低周切泵對桐柏公司水輪發(fā)電機的影響

孫遜

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

低周切泵對桐柏公司水輪發(fā)電機的影響

孫遜

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

由于抽水蓄能電站具有機組啟動停機頻繁、一機多用、運行工況變換多等特點。在復雜多變的運行工況所引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統(tǒng)中能量的不平衡，將引起輸水系統(tǒng)內水壓力及機組轉速的劇烈變化，產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機組轉速急劇加快等現(xiàn)象，危及電站的安全運行，影響機組的壽命?？紤]到系統(tǒng)頻率下降過快，在必要時候桐柏電站將實行低周切泵。因此，本文對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及危險工況進行預測，分析低周切泵對水輪發(fā)電機組的各種影響，并最大程度減少低周切泵對機組壽命的影響。

抽水蓄能機組；低周切泵；運行工況

1 引言

華東桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣棲霞鄉(xiāng)百丈村，距天臺縣城7 km，與杭州、寧波直線距離分別為150 km、94 km。電站裝機容量為1 200 MW，安裝4臺單機容量為300 MW的立軸混流可逆式單級水泵水輪機和發(fā)電電動機組。本電站供電范圍為華東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。電站建成后，以二回500 kV出線接入華東電網(wǎng)。電站日發(fā)電量600萬kW·h，年發(fā)電量21.18億kW·h，日抽水用電量797萬kW·h，年抽水用電量28.13億kW·h。

表1.柏電站運行特征工況參數(shù)

電站運行特征工況是指：在這些運行工況下，如果發(fā)生機組發(fā)電增、棄荷或抽水失電等大波動過程，則可能出現(xiàn)輸水道內水壓力、機組轉速、調壓室水位等參數(shù)的最大、最小控制值。即電站運行特征工況是可能發(fā)生電站大波動過渡過程控制工況的運行工況。一般來說，電站運行特征工況是由電站上、下水庫最高或最低水位、機組最大流量、最大出力（或入力）、機組最大或最小工作水頭（或揚程）等特征參數(shù)根據(jù)電站實際運行的可能性而組合構成的運行工況。本電站水泵、水輪機運行特征工況參數(shù)見表1、表2。

2 低周切泵對機組壓力變化的理論分析

抽水蓄能電站具有機組啟動停機頻繁、一機多用、運行工況變換多等特點。在復雜多變的運行工況所引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統(tǒng)中能量的不平衡，將引起輸水系統(tǒng)內水壓力及機組轉速的劇烈變化，產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機組轉速急劇加快，危及電站的安全運行，影響機組的壽命?？紤]到系統(tǒng)頻率下降過快，在必要時候桐柏電站將實行低周切泵。因此，需對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及危險工況進行預測，最大程度減少低周切泵對機組壽命的影響。

表2.泵計算工況及其說明

圖1.柏抽水蓄能電站可逆機組流量特性曲線

導葉關閉規(guī)律對引水系統(tǒng)的水錘壓強與機組轉速上升率的大小影響較大，它決定于調速系統(tǒng)特性，而且在一定范圍內是可調的，采用合理的關閉規(guī)律降低水錘壓強與限制機組轉速升高，不需要額外增加電站機組投資，是一種經(jīng)濟有效的措施，對于抽水蓄能電站優(yōu)化的關機規(guī)律應盡可能簡單，同時具有較好的魯棒性，即機組特性、水道特性相差不大時，優(yōu)化的結果變化也不大，這樣優(yōu)化的機組關閉規(guī)律可以當作一種安全儲備。由于抽水蓄能機組多為國外進口，加之可逆機組本身過流特性較常規(guī)水輪機復雜，導葉關閉規(guī)律優(yōu)化實際上存在一定的不確定性，對于分段折線關閉規(guī)律由于優(yōu)化參數(shù)較多影響尤為明顯，同時受調速系統(tǒng)本身性能影響，將來接力器行程的折點位置不可能與調保計算結果完全一致，如果折點位置偏差較大，再加上引水系統(tǒng)與機組本身存在的某些不確定的時變因素，都可能使原優(yōu)化得到的關閉規(guī)律偏離優(yōu)化目標，給電站安全運行帶來隱患。桐柏電站可逆機組流量特性曲線、力矩特性曲線見圖1、圖2.

圖2.柏抽水蓄能電站可逆機組力矩特性曲線

圖3.柏電站停機導葉關閉規(guī)律

原廠設計折線關閉規(guī)律如圖3所示，其中折點位置位于相對開度65%處，關閉斜率加大為1/8，即快關導葉至65%，然后，以斜率1/30慢關至結束，總有效關閉時間約為22.3 s，較原規(guī)律關閉時間增多了約0.3 s，低周切泵需要第一時間跳機組開關，并迅速關閉導葉和主進水閥。桐柏電站機組停機導葉關閉分三段進行，圖4中標明從31.2 s導葉開始關閉，到36.5 s導葉開度為57.5，到57.9 s導葉開度降到2.9，最后到60.8 s，導葉全關。導葉關閉整個過程約29.6 s。

圖4.葉開關過程

由于系統(tǒng)頻率下降，網(wǎng)調需要桐柏抽水機組快速停泵來恢復系統(tǒng)頻率。通過兩種策略進行切泵。第一種情況單管雙機抽水時單臺機組斷電；第二種情況單管雙機抽水時2臺機同時斷電；無論第一種情況還是第二種情況，一旦需要抽水機組斷電，立刻跳機組出口開關，并迅速關閉機組導葉和主進水閥。桐柏電站機組啟停由華東電網(wǎng)下令調配，故采取何種方式進行切泵需待網(wǎng)調下令。

國內某重點大學曾針對桐柏機組制造廠家（VATECH）的過渡過程計算工況進行了復核，詳細的復核計算結果見表3。對于抽水工況，兩家結果相當接近，產(chǎn)生差別的不同就在于對上游側球閥的過流特性的不同理解，制造廠家和某大學對于球閥的不同處理導致了二者機組轉速上升的不同，由此影響了上游側的壓力變化結果的差異。

表3.要工況大波動過渡過程計算成果(水泵斷電)

（1）蝸殼進口最大壓力比較

某大學計算得到的蝸殼進口最大壓力較廠家（VATECH）的計算結果偏大，最大超過了15 m，但所發(fā)生的控制工況均相同，計算得到的蝸殼進口最大壓力發(fā)生在補充工況TA04，為428.5 m，廠家計算得到的蝸殼進口最大壓力也發(fā)生在補充工況TA04，為413.5 m；二者相差15 m。計算差別主要由于二者的轉速變化情況不同，主要系球閥的不同處理方式引起，另外，輸水系統(tǒng)管道的劃分即計算時步的選擇對于桐柏抽水蓄能電站影響也較為顯著，桐柏電站水頭244 m，水錘類型正好介于首相水錘與極限水錘之間，相對而言，水錘波速的選擇就較為重要，其差別直接體現(xiàn)在計算步長的選取上，某大學的計算步長與廠家（VATECH）的計算步長選取與管路劃分不可能一致，由此也會產(chǎn)生計算結果上的差別；另外插值方法的不同也會導致計算結果的不同，對于抽水蓄能電站，極值點均出現(xiàn)在特性曲線的倒S型附近，該處數(shù)據(jù)連續(xù)性很差，數(shù)據(jù)處理上較小的差別，均可能帶來計算結果較大的偏差?？紤]到這三方面影響，某大學的計算結果與廠家（VATECH）的計算結果出現(xiàn)的偏差還是可以接受的。

（2）尾水管進口最小壓力比較

計算得到的尾水管進口最小壓力較廠家（VATECH）的計算結果幾乎一致，大部分差別在2～3 m之間，很大程度上是由于蝸殼進口壓力不同產(chǎn)生的，但均在可接受范圍之間，故不需評述。

廠家（VATECH）計算得到的尾水管進口最小壓力36.8 m，某大學計算得到的尾水管進口最小壓力34.6 m，均有較大的安全裕度，均發(fā)生在計算補充工況TA05。

（3）機組轉速最大上升值比較

由于球閥的不同處理方式，某大學計算得到的機組轉速最大上升值較廠家（VATECH）的計算結果略顯偏大，最大差別不到10 r/min，平均差別大約6 r/min左右，某大學與廠家（VATECH）計算得到的機組轉速最大上升值均表明：對于桐柏抽水蓄能電站最大轉速上升有可能超過45%～50%的調保要求，廠家（VATECH）計算得到的轉速最大上升值463.8 r/min，達到54.6%，某大學計算得到的轉速最大上升值470.0 r/min，考慮球閥后為465.3 r/min，達到55.1%。需說明的是二者均出現(xiàn)在導葉非正常關閉狀態(tài)（一關一拒），而實際上由于對于單元控制的接力器，導葉全拒的可能性幾乎沒有，該最大值出現(xiàn)的概率很小，故對于桐柏抽水蓄能電站最大轉速上升可以認為是滿足要求。

（4）尾水管進口最大壓力比較

尾水管進口最大壓力發(fā)生在水泵工況，某大學計算得到尾水管進口最大壓力與廠家（VATECH）的計算結果相比偏差不大，雙方平均偏差2 m左右，屬于可接受范圍之間。

某大學計算得到的尾水管進口最大壓力達到123.0 m，廠家（VATECH）計算得到尾水管進口最大壓力達到125.8 m。

（5）復核分析結論

某大學與設備生產(chǎn)廠家（VATECH）分別對桐柏輸水系統(tǒng)水力過渡過程進行了計算，所得計算結果基本一致，計算結論相符。某大學與廠家（VATECH）的蝸殼進口最大壓力的差值為15 m，相對值為3.27%，在允許誤差5%以內。其它如最大轉速上升、尾水管進口最小壓力等差別均很小，具體數(shù)據(jù)上的差異均在可接受的范圍之內。

通過表3可以看出某大學的計算結果和廠家的模型計算結果在兩機抽水全失電的各種情況下蝸殼進口壓力和尾水進口壓力均未超出設計最大值。

3 結論

從低周切泵的理論分析數(shù)據(jù)和一管雙機水泵斷電試驗來看，桐柏電站一管雙機在水泵斷電的特殊工況蝸殼進口壓力和尾水進口壓力均未超出設計最大值，低周切泵也不會影響機組的正常使用壽命。但一管雙機甩負荷屬于損害性試驗，甩負荷過程中機組整體振動、擺度都超出正常工況下機組振動、擺度值。故在一般情況下電站不首選一管雙機甩負荷來滿足低周切泵的要求。

TV743

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1672-5387（2017）09-0048-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.018

2017-06-19

孫遜（1982-），男，工程師，從事運維檢修工作。