìn)口中心線處最大壓力值不大于63bar”的要求；（3）尾水管最大壓力9.22 bar，最小壓力2.82bar，滿足合同“尾水管進(jìn)口（轉(zhuǎn)輪出口）處最低壓力值不小于0.0bar；最大壓力值不大于 13bar”的要求。因此，電站甩負(fù)荷過渡過程的性能滿足合同要求。

5 結(jié)論

（1）調(diào)保計(jì)算所采用的數(shù)學(xué)模型、參數(shù)、邊界條件正確，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致；

（2）電站的甩負(fù)荷過渡過程滿足合同指標(biāo)的要求，電站具備在一管雙機(jī)甩100%負(fù)荷調(diào)節(jié)下可以確保安全。

宜興抽水蓄能電站一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)嚴(yán)格遵守相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行，通過詳細(xì)的計(jì)算負(fù)荷、科學(xué)合理的試驗(yàn)安排，得到了高水頭抽水蓄能電站在苛刻條件下大波動過渡過程的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效地檢驗(yàn)了系統(tǒng)的可靠性，也為相關(guān)電站進(jìn)行類似的試驗(yàn)提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 張健, 盧偉華等. 輸水系統(tǒng)布置對抽水蓄能電站相繼甩負(fù)荷水力過渡過程影響. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2008, 27(5).

2 鄭源, 張健主編. 水力機(jī)組過渡過程.北京: 北京大學(xué)出版社, 2008.

3 游光華, 劉德有, 王豐等. 天荒坪抽水蓄能電站甩負(fù)荷過渡過程實(shí)測成果仿真分析[J]. 水電能源科學(xué), 2005, 23(1).