調相壓水系統設計時應考慮的因素

胡浩 姜紅偉

摘 要：水輪發電機組調相運行時，為消耗較小的有功功率，常采用壓低水位使轉輪在空氣中旋轉的方式。該文借鑒國內已投產抽水蓄能電站機組調相運行的經驗，介紹了給氣壓力、流量、位置等多方面因素對機組調相運行的影響，另外對機組調相運行所產生的問題及相應的解決辦法進行了概述，為調相壓水系統的設計提供了參考依據。

關鍵詞：調相 壓低水位 抽水蓄能 設計 參考

中圖分類號：TK734 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-02

1 調相運行的意義

抽水蓄能機組可作為調相機運行，調節無功功率，為電網提供電壓支持；同時其反應速度非常快，可在重大電網事故中避免電壓崩潰和熱過載的現象。

2 調相壓水的方式

4.2 儲氣罐容積

給氣壓水時，需短時間內由儲氣罐供給大量的壓縮空氣。由式（1）可知，起始給氣流量與儲氣罐容積無關，但若儲氣罐容積過小，可能導致壓水失敗或無法補氣。

4.3 給氣位置

抽水蓄能機組給氣位置一般有：①頂蓋中央；②尾水管進口的管壁上。實際運行中，位置①和②給氣均有成功的案例。現多傾向于從①處給氣，②處備用，當采用①處供氣時，每兩個轉輪葉片之間設一個進氣孔以保證供氣速度；同時，為防止壓力沖擊過大導致主軸密封抬起，應考慮主壓氣閥控制回路的改進，延緩閥門從全關到全開的時間。

4.4 水環

水環的形成：①打開球閥旁通閥，壓力水通過導葉間隙形成水環（廣蓄采用）；②利用轉輪旋轉的離心力將迷宮環、主軸密封（部分）冷卻水等甩向導葉，形成水環（天荒坪、宜興）。水環可以防止大量壓縮空氣經導葉間隙進入蝸殼，同時冷卻轉輪。但水環過厚會增大轉輪阻力矩造成有功損耗的增加，也會導致迷宮環溫度升高并產生有害的振動。可在底環上設置通道將水環水排至尾水管（天荒坪、宜興）；或利用轉輪高速旋轉產生的離心力將水環水通過導葉間隙排向蝸殼，通過蝸殼排氣閥排入尾水（廣蓄Ⅱ期）。

4.5 蝸殼排氣閥

蝸殼排氣閥又稱蝸殼平壓閥，在調相運行時將轉輪室逸向蝸殼的高壓氣排到下庫，避免機組由抽水調相轉抽水時蝸殼內還存有大量氣體，保證機組的穩定性。在天荒坪曾發生過蝸殼排氣回路堵塞的事件，明顯影響是在機組由抽水調相轉抽水運行時，急劇上行的水流夾雜蝸殼中未排盡的氣體通過壓力鋼管充向上庫，由此產生間斷氣爆的聲音，并給機組帶來一定的軸系振動，直至氣體完全排向上庫，一般在1 min左右穩定。

4.6 尾水水位

在水體脫離轉輪后，水面離轉輪越遠，水體旋轉受轉輪影響就越小，國內一些設計院推薦壓低水位距離轉輪下環1～2 m，轉輪直徑越大、轉速越高的機組可以取較大值。

4.7 給氣開始時間

為防止抽水調相起動時發電電動機的起動電流過大，一般在低轉速時（10%～15%額定轉速）即開始給氣壓水。發電調相的啟動是先發電并網再轉發電調相，故在額定轉速下給氣壓水，此時要防止機組進入深度反水泵而導致機組逆功率保護動作出口，通常需要快速壓氣和適時閉鎖逆功率保護。

4.8 補氣

漏氣點：主軸密封處漏氣至水車室；豎向回流與水平回流引起的尾水管逸氣；水環排水閥夾雜氣、水至尾水管肘段。從天荒坪、宜興實際運行情況觀察，主軸密封處的漏氣很少，但在機組調相運行時，尾閘處確有大量的氣體排出，證明后兩種漏氣確實存在。補氣方式有：連續補氣：需要補氣閥保持一個合適的開度，將補氣閥常開，但此開度很難找到。根據尾水管水位控制補氣：一般在尾水管設水位測量裝置，在調相時投入。這種方法的主要影響在于尾水管肘管處振動大，環境濕度大，對水位測量裝置的技術要求高。根據吸收功率控制補氣：據試驗證明，轉輪在空氣中旋轉所消耗的功率僅為相同條件下在水中旋轉消耗功率的10%-35%，故可利用功率繼電器來控制補氣，該法的缺點在于，補氣只能在水淹沒了轉輪后開始，會造成不必要的能量損失，增大機組的振動。

4.9 排氣結束的判據

廣蓄是利用安裝在排氣管上的一個流量傳感器進行判斷，當探測到水流量后延時結束排氣。天荒坪、宜興則是通過測量機組的吸收功率判斷排氣是否結束。因為相同轉速下，轉輪從部分淹沒在水中到全部淹沒，吸收功率激增，根據宜興的運行經驗，吸收功率從16-17 mW激增到40 mW。

4.10 上下迷宮環冷卻

調相運行時，轉輪在空氣中旋轉摩擦會產生熱量，使轉輪和上下迷宮環發熱，因此，必須向上下迷宮環提供冷卻水。

4.11 冷卻水取水口

調相時需要對冷卻水的水溫進行限制。現在一般將取水口和排水口分別布置在尾水管靠尾水事故閘門側和靠轉輪側，避免造成冷卻水死循環。

4.12 尾水管高度

當機組轉速達到額定值時，轉輪下方會產生強烈的氣旋，引起尾水管中水體旋轉。在高水頭機組中水體的傾斜可以達到45 °，若尾水管高度不夠，被壓下來的空氣可由肘管上部逸出，或者旋轉水體的上部會撞擊轉輪。因此在尾水管的設計中必須考慮到壓水起動的特殊現象。

4.13 導葉小開度

4.14 保護配制

為了提高調相的啟動成功率與運行可靠性，需對保護做特殊的配置，如：由于調相啟動過程中的電流很小（宜興：調相啟動過程中最大電流約0.76 kA；調相運行電流約0.3 kA；抽水運行電流約10 kA），需對差動保護、低壓過流保護、定子接地保護（95%、100%）、過電壓等整定特殊的定值；由于抽水蓄能機組具有發電與抽水兩個方向，需對方向性保護如負序過流、失磁保護、相序監視等配置不同方向的保護并選擇性投入。

5 結語

調相運行是抽水蓄能機組重要的運行方式，有利于電網的穩定運行，調相壓水系統是保證調相運行的關鍵因素之一，設計時需綜合考慮多方面因素，該文結合國內部分已投產電站實際運行情況，簡要介紹了調相系統在設計時應關注的一些因素，希望為抽水蓄能電站的設計提供思考點。

參考文獻

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