清遠抽水蓄能電站三臺機組同時甩負荷試驗關鍵技術研究

陳泓宇，汪志強，李 華，程振宇

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

清遠抽水蓄能電站三臺機組同時甩負荷試驗關鍵技術研究

陳泓宇，汪志強，李 華，程振宇

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

本文以清遠抽水蓄能電站為例，從試驗條件、試驗程序控制等方面論述了抽水蓄能機組三機同時甩負荷試驗的方法、安全控制及有關試驗技術問題，并對試驗結果進行分析，為四機甩負荷試驗提供經驗和打下基礎，對其他電廠進行類似試驗具有一定參考價值。

清遠；抽水蓄能機組；三臺機組同時甩負荷試驗

0 引言

同一高壓輸水系統內的3臺機同時甩負荷試驗在國內抽水蓄能電站極為罕見，國家電網公司的抽水蓄能電站一般為一洞兩機布置形式，如：寶泉、白蓮河、仙游、仙居等抽水蓄能電站，更早期的天荒坪抽水蓄能電站上游輸水系統為一洞三機布置，下游尾水系統卻為一管一機布置，1999年同一輸水管內的1、2號機組進行了同時甩300MW負荷試驗，但沒有再進行3臺機同時甩負荷試驗；中國南方電網公司的廣州、惠州及清遠抽水蓄能電站上游輸水系統、下游尾水系統均為一洞四機布置形式，惠州抽水蓄能電站5號和6號機組在2011年進行了雙機甩負荷試驗，但未進行過三機同時甩負荷試驗；國外日本今市一洞三機360MW抽水蓄能電站做過三機同甩試驗，但其輸水管和尾水管均有調壓井；清遠抽水蓄能電站3臺機組同時甩負荷試驗有重大的意義。

進行三機同時甩負荷試驗的目的主要是檢測三機甩負荷時壓力鋼管和每臺機組蝸殼最大壓力上升值、每臺機組尾水管真空度、每臺機組最高轉速上升值及導葉接力器關閉規律，評價機組能否滿足調保計算及設備生產廠家關于壓力上升率、轉速上升率的設計要求，現階段需要對已投運的3臺機組進行同時甩負荷試驗。電站1、2、3號機組于2016年6月20～24日進行了三機同時25%、50%、75%和100%甩負荷試驗。

1 基本參數

清遠抽水蓄能電站裝有4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機—發電電動機機組，單機容量（發電工況）320MW，總裝機容量1280MW。上水庫正常蓄水位612.5m，死水位587.0m，設計洪水位613.13m。下水庫正常蓄水位137.7m，死水位108.0m，設計洪水位141.84m。電站最大毛水頭504.5m，最小毛水頭449.3m，水輪機工況額定凈水頭470m。機組安裝高程42m，吸出高度為–66m。引水系統布置方式為一洞四機、4臺機組共用一個下游尾水調壓室。地下廠房布置另有4臺主變壓器，每兩臺發電機—變壓器組單元在高壓側連接，形成兩組連合單元接線，經由兩路高壓電纜連接500kV地面開關站。500kV地面開關站目前只設置一回500kV清花甲線。在線路跳閘的情況下，清遠抽水蓄能電站所有運行機組將甩負荷停機。

在各種組合工況過渡過程中，活動導葉采用2段關閉模式，進水球閥采用1 段關閉模式，且關閉時間慢于活動導葉的關閉時間。機組最大轉速（含計算誤差）不大于1.45倍額定轉速，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780mH2O，轉輪出口處最大壓力值不超過165mH2O，轉輪出口處最低水壓值不少于12mH2O（絕對壓力）。

2 甩負荷條件及安全控制確認

2.1 試驗前須滿足的工作要求

試驗前須滿足以下各項工作要求：

（1）1號機組、2號機組、3號機組均正常可用。

（2）1～3號機組保護已按設計要求完成保護定值設置，保護已投入運行；準備相關測量儀器，完成3臺機組監測回路接線，試驗錄波和監測設備安裝調試完畢，并確保各測量數據時間同步；試驗采集數據或濾波信號主要有球閥上游側壓力、蝸殼進口、尾水管進口壓力、導葉接力器行程、機組出力/入力和機組轉速等。

（3）水淹廠房保護動作回路試驗已完成且結果正常。

（4）廠房通風排煙、消防等公用系統已投入使用。

（5）廠房事故照明功能正常。

（6）廠用電切換試驗完成正常。

（7）上下庫閘門能正常關閉開啟。

（8）上、下庫水位滿足試驗要求。

（9）聯系供電所對地區備用電源蓄能一、二干10kV 線路用戶進行清理，確保地區電源可靠；對蓄能一、二干10kV 線路進線開關保護定值進行校核調整，以滿足3臺機組廠用電負荷同時切換的要求。

（10）3臺機組在線監測系統工作及數據記錄正常。

2.2 水輪機甩負荷時導葉關閉規律確認

導葉關閉采用先快后慢兩段折線關閉規律，水輪機導葉最大相對開度為94.07%，第一段為快速關閉（約2.4s）至76%折點位置；第二段為慢關，總關閉時間約70s。導葉與進水球閥同時進行關閉，進水閥關閉設計時間為70.5s，詳見圖1。

圖1 導葉和進水閥的關閉規律Fig.1 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

經調保計算分析導葉關閉時，球閥是否關閉對機組調保參數的影響不大，因此機組正常甩負荷時的關機過程可僅由機組導水機構完成，將球閥作為在機組甩負荷且導葉拒動時，機組防飛逸的后備保護措施。

導葉關閉規律折點取不同時間、不同開度敏感性分析計算，根據調保計算，參數極值結果對折點位置的敏感度不高，魯棒性較好，但當折點A取為（2.4s,76%）時，對調保參數有一定優化作用，應盡可能調整折點，使折點位置盡可能靠近76%。為保證現場關閉規律能最大限度地與理論計算一致和試驗安全，三甩前對導葉關閉規律進行了專項檢查，1號機組折點位置76.15%，2號機組75.64%，3號機組75.44%，關閉斜率與理論計算基本一致，見圖2。

圖2 1號機組導葉關閉折點Fig.2 The closing turning point of unit 1 wicket gate

2.3 甩負荷時廠用電丟失風險確認

甩負荷試驗是通過線路跳閘模擬真實情況進行，試驗過程中存在廠用電丟失造成機組損壞風險，在甩負荷試驗前做專項廠用電切換試驗，確保甩負荷試驗過程中廠用電切換功能正常，聯系供電所落實蓄能一、二干10kV 線路保供電事宜，試驗應避開不利天氣的影響。試驗時，安排運行人員在廠用電控制盤柜旁，一旦廠用電未能正常倒換，手動操作將廠用電倒換至地區電源供電。同時，要求廠家復核推力軸承斷水運行情況，計算結果表明，當冷卻水中斷15min后，在最惡劣的假設之下，推力軸承油溫從額定的45℃升至61℃，推力軸承瓦溫從額定69.2℃增加到79.9℃，兩者溫度均處于可接受的范圍之內。其他上導、下導、水導軸承和主軸密封也經計算確認，可以保證機組無損運行15min并安全停機。

同時，廠用電倒換造成監測設備失電無法記錄數據風險，將試驗監測設備電源全部連接到UPS 裝置上由UPS 供電。

3 單機甩負荷試驗

2016年1月3日，清遠抽水蓄能電站2號機組單機進行甩100%負荷試驗，當時的上庫水位604.74m、下庫水位125.02m，毛水頭479.72m，導葉接力器行程286mm（92.0%），2號機組試驗結果中，壓力鋼管水壓的峰6.305MPa（約為642.9m）出現在7s 左右，計算結果最大值為634.9m（約6.23MPa），出現在6.9s左右，與實測結果在發生時間和數值上基本趨于一致；尾水管水壓在計算結果最小值約為0.49MPa，試驗結果中，尾水管最小水壓最小值大概為0.5MPa左右，與計算結果在數值上幾乎一致；轉速上升的峰值557.8r/min（約為30.1%）出現在5.4s，解析結果的峰值564.3r/min（約為31.7%）出現在5.4s，與實測結果在發生時間上趨于一致。

同時，通過1、2、3號機組單機甩負荷的試驗結果對比，在和現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場測定的波形相當接近，均滿足合同調節保證值，且有較大的裕度，甩負荷工況的模擬計算使用同一個計算程序，根據單臺機解析對現場試驗結果的準確再現，可以預測雙機甩負荷的計算結果是沒有問題。

圖3 2號機組單機甩100%負荷試驗實測波形Fig.3 The wave of 100% load rejection test unit 2

4 雙機甩負荷試驗

2016年2月18～19日，清遠抽水蓄能電站1、2號機組雙機同時甩負荷試驗，按25%、50%、75%、100%順序進行，逐級確認無誤后再進行下一步試驗。著重介紹一下雙機甩100%負荷現場試驗結果情況，甩前上庫存水位608.84m、下庫水位119.24m，毛水頭489.6m，導葉接力器行程的275mm（88.4%）。

根據試驗數據分析，1號機組蝸殼水壓的峰值6.842MPa（約為697.7m）出現在8.5s左右，2號機組蝸殼水壓的峰值6.761MPa（約為689.4m）出現在8.6s左右，兩臺機組的實測值均在未超過理論最大值的范圍內，因此兩臺機組計算結果與實測結果在發生時間和數值上均基本趨于一致。同樣，尾水管水壓1、2號機組實測值與計算結果在數值上幾乎一致。1號機組轉速上升的峰值572.1r/min（約為33.4%）出現在6.9s，解析結果的峰值579.2r/min（約為35.1%）出現在5.9s；2號機組轉速上升的峰值573.3r/min（約為33.7%）出現在6.9s，解析結果的峰值580.9r/min（約為35.5%）出現在5.8s。兩臺機組計算結果與實測結果在發生時間上均趨于一致。

從以上的試驗結果與計算值的對比來看，蝸殼壓力、尾水管壓力、轉速等參數值均在模擬計算所控制的理論極限區間之內。可以預測三機甩負荷的計算結果也在控制范圍內。

圖4 2號機組單機甩100%負荷試驗計算波形Fig.4 The caculated wave of 100% load rejection test unit 2

5 三機甩負荷試驗

試驗日期從2016年6月20日開始，具體計劃詳見表2，每個試驗完成后，應得到各方的報告，確認運行系統及試驗正常，試驗總指揮下令并經總調批準后方能進行下一個試驗的工作。

5.1 1號機組發電帶50%負荷甩負荷試驗（線路斷路器跳閘）

500kV 地面開關站目前只設置一回500kV 清花甲線，在線路跳閘的情況下，清遠抽水蓄能電站所有運行機組將甩負荷跳機，清花甲線因保護動作跳開，此時清蓄側線路保護會動作跳開500kV斷路器，并由機組LCU根據500kV斷路器位置和機組轉速變化情況判斷后ESD跳閘。從調速器一次調頻功能分析，線路跳開后，即使機組沒有立即ESD，機組頻率上升，導葉的關閉規律依然和ESD停機導葉關閉斜率一致，為驗證此規律，2016年6月20日21時18分，1號機組發電帶50%負荷線路跳閘甩負荷，試驗波形如圖6所示。

試驗結論分析為：調速器一次調頻作用明顯，線路一跳，導葉立即關（0.149s），再過1.071s監控動作ESD，1.6s后高頻保護動作，3.1s后電氣過速110%動作，與機組ESD導葉關閉規律一致。

同時線路跳閘后，廠用高壓變壓器切換至地區電源邏輯正常，機組各軸承溫度穩定，為下一步安全三甩奠定了基礎。

5.2 3臺機組發電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗

2016年6月21～22日，3臺機組發電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗，三機同時甩25%、50%、75%均滿足合同調節保證要求，且與計算值基本一致。線路跳閘后導葉關閉規律與ESD一致，各機組軸承溫升正常，機組各部件檢查無異常，可以繼續100%甩負荷試驗。甩后數據見表3。

圖5 1、2號機組雙機甩100%負荷試驗波形Fig.5 The dual 100% load rejection test wave of unit 1&2

表1 1、2號機組雙機甩100%負荷試驗記錄對比表Tab.1 The dual 100% load rejection test contrast Tab.of unit 1&2

表2 三機甩負荷試驗計劃及時間安排Tab.2 The load rejection test plan and schedule of triad units together

5.3 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷試驗

（1）2016年6月23日 11:51:58，三機同時甩試驗結果中，3臺機組蝸殼水壓的峰值比較接近，約為7.02MPa（716.7m）出現在9s左右，3臺機組的尾水水壓也比較接近，最小值約為0.407MPa（41.5m），與計算結果在數值上相當，趨勢一致。轉速上升峰值與計算值接近，較預想還有一點裕度，均在模擬計算所控制的理論極限區間之內,見表4。

（2）3臺機組導葉關閉折點均在76%附近，快關與慢關斜率與理論趨勢一致，說明調速器的一次調頻在線路跳閘機組甩負荷過程作用明顯，3臺機組相當于線路一跳閘，立即同步關閉導葉。

（3）3臺機組蝸殼壓力、峰值趨勢一致，1號和3號機組尾水壓力趨勢一致，峰值接近，但2號機組尾水壓力波形趨勢與1、3號機組略有不同，在四機同時甩前需對其管路和傳感器進行檢查確認；3臺機組轉速趨勢一致，峰值基本接近，與理論計算趨勢一致。

（4）三甩負荷過程，振動擺度特征數據較單甩、雙甩時，數據略大一點，但趨勢一致，說明三甩時轉速略較單甩、雙甩時大，甩后檢查機組振動擺度等數據均和三甩前數據一致，說明三甩后機組結構沒有受到破壞。

（5）三甩負荷過程中，各軸承溫度穩定。

圖6 1號機組發電帶50%負荷甩負荷試驗（線路斷路器跳閘)Fig.6 The 50% load rejection test of unit 1 in generation mode（the circuit breaker trip)

表3 三臺機組發電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗Tab.3 The 25%,50%,75% Parf load rejection test of three units in generation mode

6 結束語

（1）通過清遠抽水蓄能電站“一洞四機”三機同時甩負荷試驗，試驗測量的主要參數的數值與計算結果較為接近，蝸殼最大壓力、尾水壓力誤差在5%以內、最大轉速上升率的誤差在3% 以內，驗證了廠家用于水力過渡過程先快后慢導葉兩段關閉規律是可行的，各振動擺度及軸承溫度變化趨勢穩定，為電站長期安全穩定運行提供了試驗依據。

表4 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷試驗記錄Tab.4 The triple 100% load rejection test records of three units in generation

圖7 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷蝸殼壓力趨勢圖Fig.7 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖8 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷尾水壓力趨勢圖Fig.8 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖9 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷導葉、轉速趨勢圖Fig.9 The wicket gate and unit speed trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖10 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷計算趨勢圖Fig.10 The caculation trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

表5 3臺機組發電帶100%負荷甩負荷振動擺度特征數據表Tab.5 The vibration and shaft displacement characteristics data Table of triple unit 100% load test in generation mode

續表

（2）在電站甩負荷試驗過程中,根據前一階段的實測結果實時進行計算對比分析，可以為下一階段的試驗提供相應參考，從而一定程度上降低了試驗過程中的風險，先快后慢導葉兩段關閉規律因折點在76%，有必要在甩100%負荷前確認，有利于現場試驗的安全、順利進行。

（3）可根據試驗結果推斷相關修正方法和修正值及3臺機組的試驗結果和4臺機仿真計算結果，推斷4臺機組同時甩的可能達到的值，復核一開始選擇的設計值是否滿足安全。

（4）目前一洞多機布置形式機組相繼甩負荷尾水管真空度比較難滿足要求，三機甩負荷試驗還有個目的，就是復核廠家調保計算中的極端情況：如3臺機組滿發2臺機組甩負荷第三臺延時6s甩，會出現尾水負壓的結論等，通過三機甩負荷數據與理論三機甩荷計算成果作對比，進行誤差分析。

（5）同一高壓輸水系統內的3臺機組同時甩負荷試驗在國內抽水蓄能電站極為罕見，三機同甩試驗為一洞多機布置形式提供了提供安全實證，并驗證和推導了甩負荷工況，為將來機組結構設計和一洞多機選型提供實踐依據，對今后工程建設產生一定影響。

［1］陳順義.過渡過程計算結果的修正和裕度［J］.華東水電技術，2004（4）：136-141.CHEN Shunyi.The correction and margin of the calculation results of the transient process［J］.East China Hydropower Technology,2004(4):136-141.

［2］李建輝，朱海鋒.惠州抽水蓄能機組甩負荷后的球閥與導葉聯動關閉規律優化［J］.廣東電力，2012（3）.LI Jianhui,ZHU Haifeng.Optimized closing procedures of Ball Valve and Wicket Gate on HZH Pumped Storage Power Station［J］.Guangdong Electric Power,2012(3).

［3］楊勝安，彭天波.抽水蓄能機組雙機甩負荷試驗技術［J］.湖北電力，2011（6）.YANG Shengan,PENG Tianbo.Test technique of double machine load rejection of pumped storage unit［J］.Hubei Electric Power,2011(6).

［4］沈斌，黃賢榮.抽水蓄能電站發電機檢修工藝流程可視化系統的實現［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：28-34.SHEN Bin,HUANG Xianrong.The Realization of Visualization System for Generator Maintenance Technology Process of Pumped Storage Power Plant［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1):28-34.

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。E-mail:542120791@qq.com

李 華（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產維護工作。E-mail:li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，學士，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。E-mail:359028830@qq.com

Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station

CHEN Hongyu,WANG Zhiqiang,LI Hua,CHENG Zhenyu
(Qingyuan Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Qingyuan 511853,China)

The paper,Qingyuan Pumped Storage Power Plant as an example,from the aspects of test conditions,test program control discusses the load rejection test method of the pumped storage 3 units together,safety control and test technical problems,and the test results are analyzed,for four units load rejection test to provide experience and establish foundation.It is a certain reference value for other plants doing the similar test.

Qingyuan; the pumped storage units; the load rejection test of the pumped storage 3 units together

TV734.2

A 學科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.004