奧地利科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的試運(yùn)行

[奧地利] G.格勒 等

2004年 9月,沃拉爾貝爾格爾韋爾科股份有限公司(I l lw e r k e)開始其最大的抽水蓄能電站的施工,該電站裝機(jī)容量 450MW(3×150MW)。2008年 4月,經(jīng)過約3.5 a的施工,完成了首臺(tái)機(jī)組的安裝,3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電,從該工程的復(fù)雜性看,施工期是短的。其他 2臺(tái)機(jī)組,1號(hào)與 2號(hào)機(jī)組在 6月底發(fā)電。在這幾個(gè)月期間,成功地進(jìn)行了輔助設(shè)備和下級(jí)控制的詳細(xì)試驗(yàn)。隨后,進(jìn)行了起動(dòng)和停機(jī)控制試驗(yàn),包括機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)。

2008年 7月 15日,在完成塔法夢(mèng)特上部調(diào)壓室的施工以后,于同年 8月開始試運(yùn)行。

在所有的電氣和機(jī)械設(shè)備開始試驗(yàn)之前,必須對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行大量的調(diào)查和試驗(yàn)。

在 2008年 11月的試運(yùn)行期間,通過控制所有3臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)、循環(huán)和同時(shí)運(yùn)行,對(duì)科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站(以下簡稱“科普斯Ⅱ期電站”)的整個(gè)水力系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)。水泵和水輪機(jī)兩種模式的循環(huán)變化時(shí)長,保證了引水渠和尾水渠水力系統(tǒng)固有頻率諧振時(shí)能使試運(yùn)行平穩(wěn)進(jìn)行。在試運(yùn)行期間,每個(gè)水力元件以及電站所有機(jī)組的運(yùn)行均與預(yù)料的情況一致。

1 調(diào)查與試驗(yàn)階段

在施工期,由于各種原因,致使工程經(jīng)常出現(xiàn)停工的現(xiàn)象。因此,為了完成所有的結(jié)構(gòu)工程和開始蓄水的方案,必須不斷調(diào)整預(yù)計(jì)的時(shí)間表。

最初計(jì)劃在水工建筑物全部完成時(shí)開始蓄水。但是,由于工期延后,2007年初,I l l w e r k e公司決定采取與以往不同的蓄水方案,以節(jié)約時(shí)間。這種新的概念是:對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)部件,只要有可能,就各自獨(dú)立開始其試驗(yàn)階段,以進(jìn)行當(dāng)時(shí)可以開展的所有試驗(yàn)和調(diào)查。其中,地下隧洞系統(tǒng)可首先通過精確蓄水計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)。

2007年 11月,尾水系統(tǒng)充水。尾水系統(tǒng)包括 3個(gè)壓縮空氣調(diào)壓室、一個(gè)雙室尾水調(diào)壓室、一個(gè)至平衡庫的長 300 m的尾水渠和一根至水泵的分開叉管。首次充水時(shí),充水量約為 26000 m3,是非常仔細(xì)與緩慢地從平衡庫抽水,因此花了 29 h。

但是,充水試驗(yàn)并不順利。通過細(xì)小的裂縫和施工縫直接滲漏進(jìn)發(fā)電廠房洞穴的滲水多達(dá) 6 L/s。安裝在巖石和開挖之間過渡區(qū)的排水系統(tǒng)不能按計(jì)劃收集漏水。因?yàn)樵谡{(diào)壓室和發(fā)電廠房洞穴之間意外地形成了直通水道,所以,必須再次放空尾水隧洞系統(tǒng)。采取了謹(jǐn)慎的灌漿結(jié)構(gòu)措施,以改進(jìn)調(diào)壓室的水密性,同時(shí),還采取了附加的排水系統(tǒng)措施。2008年 3月,第 2次充水試驗(yàn)證明,尾水系統(tǒng)的特性良好,排水系統(tǒng)也按計(jì)劃收集所有漏水(1.5 L/s)。2008年 1月,在繼續(xù)施工尾水系統(tǒng)附加工程的同時(shí),完成了鋼襯壓力豎井(長1.2 k m,內(nèi)徑3.8 m)和具有 3個(gè)球形閥的高水頭歧管。這些結(jié)構(gòu)的所有壓力和抗?jié)B試驗(yàn)證明是成功的,阻力達(dá)到 70 b a r。在這種情況下,在 6 d的試驗(yàn)期內(nèi),從現(xiàn)有科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的上部調(diào)壓室,通過一根消防軟管實(shí)施輸水。

2008年 3月,成功完成了長5.5 k m的引水系統(tǒng)壓力隧洞的施工,與此同時(shí),還完成了尾水系統(tǒng)的施工。通過打開 2個(gè)串聯(lián)蝶閥中的 1個(gè)閥,從科普斯上庫進(jìn)行首次蓄水,所有的試驗(yàn)表明,結(jié)果良好,首次達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電的所有要求。仍將繼續(xù)進(jìn)行上部調(diào)壓室的收尾工作,余下的時(shí)間將用于試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)。

最后,對(duì)上部調(diào)壓室充水,并首次對(duì)所有的機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。

科普斯Ⅱ期電站的另一個(gè)特點(diǎn)是,沖擊式水輪機(jī)是在背壓下運(yùn)行。對(duì)此,在壓力調(diào)壓室中,必須加入壓縮空氣。必須試驗(yàn)和測(cè)量壓縮機(jī)布置的效率、溶解和不溶解空氣的實(shí)際空氣要量,以及調(diào)壓室的任何泄漏。這些調(diào)查結(jié)果表明,由系統(tǒng)吸收的空氣量主要由水中氣體溶解度和懸浮氣泡所組成,而不是由系統(tǒng)布置本身或調(diào)壓室所引起。

2 模型試驗(yàn)、計(jì)算和測(cè)量結(jié)果比較

科普斯 I I期電站完整的水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有完全自由運(yùn)行的先決條件,對(duì)運(yùn)行模式的重復(fù)變化沒有任何限制。在任何時(shí)間,都可執(zhí)行任意一種運(yùn)行模式以及可以在兩種模式之間任意變化。水輪機(jī)噴嘴和水泵球形閥的開啟與關(guān)閉持續(xù)約 20 s,能同步進(jìn)行。因此,通過起動(dòng)水泵模式、水輪機(jī)模式或受控的水泵模式,機(jī)組可在 20 s內(nèi)向電網(wǎng)輸出要求的±3×150MW范圍內(nèi)的功率。

2.1 模型試驗(yàn)

在水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,考慮了各種布置方案。尤其是,研究了由 3個(gè)壓縮空氣調(diào)壓室、一個(gè)大氣調(diào)壓室以及具有 R i fa平衡庫和水泵叉管的尾水隧洞所組成的尾水系統(tǒng)。在奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)做了尾水系統(tǒng) 1∶22.5比尺的物理模型試驗(yàn)。研究了完整系統(tǒng)的水動(dòng)力特性,還分析了尾水系統(tǒng)壓縮空氣調(diào)壓室的摻氣與脫氣過程。

以前,切拉沃拉和諾賽達(dá)已經(jīng)調(diào)查了沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在背壓運(yùn)行期間的空氣損失量。他們發(fā)現(xiàn),水中的實(shí)際空氣溶解度約為理論溶解度的 50%～60%。水中的最大理論空氣溶解度決定于絕對(duì)壓力。它可用本生發(fā)現(xiàn)的吸收定律描述。與這些研究相反,凱勒(K e l le r)等人在慕尼黑技術(shù)大學(xué)的物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中,由于水輪機(jī)噴嘴的強(qiáng)烈噴濺,流體已經(jīng)完全飽和。因此,他們指出,在通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的一個(gè)流道中,水中空氣的溶解度幾乎可達(dá)到 100%。

福爾卡特(V o l k a r t)等人在瑞士蘇黎世瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院(F T H)做了一個(gè)模型試驗(yàn),研究明渠的脫氣過程。作為這些試驗(yàn)的成果,可大大降低科普斯 I I期電站壓縮空氣調(diào)壓室的長度,因此,也可減少充入的空氣體積。

在沖擊式水輪機(jī)的尾水渠中,空氣泡的輸送主要受水流紊流的影響。在湍流渦旋中,沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下面泡沫中的水珠夾帶氣泡之后,不能重新上升回到水面。因此,通過適當(dāng)?shù)捻樍髌?fl o w s t r a i g h t eNEr)來破碎這些渦旋結(jié)構(gòu),將大大降低渠道的長度。分散的微氣泡幾乎不能獲得任何浮力,即使已經(jīng)安裝了順流器,仍將由水流帶出空氣室。但這些分散的微氣泡只占總額定流量 Qnom體積的0.1%。

根據(jù)模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),建議在壓縮空氣室的出口處安裝墻壁,以防止渦旋水流從調(diào)壓室進(jìn)到裝入的壓縮空氣室。這樣可以降低壓縮空氣室的空氣損失量。

除了這些試驗(yàn)以外,對(duì)沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪以下流道內(nèi)泡沫的產(chǎn)生原理也進(jìn)行了大量研究。通過開展模型試驗(yàn)和對(duì)原型機(jī)進(jìn)行測(cè)量的方式來進(jìn)行這些調(diào)查。阿奇(A r c h)發(fā)現(xiàn),在有關(guān)的壓力范圍內(nèi),沖擊式水輪機(jī)機(jī)殼內(nèi)泡沫的生成,實(shí)際上與壓縮空氣室的壓力水平無關(guān)。

2.2 壓縮空氣調(diào)壓室

在確定壓縮空氣調(diào)壓室的尺寸時(shí),為了保證其可靠運(yùn)行,還必須規(guī)定最有效的控制系統(tǒng)。馬德爾(M a d e r)和格克萊爾(G o k l e r)指出,應(yīng)當(dāng)對(duì) 3個(gè)壓縮空氣調(diào)壓室中的每一個(gè)調(diào)壓室都能進(jìn)行獨(dú)立控制。在這種情況下,通過在 5個(gè)不同地方測(cè)量空氣室的水位,可以計(jì)算出平均水位,因此,就能計(jì)算空氣室中的平均空氣體積。此外,測(cè)量壓縮空氣室中的絕對(duì)壓力和溫度,可以使采用理想氣體定律計(jì)算系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量成為可能。利用空壓機(jī)的增加或抽取,使空氣質(zhì)量保持不變。

在 2008年11月的試運(yùn)行期間,當(dāng) 3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)循環(huán)運(yùn)行時(shí),進(jìn)行了水位測(cè)量,并繪出水位與空氣室中的絕對(duì)壓力與水位之間沒有時(shí)間限制的關(guān)系圖。曲線的循環(huán)形狀十分顯著。通過進(jìn)一步的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn),曲線形狀決定于進(jìn)行評(píng)估的測(cè)量平面,是由水位波動(dòng)的特性引起的。如果水面凹凸彎曲或傾斜,疊加在垂直的水位振蕩上,周期性形狀將在沒有時(shí)間限制的圖中生成。在試運(yùn)行期間,除了該流量特性外,還測(cè)量了流過空氣室全長的綜合表面波。

從試運(yùn)行測(cè)量的這些經(jīng)驗(yàn)結(jié)果中可以推斷出,就唯一的孤立測(cè)量平面而言,不能分析壓縮空氣調(diào)壓室的熱力過程。為了考慮一個(gè)傾斜的或凹凸不均勻的水面,至少需要 3個(gè)可靠的水位測(cè)量平面。這也給出了在空氣體積中的熱力過程極為詳細(xì)的圖像。

從壓縮空氣室的動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性和監(jiān)測(cè)結(jié)果來看,它主要決定了運(yùn)行的可靠性,就整個(gè)氣室設(shè)計(jì)的效率和經(jīng)濟(jì)性而言,壓縮氣室所需要的空氣量是決定性的。雖然采用整流器可增加脫氣的質(zhì)量,分散的微空氣泡可逃離壓縮空氣室,但是,在計(jì)算總空氣損失時(shí),必須加以考慮。另一方面,通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?可將較大的空氣泡保留在壓縮空氣室中。但是,壓縮空氣室的主要空氣損失是由溶解空氣組成,這是由系統(tǒng)本身決定的。水流的脫氣,以及空氣的恢復(fù),只能在壓力降低時(shí)才會(huì)發(fā)生。

然而,因?yàn)榍欣掷蛣P勒觀察的角度和結(jié)果不同,使平衡壓縮空氣室損失的總實(shí)際空氣量仍然是不確定的。圖 1表示科普斯Ⅱ期電站壓縮空氣室實(shí)測(cè)空氣量的分析,它決定于空氣室中的絕對(duì)壓力水平和水輪機(jī)流量。該分析從本質(zhì)上證明了切拉沃拉和凱勒的敘述,因?yàn)榻o定的壓縮空氣室的有效空氣量大約是最大理論溶解度的 70%。

圖 1 由水輪機(jī)泄水引起的壓縮空氣調(diào)壓室的空氣損失

2.3 引水渠調(diào)壓室

2008年 11月,試運(yùn)行的目的是全面檢驗(yàn)科普斯Ⅱ期電站整個(gè)水力系統(tǒng)的功能,同時(shí),通過利用各種比尺的模型試驗(yàn)來對(duì)整個(gè)尾水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。這些模型也證明了其功能,引水渠幾乎完全符合分析的和數(shù)字的計(jì)算設(shè)計(jì)。

僅引水渠調(diào)壓室的上部室的充水與放空過程是采用物理模型試驗(yàn)計(jì)算的。因?yàn)榕c發(fā)電廠房機(jī)組的外部快速調(diào)節(jié)有關(guān)的一些特定的要求,在起動(dòng)時(shí),下部調(diào)壓室至引水隧洞的 2個(gè)連接都必須向水輪機(jī)提供足夠的水流。2個(gè)連接中的每一個(gè)都配備一個(gè)節(jié)流孔口。因此,下部調(diào)壓室可作為到這兩個(gè)連接孔口之間的引水隧洞的旁路來工作。從大致處于 2個(gè)孔口之間的中心的一點(diǎn),由一個(gè)分支線引到差動(dòng)式調(diào)壓室的反向流量節(jié)流閥。在摻氣反向流量節(jié)流閥前面,傾斜豎井連接到差動(dòng)調(diào)壓室的上部室。首先,在下部調(diào)壓室中,因?yàn)榫哂?2個(gè)至引水隧洞連接的水力設(shè)計(jì),對(duì)自由表面和壓力運(yùn)行兩者而言,預(yù)計(jì)了廣泛的水力流量條件。因此,只能采用精心制作的模型來精確地進(jìn)行數(shù)字計(jì)算。在進(jìn)出上部調(diào)壓室和進(jìn)出至引水隧洞的連接節(jié)流閥的過渡處的水流,依據(jù)相應(yīng)調(diào)壓室中的水位計(jì)算,并在必要時(shí)考慮了自由溢流的流量限制。

圖 2表示在傾斜調(diào)壓豎井和摻氣管道中的水位的數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)值之間的比較。圖 2還示出了在負(fù)荷情況下科普斯電站水庫和水輪機(jī)噴嘴及水泵球形閥的開度。當(dāng)水輪機(jī)噴嘴關(guān)閉時(shí),水泵的球形閥開啟(反之亦然),可以看出,對(duì)于這種試驗(yàn)性負(fù)荷情況,循環(huán)運(yùn)行是同步的。總體上,進(jìn)行了 4個(gè)模擬循環(huán),以達(dá)到在調(diào)壓室豎井和上部調(diào)壓室中的水位升幅最大。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的臨時(shí)進(jìn)度吻合很好。在第1次負(fù)荷循環(huán)期間,在比較運(yùn)行順序的最開始,只能看到某些小的差別,隨后在計(jì)算與測(cè)量過程中消失。在比較過程結(jié)束時(shí),在不同調(diào)壓室中,計(jì)算水位與測(cè)量水位相等。

圖2 引水渠調(diào)壓室水位

對(duì)于計(jì)算與測(cè)量結(jié)果,由于不同的水輪機(jī)噴嘴開度、不同的開始條件以及不同的摩擦損失,會(huì)使其最終結(jié)果發(fā)生變化。

在從調(diào)壓斜井到上部室的過渡點(diǎn),對(duì)于不同的上部室斜度,在物理模型上進(jìn)行了水流條件測(cè)試。調(diào)壓室上部室的水位計(jì)算考慮了該模型試驗(yàn)的結(jié)果。但是,在數(shù)字模型中,假設(shè)上部室的水面是水平的。圖 3表示在一個(gè)負(fù)荷循環(huán)期間上部調(diào)壓室水位的實(shí)際進(jìn)展,負(fù)荷循環(huán)由一個(gè)充水過程和一個(gè)放空過程組成。因此,上部室的充水特點(diǎn)是高潮現(xiàn)象,它穿過整個(gè)調(diào)壓室,直到在緊靠后面的限制墻處反射。通過過渡點(diǎn)返回到斜井,疊加在充水的高潮上,最后結(jié)束于一個(gè)較短的放空高潮上。因?yàn)檎{(diào)壓室的軸為傾斜狀,使調(diào)壓室后部的水位低于調(diào)壓室入口處的水位,所以充水高潮不斷增加其高度,尤其是當(dāng)穿過調(diào)壓室的后半部時(shí),這一點(diǎn)從圖 3可以清楚地看出。

圖 3 上部調(diào)壓室中的水位

2.4 閥門室和蝶閥室

在科普斯Ⅱ期電站的閥門室中,串聯(lián)安裝了 2個(gè)蝶閥:1個(gè)用于運(yùn)行,一個(gè)用于維修。2個(gè)蝶閥是用于緊急關(guān)閉流量 Qmax=200 m3/s。該流量為額定流量QA=80 m3/s的2.5倍。在試運(yùn)行期間,也對(duì)這些安全關(guān)閉裝置的功能進(jìn)行了測(cè)試。但是,為了防止引水隧洞承擔(dān)不必要的負(fù)荷和避免受到破壞,閥門的關(guān)閉試驗(yàn)僅在電站的各種部分負(fù)荷下進(jìn)行。這樣,空氣要通過排氣豎井進(jìn)入,從而可以避免產(chǎn)生引水隧洞的部分摻氣。

圖 4所示為 2臺(tái)水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)并在蝶閥關(guān)閉的過程中,蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)中和管道中的壓力變化情況。實(shí)測(cè)值與數(shù)字計(jì)算值再次證明其吻合情況非常好。根據(jù)多次部分負(fù)荷關(guān)閉時(shí)所做的測(cè)量,可校準(zhǔn)一個(gè)數(shù)字模型,利用該校準(zhǔn)的數(shù)字模型,可以對(duì)達(dá)到 Qmax=200 m3/s的蝶閥關(guān)閉流量,甚至是災(zāi)難性的破壞進(jìn)行計(jì)算與分析。

因此,在考核了每一種負(fù)荷情況之后,結(jié)果證明,蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)的壓力保持在可接受的低值范圍。一個(gè)附加的敏感性分析表明,如果在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中假設(shè)某些節(jié)流、蝶閥會(huì)產(chǎn)生壓力,那么蝶閥軸承中的旋轉(zhuǎn)力矩系數(shù) k M和摩擦損失將強(qiáng)烈地影響計(jì)算的關(guān)閉速度。

圖 4 蝶閥關(guān)閉

3 結(jié) 語

綜上所述,可以得出結(jié)論,轉(zhuǎn)變觀念是絕對(duì)正確的,每個(gè)結(jié)構(gòu)部分應(yīng)盡快實(shí)施單獨(dú)蓄水過程。

該決定提供了挽回失去的時(shí)間的機(jī)會(huì),可以在不推遲工程工期的情況下,進(jìn)行某些必要的附加測(cè)量工作。例如,可以在尾水系統(tǒng)中進(jìn)行大量的灌漿。

實(shí)施整個(gè)蓄水計(jì)劃比預(yù)期的時(shí)間長,且多次被迫中斷,其原由非常復(fù)雜。因?yàn)椴煌瑢こ５男赂拍?I l lw e r k e公司大量縮減余下的試驗(yàn)階段,以此降低費(fèi)用。因此,在所有的結(jié)構(gòu)工程完成后,從 2008年 4月到 11月,所有的 3臺(tái)機(jī)組已全部投入運(yùn)行。

科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的全部功能已通過最終測(cè)試。結(jié)果證明,甚至是在完全自由的運(yùn)行模式中,該電站也能以最大的負(fù)荷變化和速度運(yùn)行。正如在設(shè)計(jì)階段中所計(jì)算的一樣,每個(gè)水力參數(shù)都能保持在可接受與預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)。因此,將來可以不受限制地運(yùn)行。

發(fā)現(xiàn)在任何一種運(yùn)行方式中,壓縮空氣調(diào)壓室及其控制系統(tǒng)都具有一些典型的特性。利用在每個(gè)室中所有 5個(gè)可用的液體測(cè)量平面,對(duì)壓縮空氣調(diào)壓室中的空氣質(zhì)量進(jìn)行的計(jì)算,證明了其本身以及安裝有控制系統(tǒng)的調(diào)壓室中的空氣質(zhì)量為常數(shù)值。該控制系統(tǒng)壓縮空氣室所需要的空氣量約為電站靜態(tài)運(yùn)行期間水中空氣最大理論溶解度的 70%,小于設(shè)計(jì)階段的假設(shè)值。

可從壓縮空氣室中逃逸的分散的微空氣泡,在水力短循環(huán)中,并在進(jìn)入蓄能水泵之前被溶解的可能性最大。因此,在該運(yùn)行模式中,實(shí)際上我們檢測(cè)不到水泵性能的任何下降。實(shí)測(cè)與計(jì)算水力值的比較結(jié)果卻是驚人的一致。通常,在長的水平水工建筑物中,流量以低的總能量梯度為主,對(duì)于水力性能升級(jí)現(xiàn)象有決定作用,這在引水渠不同調(diào)壓室上部室的測(cè)試過程中很明顯。因此,為了提高水電站設(shè)計(jì)階段數(shù)值計(jì)算的質(zhì)量,將現(xiàn)有的模型擴(kuò)展到具有自由面水流的明渠過渡過程中,似乎是合理的。