非同步導(dǎo)葉在仙游抽水蓄能電站的應(yīng)用

權(quán) 強(qiáng)，余 睿，孫 領(lǐng)

（1.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西 鎮(zhèn)安 711500；2.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游 351200；3.福建廈門(mén)抽水蓄能有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

非同步導(dǎo)葉在仙游抽水蓄能電站的應(yīng)用

權(quán) 強(qiáng)1，余 睿2，孫 領(lǐng)3

（1.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西 鎮(zhèn)安 711500；2.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游 351200；3.福建廈門(mén)抽水蓄能有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

可逆式水泵水輪機(jī)組具有水頭高、水頭變幅大、轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速小、轉(zhuǎn)輪扁平流道狹長(zhǎng)等特點(diǎn)，其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(wèn)題，但隨之帶來(lái)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(kāi)開(kāi)度，非同步導(dǎo)葉的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得成功經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：水泵水輪機(jī)；S特性；非同步導(dǎo)葉；模型試驗(yàn)

0 前言

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(kāi)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(kāi)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(lái)，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(lái)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1 200 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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(kāi)度范圍內(nèi)，機(jī)組全特性曲線雖無(wú)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)。

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

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(kāi)14°(如圖2所示)、16°(如圖3所示)、18°(如圖4所示)。

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(kāi)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(kāi)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(kāi)18°時(shí)四象限特性曲線

2 非同步導(dǎo)葉預(yù)開(kāi)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(guò)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(kāi)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%。

通過(guò)模型試驗(yàn)得到的曲線對(duì)比，預(yù)開(kāi)14°已能改善低水頭時(shí)S不穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)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(kāi)開(kāi)度設(shè)計(jì)為18°。非同步導(dǎo)葉預(yù)開(kāi)開(kāi)度現(xiàn)在還只能通過(guò)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(kāi)開(kāi)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(kāi)開(kāi)度下水泵水輪機(jī)的特性曲線可以看出，隨著預(yù)開(kāi)開(kāi)度的增大，正常運(yùn)行范圍內(nèi)S特性逐漸消失，預(yù)開(kāi)開(kāi)度越大，改善效果越明顯。但是隨著預(yù)開(kāi)開(kāi)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定塊減小預(yù)開(kāi)開(kāi)度至10.5°，通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)逐步確定預(yù)開(kāi)開(kāi)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(guò)程中，控制環(huán)帶動(dòng)所有導(dǎo)葉同步開(kāi)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(kāi)啟至10.5°，使機(jī)組避開(kāi)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(kāi)啟至設(shè)定開(kāi)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。

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(xiāo)；5調(diào)整墊片；6非同步導(dǎo)葉小接力器；7導(dǎo)葉臂

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(kāi)關(guān)，當(dāng)非同步導(dǎo)葉動(dòng)作之后其相應(yīng)的位置開(kāi)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

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

3）機(jī)組出口開(kāi)關(guān)（GCB）不在合位（機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)沒(méi)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。

（2）非同步導(dǎo)葉退出條件

機(jī)組出口開(kāi)關(guān)（GCB）在合位且16個(gè)同步導(dǎo)葉開(kāi)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)

圖6 機(jī)組空載轉(zhuǎn)速曲線表

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410 m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(wú)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(wú)法穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在97%～101%之間波動(dòng)；當(dāng)投入非同步導(dǎo)葉預(yù)開(kāi)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(guò)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(wú)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(kāi)開(kāi)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(kāi)開(kāi)度最終確定為10.5°。

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

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(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比選擇非同步導(dǎo)葉的預(yù)開(kāi)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(guò)模型試驗(yàn)初步獲得，其理論規(guī)律還待進(jìn)一步研究。

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1672-5387（2017）06-0004-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.002

2017-04-23

權(quán) 強(qiáng)（1989-），男，工程師，從事抽水蓄能電站機(jī)電工程建設(shè)及機(jī)電設(shè)備管理工作。