非同步導(dǎo)葉在仙游抽水蓄能電站的應(yīng)用

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司 權(quán)強(qiáng) 李言龍 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建廈門抽水蓄能有限公司 孫領(lǐng)

非同步導(dǎo)葉在仙游抽水蓄能電站的應(yīng)用

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司 權(quán)強(qiáng) 李言龍 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建廈門抽水蓄能有限公司 孫領(lǐng)

可逆式水泵水輪機(jī)組S特性使得機(jī)組空載特性不穩(wěn)定并網(wǎng)困難。非同步導(dǎo)葉的投入，能有效地改善水泵水輪機(jī)S特性問題，但隨之帶來機(jī)組振動(dòng)、擺度增加。仙游抽水蓄能電站應(yīng)用水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)，獲得較優(yōu)的預(yù)開開度，非同步導(dǎo)葉的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得成功經(jīng)驗(yàn)。

水泵水輪機(jī) S特性 非同步導(dǎo)葉 模型試驗(yàn)

1973年盧森堡Vianden抽水蓄能電站10號(hào)機(jī)組發(fā)生事故之后，人們開始了對(duì)非同步導(dǎo)葉的研究，各種研究成果表明，非同步導(dǎo)葉（預(yù)開導(dǎo)葉）的投入能有效地改善低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)全特性曲線的S特性，甚至能消除S特性。近年來，國(guó)內(nèi)已建成或在建的高水頭抽水蓄能電站均在有效地利用非同步導(dǎo)葉來改善機(jī)組空載工況的穩(wěn)定性，使機(jī)組易于并網(wǎng)，如天荒坪、惠州、宜興、瑯琊山、仙游等電站，但非同步導(dǎo)葉的投入同時(shí)會(huì)使機(jī)組水力特性不穩(wěn)，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)、擺度加劇。福建仙游抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱仙游電站）采用“1管2機(jī)”布置形式，主機(jī)為東方電機(jī)廠（以下簡(jiǎn)稱東電）設(shè)計(jì)、制造，總裝機(jī)容量1200 MW，額定水頭430 m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，共20個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉。水泵水輪機(jī)的S特性使機(jī)組在低水頭、大開度下空載運(yùn)行不穩(wěn)定，難于并網(wǎng)。本文主要介紹非同步導(dǎo)葉在仙游電站應(yīng)用，以改善水泵水輪機(jī)的S特性及機(jī)組的振動(dòng)問題。

1 機(jī)組的S特性

高轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在額定轉(zhuǎn)速時(shí)起“截止水流”的作用，單位流量（Q1＇）的等開度線急劇向下彎曲，甚至向單位轉(zhuǎn)速（n1＇）小的方向彎曲，水輪機(jī)工況下水頭越低，空載工況越容易進(jìn)入S區(qū)內(nèi)，這樣在同一單位轉(zhuǎn)速下，可能存在3個(gè)單位流量（正、零、負(fù)），使機(jī)組周期波動(dòng)，空載運(yùn)行很不穩(wěn)定。根據(jù)仙游電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)，在機(jī)組水輪機(jī)工況空載開度范圍內(nèi)，機(jī)組全特性曲線雖無明顯S特性（如圖1所示），但在水頭較低時(shí)很容易進(jìn)入S區(qū)內(nèi)。

為了提高機(jī)組低水頭下的穩(wěn)定性及并網(wǎng)可靠性，改善機(jī)組的S特性，因此在水輪機(jī)設(shè)計(jì)初期就考慮在對(duì)稱的導(dǎo)葉上增加非同步裝置，研究人員做了大量的模型試驗(yàn)，本文選取三種較優(yōu)方案進(jìn)行對(duì)比，即在5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)導(dǎo)葉加裝非同步裝置，分別預(yù)開14°(如圖2所示)、16°(如圖3所示)、18°(如圖4所示)。

2 非同步導(dǎo)葉預(yù)開角度的選擇

在做以上模型試驗(yàn)時(shí)增加測(cè)量尾水管、蝸殼進(jìn)口、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前以及頂蓋的壓力脈動(dòng)，通過模型試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)比，尾水管、蝸殼進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值基本相當(dāng)，但是隨著預(yù)開導(dǎo)葉角度越大，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前及頂蓋的壓力脈動(dòng)相應(yīng)增加，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)增加約1%～2%，頂蓋壓力脈動(dòng)增加約1%～2%。

圖1 非同步不投入時(shí)，四象限特性試驗(yàn)單位流量與單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖2 非同步導(dǎo)葉5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)導(dǎo)葉預(yù)開14°時(shí)四象限特性曲線

圖3 非同步導(dǎo)葉5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)導(dǎo)葉預(yù)開16°時(shí)四象限特性曲線

圖4 非同步導(dǎo)葉5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)導(dǎo)葉預(yù)開18°時(shí)四象限特性曲線

通過模型試驗(yàn)得到的曲線對(duì)比，預(yù)開14°已能改善低水頭時(shí)S不穩(wěn)定運(yùn)行問題，考慮到模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確度以及模型與真機(jī)可能存在的差異、留有較大的安全余量，同時(shí)水輪機(jī)各部件的壓力脈動(dòng)值也在正常的范圍內(nèi)，模型試驗(yàn)決定將非同步導(dǎo)葉預(yù)開開度設(shè)計(jì)為18°。非同步導(dǎo)葉預(yù)開開度現(xiàn)在還只能通過模型試驗(yàn)去驗(yàn)證，這就存在一定的偏差及局限性，導(dǎo)致非同步導(dǎo)葉預(yù)開開度的確定存在一定的偏差。

研究表明，從非同步導(dǎo)葉在不同預(yù)開開度下水泵水輪機(jī)的特性曲線可以看出，隨著預(yù)開開度的增大，正常運(yùn)行范圍內(nèi)S特性逐漸消失，預(yù)開開度越大，改善效果越明顯。但是隨著預(yù)開開度增大，所引起轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流越不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)輪所受徑向力越大，機(jī)組的振動(dòng)及擺度越大。因此仙游電站在非同步導(dǎo)葉安裝時(shí)，在非同步導(dǎo)葉小接力器活塞桿上加裝鎖錠塊減小預(yù)開開度至10.5°，通過真機(jī)試驗(yàn)逐步確定預(yù)開開度。

3 非同步導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)及工作原理

機(jī)組在發(fā)電工況啟動(dòng)過程中，控制環(huán)帶動(dòng)所有導(dǎo)葉同步開啟，之后非同步導(dǎo)葉裝置控制4個(gè)（5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)、20號(hào)）非同步導(dǎo)葉開啟至10.5°，使機(jī)組避開S不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，易于機(jī)組空載并網(wǎng)。并網(wǎng)之后非同步導(dǎo)葉固定不動(dòng)，控制環(huán)帶動(dòng)同步導(dǎo)葉開啟至設(shè)定開度后，非同步導(dǎo)葉裝置將非同步導(dǎo)葉退出，此時(shí)20個(gè)導(dǎo)葉由控制環(huán)同步控制。

3.1 非同步導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)

仙游電站非同步導(dǎo)葉裝置有一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，非同步導(dǎo)葉裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

非同步導(dǎo)葉既能夠由控制環(huán)同步控制，也可以由非同步導(dǎo)葉小接力器控制，非同步導(dǎo)葉裝置控制時(shí)只有兩種狀態(tài)，即“投入”、“退出”，活塞桿進(jìn)入液壓缸內(nèi)為“投入”狀態(tài)，小接力器活塞桿伸出為“退出”狀態(tài)。

非同步導(dǎo)葉裝置由額定壓力為16 MPa的油壓系統(tǒng)控制，獨(dú)立于調(diào)速器油壓裝置，由2個(gè)雙線圈電磁閥控制對(duì)稱的2組非同步導(dǎo)葉投入及退出，5號(hào)及10號(hào)為一組，15號(hào)及20號(hào)為一組。

非同步導(dǎo)葉蓋板上裝有位置開關(guān)，當(dāng)非同步導(dǎo)葉動(dòng)作之后其相應(yīng)的位置開關(guān)動(dòng)作，反饋給監(jiān)控非同步導(dǎo)葉位置信號(hào)。

3.2 非同步導(dǎo)葉投入及退出條件

3.2.1 非同步導(dǎo)葉投入條件：

(1)非同步導(dǎo)葉在發(fā)電方向啟動(dòng)且水頭小于475.5m；

圖5 非同步導(dǎo)葉裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1導(dǎo)葉；2連接板；3蓋板；4導(dǎo)葉銷；5調(diào)整墊片；6非同步導(dǎo)葉小接力器；7導(dǎo)葉臂

(2)控制環(huán)控制同步導(dǎo)葉開啟之后，轉(zhuǎn)速大于50%ne；

(3)機(jī)組出口開關(guān)（GCB）不在合位（機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)沒有此條件）。

監(jiān)控系統(tǒng)判斷以上條件同時(shí)滿足時(shí)，2個(gè)電磁閥投入側(cè)線圈得電勵(lì)磁后將對(duì)稱的2組非同步導(dǎo)葉投入。

圖6 機(jī)組空載轉(zhuǎn)速曲線表

表1 機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度值

表2 機(jī)組各部位振動(dòng)值

3.2.2 非同步導(dǎo)葉退出條件：

機(jī)組出口開關(guān)（GCB）在合位且16個(gè)同步導(dǎo)葉開度大于26%（對(duì)應(yīng)角度約6.75°）時(shí)，2個(gè)電磁閥退出側(cè)線圈得電勵(lì)磁后將2組非同步導(dǎo)葉退出。

4 非同步導(dǎo)葉在真機(jī)上應(yīng)用試驗(yàn)

仙游電站在1號(hào)機(jī)調(diào)試初期，由于上庫(kù)蓄水原因?qū)е聝羲^在410m左右，水頭很低，從單位流量與單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線可以看出，此時(shí)機(jī)組很容易進(jìn)入S不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，使機(jī)組轉(zhuǎn)速無法穩(wěn)定。試驗(yàn)證明，在非同步導(dǎo)葉未投入情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至97%后無法穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在97%～101%之間波動(dòng)；當(dāng)投入非同導(dǎo)葉預(yù)開10.5°后，機(jī)組在水輪機(jī)空載時(shí)轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速（如圖6所示），機(jī)組轉(zhuǎn)速最大擺動(dòng)值為0.14%,不超過規(guī)范要求的0.3%。當(dāng)機(jī)組在低水頭時(shí)并網(wǎng)、非同步導(dǎo)葉滿足退出條件退出之后，機(jī)組所帶負(fù)荷較低在120 MW時(shí)，機(jī)組功率無法穩(wěn)定，最大波動(dòng)從60 MW～150 MW，因?yàn)樵诘拓?fù)荷下非同步導(dǎo)葉退出之后機(jī)組又重新進(jìn)入S區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)致有功功率波動(dòng)。

非同步導(dǎo)葉預(yù)開開度從19°減小至10.5°后，經(jīng)試驗(yàn)在非同步導(dǎo)葉投入機(jī)組空載時(shí)機(jī)組振動(dòng)、擺度值如表1、表2所示，各振動(dòng)、擺度值滿足要求，因此仙游電站非同步導(dǎo)葉預(yù)開開度最終確定為10.5°。

5 總結(jié)

非同步導(dǎo)葉在仙游電站國(guó)產(chǎn)化機(jī)組上的成功應(yīng)用，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)在建抽水蓄能電站提供借鑒及參考。通過模型試驗(yàn)對(duì)比選擇非同步導(dǎo)葉的預(yù)開角度后，既能使S區(qū)偏離出機(jī)組正常運(yùn)行范圍，又能保證機(jī)組有良好的振動(dòng)、擺度。但是，在機(jī)組并網(wǎng)非同步導(dǎo)葉退出之后，若不能選擇合理的初負(fù)荷，機(jī)組很容易重新進(jìn)入S區(qū)內(nèi)導(dǎo)致有功功率波動(dòng)較大，甚至?xí)霈F(xiàn)逆功率。目前，對(duì)機(jī)組S區(qū)的改善及影響還只能通過模型試驗(yàn)初步獲得，其理論規(guī)律還待進(jìn)一步研究。

[1]邵衛(wèi)云．含導(dǎo)葉不同步裝置的水泵水輪機(jī)全特性的內(nèi)特性解析[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007,26(6)：116-119．

[2]肖若富，孫卉，劉偉超，王福軍．預(yù)開導(dǎo)葉下水泵水輪機(jī)S特性及其壓力脈動(dòng)分析[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(8)：174-179．

[3]胡楠楠，董超．異步開導(dǎo)葉對(duì)蓄能機(jī)組振動(dòng)影響淺析[J]．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2011，35(6)：40-43．

[4]游光華，孔令華，劉德有．天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)“S”形特性及其對(duì)策[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006，25(6)：135-139．

[5]馬明剛．機(jī)組低水頭并網(wǎng)不成功分析及解決[J]．2002，(2)：37-39．