低周切泵對(duì)桐柏公司水輪發(fā)電機(jī)的影響

孫遜

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

低周切泵對(duì)桐柏公司水輪發(fā)電機(jī)的影響

孫遜

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

由于抽水蓄能電站具有機(jī)組啟動(dòng)停機(jī)頻繁、一機(jī)多用、運(yùn)行工況變換多等特點(diǎn)。在復(fù)雜多變的運(yùn)行工況所引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統(tǒng)中能量的不平衡，將引起輸水系統(tǒng)內(nèi)水壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇加快等現(xiàn)象，危及電站的安全運(yùn)行，影響機(jī)組的壽命。考慮到系統(tǒng)頻率下降過快，在必要時(shí)候桐柏電站將實(shí)行低周切泵。因此，本文對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及危險(xiǎn)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析低周切泵對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的各種影響，并最大程度減少低周切泵對(duì)機(jī)組壽命的影響。

抽水蓄能機(jī)組；低周切泵；運(yùn)行工況

1 引言

華東桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺(tái)縣棲霞鄉(xiāng)百丈村，距天臺(tái)縣城7 km，與杭州、寧波直線距離分別為150 km、94 km。電站裝機(jī)容量為1 200 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸混流可逆式單級(jí)水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。本電站供電范圍為華東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。電站建成后，以二回500 kV出線接入華東電網(wǎng)。電站日發(fā)電量600萬(wàn)kW·h，年發(fā)電量21.18億kW·h，日抽水用電量797萬(wàn)kW·h，年抽水用電量28.13億kW·h。

表1.柏電站運(yùn)行特征工況參數(shù)

電站運(yùn)行特征工況是指：在這些運(yùn)行工況下，如果發(fā)生機(jī)組發(fā)電增、棄荷或抽水失電等大波動(dòng)過程，則可能出現(xiàn)輸水道內(nèi)水壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速、調(diào)壓室水位等參數(shù)的最大、最小控制值。即電站運(yùn)行特征工況是可能發(fā)生電站大波動(dòng)過渡過程控制工況的運(yùn)行工況。一般來(lái)說，電站運(yùn)行特征工況是由電站上、下水庫(kù)最高或最低水位、機(jī)組最大流量、最大出力（或入力）、機(jī)組最大或最小工作水頭（或揚(yáng)程）等特征參數(shù)根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行的可能性而組合構(gòu)成的運(yùn)行工況。本電站水泵、水輪機(jī)運(yùn)行特征工況參數(shù)見表1、表2。

2 低周切泵對(duì)機(jī)組壓力變化的理論分析

抽水蓄能電站具有機(jī)組啟動(dòng)停機(jī)頻繁、一機(jī)多用、運(yùn)行工況變換多等特點(diǎn)。在復(fù)雜多變的運(yùn)行工況所引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統(tǒng)中能量的不平衡，將引起輸水系統(tǒng)內(nèi)水壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇加快，危及電站的安全運(yùn)行，影響機(jī)組的壽命。考慮到系統(tǒng)頻率下降過快，在必要時(shí)候桐柏電站將實(shí)行低周切泵。因此，需對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及危險(xiǎn)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，最大程度減少低周切泵對(duì)機(jī)組壽命的影響。

表2.泵計(jì)算工況及其說明

圖1.柏抽水蓄能電站可逆機(jī)組流量特性曲線

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)引水系統(tǒng)的水錘壓強(qiáng)與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率的大小影響較大，它決定于調(diào)速系統(tǒng)特性，而且在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，采用合理的關(guān)閉規(guī)律降低水錘壓強(qiáng)與限制機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，不需要額外增加電站機(jī)組投資，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施，對(duì)于抽水蓄能電站優(yōu)化的關(guān)機(jī)規(guī)律應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，同時(shí)具有較好的魯棒性，即機(jī)組特性、水道特性相差不大時(shí)，優(yōu)化的結(jié)果變化也不大，這樣優(yōu)化的機(jī)組關(guān)閉規(guī)律可以當(dāng)作一種安全儲(chǔ)備。由于抽水蓄能機(jī)組多為國(guó)外進(jìn)口，加之可逆機(jī)組本身過流特性較常規(guī)水輪機(jī)復(fù)雜，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化實(shí)際上存在一定的不確定性，對(duì)于分段折線關(guān)閉規(guī)律由于優(yōu)化參數(shù)較多影響尤為明顯，同時(shí)受調(diào)速系統(tǒng)本身性能影響，將來(lái)接力器行程的折點(diǎn)位置不可能與調(diào)保計(jì)算結(jié)果完全一致，如果折點(diǎn)位置偏差較大，再加上引水系統(tǒng)與機(jī)組本身存在的某些不確定的時(shí)變因素，都可能使原優(yōu)化得到的關(guān)閉規(guī)律偏離優(yōu)化目標(biāo)，給電站安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。桐柏電站可逆機(jī)組流量特性曲線、力矩特性曲線見圖1、圖2.

圖2.柏抽水蓄能電站可逆機(jī)組力矩特性曲線

圖3.柏電站停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

原廠設(shè)計(jì)折線關(guān)閉規(guī)律如圖3所示，其中折點(diǎn)位置位于相對(duì)開度65%處，關(guān)閉斜率加大為1/8，即快關(guān)導(dǎo)葉至65%，然后，以斜率1/30慢關(guān)至結(jié)束，總有效關(guān)閉時(shí)間約為22.3 s，較原規(guī)律關(guān)閉時(shí)間增多了約0.3 s，低周切泵需要第一時(shí)間跳機(jī)組開關(guān)，并迅速關(guān)閉導(dǎo)葉和主進(jìn)水閥。桐柏電站機(jī)組停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉分三段進(jìn)行，圖4中標(biāo)明從31.2 s導(dǎo)葉開始關(guān)閉，到36.5 s導(dǎo)葉開度為57.5，到57.9 s導(dǎo)葉開度降到2.9，最后到60.8 s，導(dǎo)葉全關(guān)。導(dǎo)葉關(guān)閉整個(gè)過程約29.6 s。

圖4.葉開關(guān)過程

由于系統(tǒng)頻率下降，網(wǎng)調(diào)需要桐柏抽水機(jī)組快速停泵來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)頻率。通過兩種策略進(jìn)行切泵。第一種情況單管雙機(jī)抽水時(shí)單臺(tái)機(jī)組斷電；第二種情況單管雙機(jī)抽水時(shí)2臺(tái)機(jī)同時(shí)斷電；無(wú)論第一種情況還是第二種情況，一旦需要抽水機(jī)組斷電，立刻跳機(jī)組出口開關(guān)，并迅速關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)葉和主進(jìn)水閥。桐柏電站機(jī)組啟停由華東電網(wǎng)下令調(diào)配，故采取何種方式進(jìn)行切泵需待網(wǎng)調(diào)下令。

國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)大學(xué)曾針對(duì)桐柏機(jī)組制造廠家（VATECH）的過渡過程計(jì)算工況進(jìn)行了復(fù)核，詳細(xì)的復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表3。對(duì)于抽水工況，兩家結(jié)果相當(dāng)接近，產(chǎn)生差別的不同就在于對(duì)上游側(cè)球閥的過流特性的不同理解，制造廠家和某大學(xué)對(duì)于球閥的不同處理導(dǎo)致了二者機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的不同，由此影響了上游側(cè)的壓力變化結(jié)果的差異。

表3.要工況大波動(dòng)過渡過程計(jì)算成果(水泵斷電)

（1）蝸殼進(jìn)口最大壓力比較

某大學(xué)計(jì)算得到的蝸殼進(jìn)口最大壓力較廠家（VATECH）的計(jì)算結(jié)果偏大，最大超過了15 m，但所發(fā)生的控制工況均相同，計(jì)算得到的蝸殼進(jìn)口最大壓力發(fā)生在補(bǔ)充工況TA04，為428.5 m，廠家計(jì)算得到的蝸殼進(jìn)口最大壓力也發(fā)生在補(bǔ)充工況TA04，為413.5 m；二者相差15 m。計(jì)算差別主要由于二者的轉(zhuǎn)速變化情況不同，主要系球閥的不同處理方式引起，另外，輸水系統(tǒng)管道的劃分即計(jì)算時(shí)步的選擇對(duì)于桐柏抽水蓄能電站影響也較為顯著，桐柏電站水頭244 m，水錘類型正好介于首相水錘與極限水錘之間，相對(duì)而言，水錘波速的選擇就較為重要，其差別直接體現(xiàn)在計(jì)算步長(zhǎng)的選取上，某大學(xué)的計(jì)算步長(zhǎng)與廠家（VATECH）的計(jì)算步長(zhǎng)選取與管路劃分不可能一致，由此也會(huì)產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果上的差別；另外插值方法的不同也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不同，對(duì)于抽水蓄能電站，極值點(diǎn)均出現(xiàn)在特性曲線的倒S型附近，該處數(shù)據(jù)連續(xù)性很差，數(shù)據(jù)處理上較小的差別，均可能帶來(lái)計(jì)算結(jié)果較大的偏差。考慮到這三方面影響，某大學(xué)的計(jì)算結(jié)果與廠家（VATECH）的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)的偏差還是可以接受的。

（2）尾水管進(jìn)口最小壓力比較

計(jì)算得到的尾水管進(jìn)口最小壓力較廠家（VATECH）的計(jì)算結(jié)果幾乎一致，大部分差別在2～3 m之間，很大程度上是由于蝸殼進(jìn)口壓力不同產(chǎn)生的，但均在可接受范圍之間，故不需評(píng)述。

廠家（VATECH）計(jì)算得到的尾水管進(jìn)口最小壓力36.8 m，某大學(xué)計(jì)算得到的尾水管進(jìn)口最小壓力34.6 m，均有較大的安全裕度，均發(fā)生在計(jì)算補(bǔ)充工況TA05。

（3）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值比較

由于球閥的不同處理方式，某大學(xué)計(jì)算得到的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值較廠家（VATECH）的計(jì)算結(jié)果略顯偏大，最大差別不到10 r/min，平均差別大約6 r/min左右，某大學(xué)與廠家（VATECH）計(jì)算得到的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值均表明：對(duì)于桐柏抽水蓄能電站最大轉(zhuǎn)速上升有可能超過45%～50%的調(diào)保要求，廠家（VATECH）計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速最大上升值463.8 r/min，達(dá)到54.6%，某大學(xué)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速最大上升值470.0 r/min，考慮球閥后為465.3 r/min，達(dá)到55.1%。需說明的是二者均出現(xiàn)在導(dǎo)葉非正常關(guān)閉狀態(tài)（一關(guān)一拒），而實(shí)際上由于對(duì)于單元控制的接力器，導(dǎo)葉全拒的可能性幾乎沒有，該最大值出現(xiàn)的概率很小，故對(duì)于桐柏抽水蓄能電站最大轉(zhuǎn)速上升可以認(rèn)為是滿足要求。

（4）尾水管進(jìn)口最大壓力比較

尾水管進(jìn)口最大壓力發(fā)生在水泵工況，某大學(xué)計(jì)算得到尾水管進(jìn)口最大壓力與廠家（VATECH）的計(jì)算結(jié)果相比偏差不大，雙方平均偏差2 m左右，屬于可接受范圍之間。

某大學(xué)計(jì)算得到的尾水管進(jìn)口最大壓力達(dá)到123.0 m，廠家（VATECH）計(jì)算得到尾水管進(jìn)口最大壓力達(dá)到125.8 m。

（5）復(fù)核分析結(jié)論

某大學(xué)與設(shè)備生產(chǎn)廠家（VATECH）分別對(duì)桐柏輸水系統(tǒng)水力過渡過程進(jìn)行了計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)論相符。某大學(xué)與廠家（VATECH）的蝸殼進(jìn)口最大壓力的差值為15 m，相對(duì)值為3.27%，在允許誤差5%以內(nèi)。其它如最大轉(zhuǎn)速上升、尾水管進(jìn)口最小壓力等差別均很小，具體數(shù)據(jù)上的差異均在可接受的范圍之內(nèi)。

通過表3可以看出某大學(xué)的計(jì)算結(jié)果和廠家的模型計(jì)算結(jié)果在兩機(jī)抽水全失電的各種情況下蝸殼進(jìn)口壓力和尾水進(jìn)口壓力均未超出設(shè)計(jì)最大值。

3 結(jié)論

從低周切泵的理論分析數(shù)據(jù)和一管雙機(jī)水泵斷電試驗(yàn)來(lái)看，桐柏電站一管雙機(jī)在水泵斷電的特殊工況蝸殼進(jìn)口壓力和尾水進(jìn)口壓力均未超出設(shè)計(jì)最大值，低周切泵也不會(huì)影響機(jī)組的正常使用壽命。但一管雙機(jī)甩負(fù)荷屬于損害性試驗(yàn)，甩負(fù)荷過程中機(jī)組整體振動(dòng)、擺度都超出正常工況下機(jī)組振動(dòng)、擺度值。故在一般情況下電站不首選一管雙機(jī)甩負(fù)荷來(lái)滿足低周切泵的要求。

TV743

B

1672-5387（2017）09-0048-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.018

2017-06-19

孫遜（1982-），男，工程師，從事運(yùn)維檢修工作。