某蓄能機(jī)組CP工況迷宮環(huán)溫度高處理探析

王軍朋，熊 照

（梅州蓄能發(fā)電有限公司，廣東 梅州 514000）

0 引言

某抽水蓄能電站是一座周調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用等功能，為南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供多功能綜合服務(wù)，是國(guó)家“西電東送”能源戰(zhàn)略的重要配套工程[1]。

該抽水蓄能電站機(jī)組自2018年正式移交廣東中調(diào)調(diào)管，對(duì)廣東電網(wǎng)的調(diào)峰填谷起重要作用。廣東電網(wǎng)負(fù)荷具有典型的三峰三谷特性、峰谷差較大、節(jié)日效應(yīng)明顯、氣溫靈敏相關(guān)的特點(diǎn)，需要機(jī)組調(diào)相運(yùn)行，從電網(wǎng)吸收少量有功功率維持機(jī)組正常運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和電壓，從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率或向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，協(xié)助調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓[2]。往往需要機(jī)組提前啟動(dòng)CP長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以保證機(jī)組P工況熱備用的及時(shí)性。機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間CP工況運(yùn)行，往往引起迷宮環(huán)溫度高報(bào)警。

1 迷宮環(huán)溫度高原因分析

機(jī)組CP工況啟動(dòng)時(shí)，壓縮空氣將尾水壓至轉(zhuǎn)輪室以下，機(jī)組開(kāi)始升速，迷宮環(huán)與空氣摩擦，產(chǎn)生熱量導(dǎo)致其溫度逐步上升，此時(shí)迷宮環(huán)供水投入。迷宮環(huán)供水取自機(jī)組技術(shù)供水，機(jī)組技術(shù)供水取水口在尾水管擴(kuò)散段距離機(jī)組中心線17.5 m處，排水管在尾水閘門(mén)后10 m處，取水口與排水口距離79.8 m，調(diào)相工況下，尾水管內(nèi)水流體積約為1 105 m3（88 m×3.14 m×4 m）,技術(shù)供水泵流量約1 101 m3/h。尾水管內(nèi)冷卻水處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)（如圖1所示），技術(shù)供水循環(huán)后吸收各用戶（主變、發(fā)電機(jī)、各軸承）熱量使尾水水溫整體升高，熱交換不充分，水溫逐步升高(如圖2所示），平均每小時(shí)上升約2℃，導(dǎo)致迷宮環(huán)冷卻效果下降后出現(xiàn)溫度高報(bào)警。

圖1 CP工況技術(shù)供水示意圖

圖2 CP工況技術(shù)供水溫度上升趨勢(shì)

2 機(jī)組CP工況運(yùn)行迷宮環(huán)溫度升高趨勢(shì)

對(duì)上、下迷宮環(huán)在CP工況和CP轉(zhuǎn)P（或停機(jī)）運(yùn)行過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，迷宮環(huán)溫升曲線主要分為3個(gè)階段，如圖3所示。階段1：從停機(jī)狀態(tài)到CP工況啟動(dòng)、升速逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，CP工況啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程，機(jī)組擺度和振動(dòng)相對(duì)較大，與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行相比，迷宮環(huán)溫度上升較快，開(kāi)機(jī)前迷宮環(huán)溫度設(shè)為T(mén)1；階段2：CP工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，迷宮環(huán)溫度隨技術(shù)供水溫度升高而逐漸上升，CP轉(zhuǎn)P（或停機(jī)）前的溫度設(shè)為T(mén)2；階段3：CP轉(zhuǎn)P（或停機(jī)）的過(guò)程，由于球閥下游密封退出，蝸殼內(nèi)壓力升高，迷宮環(huán)供水壓力小于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)氣壓或水壓，迷宮環(huán)供水無(wú)法供應(yīng)，此時(shí)迷宮環(huán)溫度迅速上升，當(dāng)回水排氣時(shí)尾水水位上升到迷宮環(huán)，對(duì)迷宮環(huán)進(jìn)行冷卻，迷宮環(huán)溫度又迅速下降，CP轉(zhuǎn)P（或停機(jī)）回水期間迷宮環(huán)達(dá)到的最高溫度設(shè)為T(mén)3。

圖3 上、下迷宮環(huán)典型溫度曲線

T1值基本上取決于機(jī)組啟動(dòng)前技術(shù)供水溫度，約等于技術(shù)供水溫度；T2值取決于T1值和CP工況運(yùn)行時(shí)間，上、下迷宮環(huán)的溫度在CP工況穩(wěn)態(tài)下平均每小時(shí)上升約2.5 ℃，故T2≈T1+2.5×t+開(kāi)機(jī)時(shí)迷宮環(huán)溫度上升值；根據(jù)實(shí)際溫度曲線記錄，在CP轉(zhuǎn)P（或轉(zhuǎn)停機(jī)）過(guò)程中，上迷宮環(huán)急速溫升約4~7 ℃，下迷宮環(huán)溫升約1 ℃，故T3≈T2+（4~7）℃。由此可見(jiàn)，迷宮環(huán)供水溫度、CP工況運(yùn)行時(shí)間對(duì)迷宮環(huán)溫度的變化起到了重要作用，但要從根本上解決迷宮環(huán)溫度高的問(wèn)題，必須降低迷宮環(huán)供水溫度。

3 迷宮環(huán)溫度過(guò)高解決方案分析

3.1 增加迷宮環(huán)供水流量

將機(jī)組CP工況下迷宮環(huán)供水流量復(fù)測(cè)結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定值對(duì)比發(fā)現(xiàn)流量無(wú)變化，均滿足要求。根據(jù)傳熱學(xué)公式：G=QC/（T-t），Q為熱量，G為流量，C為水熱容比；增加上、下迷宮環(huán)供水流量，可以降低迷宮環(huán)溫度，但存在濺水功率增加的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)影響機(jī)組振動(dòng)擺度值，故不建議通過(guò)增加迷宮環(huán)供水流量來(lái)降低迷宮環(huán)溫度。

3.2 改變迷宮環(huán)的供水的取水位置

取低溫水源對(duì)迷宮環(huán)進(jìn)行冷卻，主要有消防管、廠房通風(fēng)空調(diào)冷水機(jī)組、上游壓力鋼管3個(gè)方向供考慮。其中消防管路壓力不足，需要增加加壓泵，并且消防管路的設(shè)計(jì)流量有限，如果多臺(tái)機(jī)組同時(shí)CP運(yùn)行，可能會(huì)影響其他消防用戶的供水。廠房通風(fēng)空調(diào)冷水機(jī)組供水水溫條件優(yōu)越，但該系統(tǒng)屬于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，迷宮環(huán)供水會(huì)排至尾水管，無(wú)法回收，同時(shí)存在壓力不足的缺陷。利用原有的上游備用取水管和設(shè)備，接通迷宮環(huán)上游取水，斷開(kāi)從技術(shù)供水側(cè)的取水。該方式應(yīng)用原有管路和設(shè)備，對(duì)設(shè)備的改動(dòng)較小，成本投入小，改造風(fēng)險(xiǎn)小，預(yù)期能夠解決長(zhǎng)時(shí)間CP工況運(yùn)行迷宮環(huán)溫度過(guò)高的關(guān)鍵問(wèn)題。迷宮環(huán)供水取自上游供水后解決了迷宮環(huán)CP工況溫升問(wèn)題，但技術(shù)供水溫升問(wèn)題目前仍無(wú)有效、可行的技術(shù)手段，同時(shí)存在壓力高、振動(dòng)大、噪音大等問(wèn)題，增加了水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 改變技術(shù)供水的排水方式

1號(hào)、2號(hào)機(jī)組技術(shù)供水排水總管之間有1根聯(lián)絡(luò)管，聯(lián)絡(luò)管裝有1個(gè)常閉手動(dòng)閥009VP。當(dāng)1號(hào)機(jī)組CP工況運(yùn)行時(shí)，打開(kāi)聯(lián)絡(luò)管手動(dòng)閥，將1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水分流至2號(hào)機(jī)組尾水管內(nèi)，從而減緩1號(hào)機(jī)組尾水溫度的上升。同理，可對(duì)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組、5號(hào)和6號(hào)機(jī)組以及7號(hào)和8號(hào)機(jī)組上實(shí)施以上操作，實(shí)現(xiàn)CP工況下整個(gè)技術(shù)供水溫度的控制。技術(shù)供水溫度上升放緩，迷宮環(huán)和導(dǎo)軸承等各用戶的溫度相應(yīng)地降低，有利于改善機(jī)組整體運(yùn)行狀態(tài)。因1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水要分流至2號(hào)機(jī)組尾水管，則此時(shí)，2號(hào)機(jī)組CP工況不宜運(yùn)行，否則2號(hào)機(jī)組技術(shù)供水溫度將上升過(guò)快。即在此模式下，排水互聯(lián)的2臺(tái)機(jī)組只能1臺(tái)運(yùn)行CP工況。根據(jù)機(jī)組年度運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電站平均每日CP運(yùn)行臺(tái)次較多，只允許4臺(tái)CP同時(shí)運(yùn)行的條件較難滿足。

3.4 適當(dāng)調(diào)高溫度報(bào)警定值

上、下迷宮環(huán)成分相同，均為CuAlFeMnNiCo，根據(jù)鋁青銅線膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系反算發(fā)現(xiàn)溫度升高后迷宮環(huán)尺寸變化與廠家設(shè)計(jì)要求（下迷宮間隙為1.70 mm，即1.7~1.927 5 mm，上迷宮間隙為1.5 mm，即1.5~1.727 5 mm）之間還存在一定間隙裕度，同時(shí)對(duì)照其他蓄能電廠迷宮環(huán)溫度設(shè)定值，發(fā)現(xiàn)可以將上、下迷宮環(huán)報(bào)警及跳機(jī)坎值適當(dāng)提高。目前將上、下迷宮環(huán)的溫度坎值調(diào)整為表1所示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，較有效地減少了報(bào)警的發(fā)生。

表1 上、下迷宮環(huán)的溫度坎值單位：℃

3.5 優(yōu)化運(yùn)行策略

天氣溫度低的季節(jié)，尾水管水溫較低時(shí)，CP工況下迷宮環(huán)允許運(yùn)行時(shí)間大幅增加，對(duì)CP工況運(yùn)行約束較?。惶鞖鉁囟雀叩募竟?jié)，尾水管水溫較高時(shí)優(yōu)先將CP工況運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)組轉(zhuǎn)P工況運(yùn)行，對(duì)上、下迷宮環(huán)任一溫度達(dá)到44 ℃以上的CP工況運(yùn)行機(jī)組申請(qǐng)轉(zhuǎn)泵或換機(jī)，CP工況運(yùn)行達(dá)到4 h機(jī)組向調(diào)度申請(qǐng)轉(zhuǎn)泵或換機(jī)。

4 結(jié)論

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)的作用是用來(lái)減小轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分之間的漏水損失，如果發(fā)生迷宮環(huán)燒損故障，不僅會(huì)降低機(jī)組的效率，而且會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[3]。降低迷宮環(huán)供水溫度可以從根本上解決迷宮環(huán)溫度高問(wèn)題，但已建成電站受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，往往難以完成。從迷宮環(huán)材料和安全性分析，適當(dāng)提高報(bào)警溫度坎值或優(yōu)化運(yùn)行策略，也可以緩解或一定程度上解決長(zhǎng)時(shí)間CP工況運(yùn)行所引起的溫度高問(wèn)題。

迷宮環(huán)溫度高是制約蓄能機(jī)組CP工況運(yùn)行時(shí)間的一個(gè)重大因素，解決該問(wèn)題可大幅延長(zhǎng)機(jī)組CP工況運(yùn)行時(shí)間。蓄能機(jī)組CP工況安全穩(wěn)定運(yùn)行，可大幅縮短電網(wǎng)填谷時(shí)間，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和新能源的有效利用提供有利條件。希望能為在建、已投運(yùn)的蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)與技改提供參考。