清遠蓄能電站4機水泵工況同時斷電試驗分析

黃萌智，陳泓宇

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠511853）

水泵斷電試驗是檢查抽水蓄能機組在水泵工況下發(fā)生電氣故障或500 kV失電的情況下，機組的尾水管壓力、蝸殼壓力是否滿足合同要求，機組的電氣緊急停機流程是否正確，調(diào)速器、勵磁及機組輔助設(shè)備是否正確動作，是抽蓄機組水泵方向比較重要的試驗。

清遠抽水蓄能電站500 kV地面開關(guān)站目前只設(shè)置一回500 kV清花甲線，在500 kV線路跳閘的情況下，電站所有運行水泵工況機組將進入緊急停機程序，為了驗證所有機組同時抽水?dāng)嚯姇r機組相關(guān)參數(shù)滿足調(diào)節(jié)保證計算要求，確認相關(guān)控制和保護邏輯滿足設(shè)計要求，確保機組及水道安全，需要對已投運的4臺機組進行同時抽水?dāng)嚯娫囼?。在試驗過程中需要記錄導(dǎo)葉關(guān)閉速率、機組振動、擺度、溫度、壓力脈動、尾水壓力和鋼管壓力等數(shù)據(jù)。

清遠抽水蓄能電站4機水泵工況同時斷電試驗的完成不僅為電站機組實現(xiàn)全水頭、滿負荷方式運行創(chuàng)造條件、提供有力的技術(shù)支撐，而且為一洞多機布置形式提供了安全實證，試驗進一步驗證和推導(dǎo)了甩負荷工況，為抽水蓄能電站機組未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計和一洞多機選型提供了實踐依據(jù)。

1 電站概述

1.1 水力特性參數(shù)

電站上水庫正常蓄水位612.50 m，下水庫正常蓄水位137.7 m，死水位108.0 m，發(fā)電最大毛水頭為504.50 m。輸水系統(tǒng)采用1管4機方案，由引水隧洞、高壓隧洞、高壓岔管、引水支管、尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓井和尾水隧洞組成。

1.2 水泵水輪機參數(shù)

水泵水輪機型式為立軸、單級、混流、可逆式、可調(diào)導(dǎo)水機構(gòu)，額定出力326.5 MW，額定水頭470 m，水泵揚程459～504 m。額定流量52.76 m3/s，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/m，吸出高度-66 m，最大飛逸轉(zhuǎn)速小于621.5 r/m。

1.3 發(fā)電電動機參數(shù)

發(fā)電電動機型式為三相、豎軸、密閉循環(huán)空冷、可逆式同步發(fā)電電動機，單機容量（發(fā)電工況）320 MW，總裝機容量1 280 MW，發(fā)電電動機額定電壓15.75 kV，額定功率因數(shù)（發(fā)電工況）為0.9（滯后）。

1.4 試驗保證值

（1）蝸殼進口中心線處的最大壓力值（含壓力脈動和計算誤差）不大于780 m H2O；

（2）轉(zhuǎn)輪出口處最大壓力值不超過165 m H2O；

（3）整個引水系統(tǒng)內(nèi)（上游側(cè)引水管、下游側(cè)尾水管）壓力不少于12 m H2O（絕對壓力）。

2 調(diào)節(jié)保證計算

抽水蓄能電站的調(diào)保計算是為了確認諸如蝸殼最大、最小水壓，尾水管的最大、最小壓力，機組轉(zhuǎn)速上升率，調(diào)壓井涌浪水位和輸水隧洞水壓等設(shè)計參數(shù)。

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機調(diào)保計算解析用的程序是主機供應(yīng)商東芝公司獨立進行開發(fā)，并運用于水輪機，混流機、軸流機以及其他型式水輪機的調(diào)保計算專用程序。程序在不斷與原型機現(xiàn)場測試結(jié)果進行比較和驗證的情況下，得到進一步的完善，在高水頭大容量水泵水輪機、大容量混流式水輪機組的開發(fā)工作中做出了巨大的貢獻。程序的特點是蝸殼水壓上升，尾水管壓力上升等計算結(jié)果能和原型機現(xiàn)場測試結(jié)果保持充分的一致性，能真實地反映機組在抽水?dāng)嚯姇r蝸殼水壓上升，尾水管水壓上升的實際結(jié)果。計算原理如圖1所示。

圖1 水力過渡現(xiàn)象調(diào)保過程解析方法

3 試驗過程及結(jié)果分析

3.1 單機抽水?dāng)嚯娫囼炃闆r

2015年10月11日，清蓄電站1號機組進行抽水?dāng)嚯娫囼?，?dāng)時的上庫水位591.82 m、下庫水位135.79 m，毛水頭456.03 m，導(dǎo)葉接力器行程283 mm（90.4%）。

1號機試驗結(jié)果中，壓力鋼管水壓峰值5.485 MPa（約為559.7 m）出現(xiàn)在9.7 s左右，計算結(jié)果最大值為 602.6 m（約 5.905 MPa），出現(xiàn)在 8.5 s左右，與實測結(jié)果在發(fā)生時間和數(shù)值上大致趨于一致；尾水管水壓最大值計算結(jié)果約為1.27 MPa，試驗結(jié)果中，尾水管水壓最大值為1.26 MPa左右，與計算結(jié)果在數(shù)值上幾乎一致。如圖2、圖3所示。

同時通過4臺機組單機抽水?dāng)嚯娫囼灥慕Y(jié)果比較，在和現(xiàn)場試驗同樣的條件下，通過解析計算捕捉到的模擬波形和現(xiàn)場測定的波形相當(dāng)接近，均滿足合同調(diào)節(jié)保證值，且有較大的裕度，抽水?dāng)嚯姽r的模擬計算使用同一個計算程序，根據(jù)單臺機解析對現(xiàn)場試驗結(jié)果的準(zhǔn)確再現(xiàn)，可以預(yù)測雙機抽水?dāng)嚯娫囼灥挠嬎憬Y(jié)果是沒有問題。

圖2 1號機抽水?dāng)嚯娫囼瀸崪y波形

圖3 單機抽水?dāng)嚯娫囼炗嬎悴ㄐ?/p>

3.2 雙機抽水?dāng)嚯娫囼炃闆r

2016年02月20日，清蓄電站1號、2號機組進行雙機同時抽水?dāng)嚯娫囼?，現(xiàn)場試驗前上庫存水位608.50 m、下庫水位119.39 m，毛水頭489.12 m，1號機組導(dǎo)葉接力器行程的242 mm（77.3%），2號機組導(dǎo)葉接力器行程的247 mm（78.9%）。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，1號機蝸殼水壓的峰值6.865 MPa（約為700.5 m）出現(xiàn)在 8.5 s左右，2號機蝸殼水壓的峰值6.871 MPa（約為701.1 m）出現(xiàn)在8.4 s左右，2臺機的實測值均在未超過理論最大值的范圍內(nèi)，2臺機計算結(jié)果與實測結(jié)果在發(fā)生時間和數(shù)值上均基本趨于一致。同樣尾水管水壓1號、2號機實測值與計算結(jié)果在數(shù)值上幾乎一致。如圖4所示。

圖4 雙機抽水?dāng)嚯娫囼瀸崪y波形

從以上的試驗結(jié)果與計算值的對比來看，蝸殼壓力、尾水管壓力均在模擬計算所控制的理論極限區(qū)間之內(nèi)。

3.3 4機抽水?dāng)嚯娫囼炃闆r

2016年8月25日，清遠抽水蓄能電站進行4臺機組同時抽水?dāng)嚯娫囼?，試驗前上庫水?04.88 m，下庫水位121.17 m，毛水頭481.73 m，試驗前4臺機組運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 斷電前4臺機組泵工況運行數(shù)據(jù)

試驗過程：①進行機組輔機啟動后廠用電自動切換試驗，確保設(shè)備倒換及運行正常；②分別啟動4機組單機吸收320 MW有功功率；③4臺機組抽水工況（P）運行約20 min后，同時短接500 kV斷路器保護柜內(nèi)操作箱“手跳”接點，跳開500 kV開關(guān)，進行4機抽水同時斷電試驗，并監(jiān)測記錄機組抽水?dāng)嚯娂八そㄖ锔黜梾?shù)值；④對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否滿足設(shè)計及調(diào)保計算要求。

機組抽水?dāng)嚯妱幼骱?，監(jiān)控系統(tǒng)邏輯正確，電氣及機械回路動作正常；調(diào)保計算所采用的數(shù)學(xué)模型、參數(shù)、邊界條件正確，計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)基本一致。

由圖5可知，1號機組導(dǎo)葉開度從GCB分閘0.38 s后由250.3 mm（79.9%）經(jīng)過12.9 s至全關(guān)；2號機組導(dǎo)葉開度從GCB分閘后0.35 s由251.8 mm（80.4%）經(jīng)過11.3 s至全關(guān)；3號機組導(dǎo)葉開度從GCB分閘0.43 s由252.2 mm（80.6%）經(jīng)過11.9 s至全關(guān)；4號機組導(dǎo)葉開度從GCB分閘0.43 s由249.4 mm（79.7%）經(jīng)過10.9 s至全關(guān)。

圖5 4機抽水?dāng)嚯娫囼瀸?dǎo)葉接力器關(guān)閉數(shù)據(jù)

4臺機組蝸殼水壓的峰值比較接近（圖6），最大壓力分別上升至 7.481 MPa、7.419 MPa、7.473 MPa、7.448 MPa，出現(xiàn)在9.8 s，均不超過調(diào)保計算保證值7.649 MPa，與計算結(jié)果在數(shù)值上比較接近，波形趨勢一致；4泵斷電時4臺機組尾水（圖7）最大壓力分別 為 1.106 MPa、1.149 MPa、1.088 MPa、1.102 MPa，出現(xiàn)在7.6 s，均未超過調(diào)保計算保證值1.62 MPa，且還有較大裕度；4臺機組尾水最小壓力分別為0.637 MPa、0.528 MPa、0.619 MPa、0.632 MPa，出現(xiàn)在8.7 s，均不超過設(shè)計調(diào)保計算保證值0.117 MPa，均在模擬計算所控制的理論極限區(qū)間之內(nèi)，見圖8表2。

圖6 4機抽水?dāng)嚯娫囼炍仛毫厔輬D

圖7 4機抽水?dāng)嚯娫囼炍菜畨毫厔輬D

圖8 4機抽水?dāng)嚯娫囼炚{(diào)保計算波形

表2 4機抽水?dāng)嚯娫囼炘囼炗涗洈?shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過清遠蓄能電站“一洞四機”4機同時抽水?dāng)嚯娫囼灒囼灉y量的主要參數(shù)的數(shù)值與計算結(jié)果較為接近，蝸殼最大壓力、尾水管最大壓力等均滿足合同保證值要求，得到了同一高壓輸水系統(tǒng)內(nèi)的4臺機在苛刻條件下大波動過渡過程的有效試驗數(shù)據(jù)，復(fù)核了調(diào)保計算結(jié)果，為電站長期安全穩(wěn)定運行提供了試驗依據(jù)。