某抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

景小兵,姜里運(yùn),許 閆

(1.遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110179;2.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司,遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,電力負(fù)荷需求持續(xù)增加,同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)靈活電源的需求也越來(lái)越大[1]。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下,國(guó)家能源局印發(fā)的《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中提出到2030年抽水蓄能電站投產(chǎn)規(guī)模將達(dá)1.2億kW左右[2]。隨著抽水蓄能電站規(guī)模快速增長(zhǎng),抽水蓄能機(jī)組也向著大容量、高水頭、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展,加上抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁、運(yùn)行工況復(fù)雜,導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行壓力巨大,抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題日趨嚴(yán)峻[3-5]。

1 機(jī)組參數(shù)

某抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單極混流可逆式機(jī)組。該電站總裝機(jī)容量為1200 MW,年平均發(fā)電量為18.36×108kWh,年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1530 h;年抽水用電量為24.09×108kWh,年抽水小時(shí)數(shù)為2008 h。機(jī)組采用“一洞兩機(jī)”的布置形式,單機(jī)容量為300 MW,額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min,額定水頭為410 m。水泵水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 水泵水輪機(jī)參數(shù)

表2 發(fā)電機(jī)參數(shù)

2 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)儀器

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承基座+X、+Y方向上分別安裝位移傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)組各部位擺度,在試驗(yàn)機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋上分別沿水平及垂直方向安裝振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng),在機(jī)組大軸上安裝鍵相片,并安裝1個(gè)位移傳感器對(duì)準(zhǔn)鍵相片以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速,在水力測(cè)量系統(tǒng)蝸殼進(jìn)口、尾水進(jìn)口、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測(cè)壓管路處分別安裝壓力及壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)取相應(yīng)位置壓力及壓力脈動(dòng),機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京華科同安TTS332型水電機(jī)組動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng),該系統(tǒng)可同時(shí)輸入1路鍵相信號(hào)、8路大軸擺度或軸向位移信號(hào)(0～20 V)、16路機(jī)架振動(dòng)信號(hào)(±5 V)、8路4～20 mA/0～5 V開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)工況參數(shù)輸入。振動(dòng)傳感器采用北京中元瑞訊LVS10低頻振動(dòng)傳感器,位移傳感器采用Bently 330180型電渦流位移傳感器,壓力及壓力脈動(dòng)傳感器采用羅斯蒙特300S1BAD1/5M5型壓力變送器。試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

3 試驗(yàn)機(jī)組穩(wěn)定性分析

機(jī)組穩(wěn)定性主要通過(guò)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷試驗(yàn)分析機(jī)組轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓、負(fù)荷與機(jī)組穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)性,機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速、不同勵(lì)磁電壓、不同負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行5 min后開(kāi)始采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6-7]。

3.1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)穩(wěn)定性分析

在試驗(yàn)機(jī)組水輪機(jī)方向手動(dòng)開(kāi)機(jī),待機(jī)組球閥開(kāi)啟后,手動(dòng)調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度控制機(jī)組升速,分別在0.25nr、0.5nr、0.6nr、0.7nr、0.8nr、0.9nr、1.0nr(nr為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速)7種工況下測(cè)試機(jī)組振動(dòng)擺度等數(shù)據(jù),試驗(yàn)時(shí)上水庫(kù)水位為639.1 m,下水庫(kù)水位為211.7 m。

圖3為機(jī)組各部位擺度隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖。由圖3可知,該機(jī)組下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速升高變化較小;上導(dǎo)擺度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速遞增呈先升后降趨勢(shì),最高點(diǎn)出現(xiàn)在90%nr。圖4為機(jī)組各部位振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖。由圖4可知,該機(jī)組各部位振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速升高整體呈遞增趨勢(shì);下機(jī)架振動(dòng)變化較小,上機(jī)架振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)與上導(dǎo)擺度一致;下機(jī)架振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速升高變化較小;頂蓋振動(dòng)在機(jī)組轉(zhuǎn)速小于80%nr時(shí)變化較小,在機(jī)組轉(zhuǎn)速大于80%nr后快速增加。機(jī)組升速過(guò)程中擺度數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范及主機(jī)合同規(guī)定值[8-9]。

圖3 機(jī)組擺度與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖4 機(jī)組振動(dòng)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

3.2 變勵(lì)磁試驗(yàn)穩(wěn)定性分析

試驗(yàn)機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況穩(wěn)定運(yùn)行后,通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制柜給機(jī)組加載勵(lì)磁,逐步升高機(jī)組定子電壓,分別在空載、0.25Ue、0.50Ue、0.75Ue、1.00Ue(Ue為機(jī)組額定電壓)5種工況下測(cè)試機(jī)組振動(dòng)擺度等數(shù)據(jù),試驗(yàn)時(shí)上水庫(kù)水位為638.9 m,下水庫(kù)水位為211.7 m。

圖5為機(jī)組各部位擺度隨勵(lì)磁電壓變化趨勢(shì)圖。由圖5可知,機(jī)組下導(dǎo)擺度受勵(lì)磁電壓影響較大,隨勵(lì)磁電壓升高而增大;水導(dǎo)擺度幾乎不受勵(lì)磁電壓影響。圖6為機(jī)組各部位振動(dòng)隨勵(lì)磁電壓變化趨勢(shì)圖。由圖6可知,上機(jī)架水平振動(dòng)隨勵(lì)磁電壓增大而升高;下機(jī)架、頂蓋水平、垂直及下機(jī)架垂直振動(dòng)幾乎不受勵(lì)磁電壓影響?？蛰d工況下上機(jī)架水平振動(dòng)和下導(dǎo)Y向擺度雖滿足規(guī)范要求,但略高于主機(jī)合同規(guī)定值。

圖5 機(jī)組擺度與勵(lì)磁電壓關(guān)系曲線

圖6 機(jī)組振動(dòng)與勵(lì)磁電壓關(guān)系曲線

3.3 變負(fù)荷試驗(yàn)穩(wěn)定性分析

試驗(yàn)機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)至發(fā)電工況,在監(jiān)控系統(tǒng)以0 MW、25 MW、50 MW、75 MW、100 MW、120 MW、140 MW、160 MW、180 MW、200 MW、220 MW、240 MW、260 MW、280 MW、300 MW的順序依次調(diào)整機(jī)組有功功率,測(cè)試各工況下機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3—表5)。試驗(yàn)時(shí)上水庫(kù)水位為644.3 m,下水庫(kù)水位為210.3 m。

表3 不同負(fù)荷下機(jī)組擺度數(shù)據(jù)

表4 不同負(fù)荷下機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

表5 不同負(fù)荷下機(jī)組壓力及壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)

圖7為機(jī)組各部位擺度隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖,圖8為機(jī)組各部位振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖,圖9為機(jī)組各部位壓力隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖,圖10為機(jī)組各部位壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖。由圖7—圖10可知,試驗(yàn)水頭下,機(jī)組振動(dòng)、擺度、蝸殼進(jìn)口、尾水管進(jìn)口壓力、蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)均隨負(fù)荷增大整體呈下降趨勢(shì),機(jī)組負(fù)荷越大穩(wěn)定性越好;機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí),機(jī)組穩(wěn)定性較差;機(jī)組負(fù)荷小于75 MW時(shí),下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度較大,超過(guò)主機(jī)技術(shù)合同規(guī)定值,最大值為176 μm;上機(jī)架、頂蓋水平振動(dòng)較大,超過(guò)主機(jī)技術(shù)合同規(guī)定值,最大值為47 μm;機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度在負(fù)荷大于140 MW時(shí)基本趨于穩(wěn)定,為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)[10];導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前壓力隨負(fù)荷增大呈先降后升趨勢(shì),壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在負(fù)荷120 MW時(shí);尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷增大呈先升后降趨勢(shì),壓力脈動(dòng)最高點(diǎn)出現(xiàn)在負(fù)荷100 MW時(shí)。

圖7 機(jī)組擺度與負(fù)荷關(guān)系曲線

圖8 機(jī)組振動(dòng)與負(fù)荷關(guān)系曲線

圖9 機(jī)組壓力與負(fù)荷關(guān)系曲線

圖10 機(jī)組壓力脈動(dòng)與負(fù)荷關(guān)系曲線

4 結(jié)論

a.試驗(yàn)水頭下,機(jī)組振動(dòng)、擺度指標(biāo)均隨機(jī)

組轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁電壓增大整體呈遞增趨勢(shì),轉(zhuǎn)速對(duì)上導(dǎo)擺度、上機(jī)架和頂蓋振動(dòng)影響較大,勵(lì)磁電壓對(duì)下導(dǎo)擺度和上機(jī)架振動(dòng)影響較大。

b.根據(jù)不同負(fù)荷下穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí),機(jī)組穩(wěn)定性較差,機(jī)組振動(dòng)、擺度、蝸殼進(jìn)口、尾水管進(jìn)口壓力、蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)均隨負(fù)荷增大整體呈下降趨勢(shì),機(jī)組負(fù)荷越大穩(wěn)定性越好。