高水頭下機組抽水啟動振動大原因分析

賈 巍，賈 鑫，孫 永

（1.國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山064309；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 承德068350）

1 情況簡介

潘家口水利樞紐位于距河北省唐山市遷西縣灑河橋鎮約10km處的灤河流域，以供水為主，結合發電，兼顧防洪和旅游等綜合任務。潘家口水利樞紐工程分兩期施工，一期工程主要包括上水庫大壩、壩后式主廠房、1臺150MW常規機組及220kV高壓開關站；二期工程包括3臺90MW抽水蓄能機組，1座下水庫閘壩，及下水庫2臺常規機組。上水庫大壩由1座混凝土主壩及兩座副壩組成。下水庫樞紐位于距上水庫大壩下游6km處，由下水庫閘壩和河床式電站組成。下水庫河床式電站安裝有2臺燈泡貫流轉槳式機組，單機容量5MW。下水庫反調節水庫總庫容為3168萬m3，有效庫容1000萬m3，沒有防洪庫容，屬日調節水庫。潘家口水庫承擔向天津等地供水的任務，根據每日的放水任務，上水庫常規機組向下水庫放水，由下水庫2臺常規機組向下游放出相應的水量，通過這個過程，可以調節下水庫水位，同時達到調節各個機組的水頭參數的目的。

2 事故經過

2018年4月13 日03：00時左右，上級調度機構令潘家口電廠2臺機組抽水。值守人員當即執行2號機組、3號機組開機抽水。當時的水庫水位條件為：上水庫水位223.73m，下水庫水位141.05m，對應機組水頭為82.68m。

圖1 潘家口電廠上水庫大壩及廠房剖面圖

2號機組抽水啟動成功，帶負荷后在-75MW左右階段停留震蕩運行了約2min后自動越過該負荷區，負荷升至-86MW后平穩運行；3號機組帶負荷至-73MW后震蕩運行約19min，機組振動情況沒有得到明顯改善，值守人員向上級調度申請停機，經調度同意后停機。3號機組運行期間，當負荷在-73MW附近震蕩時機組各部振動數值較大，蝸殼壓力劇烈波動。針對3號機組水導軸承振動曲線及蝸殼壓力曲線分析，發現3號機組水導軸承在抽水過程中振動值偏大，多次越過400μm的報警值。如圖2、圖3所示。

圖2 3號機組水導軸承振動曲線

圖3 3號機組蝸殼壓力曲線

3 原因分析

潘家口電廠水泵水輪機及其輔助設備為蘇爾壽（現安德里茨）公司生產，水泵水輪機型號為HLN80-LJ-553，轉輪標稱直徑為5600mm，吸出高度為-9m，導葉全開時機械角度為41.6°，工作水頭范圍為85.70～43.00m。該機組為可變速機組，在水泵工況時，根據水頭高度不同，有2個額定轉速可選，分別為 142.8r/min和125r/min。

經過查看事故發生前后監控系統歷史數據可知，2018年4月13日3號機組抽水啟動時，水頭高度約為82.98m，已經接近最大水頭；導葉開度為66.75%左右，此時導葉機械角度為27.8°。事故發生前數日3號機組抽水啟動時水頭及導葉角度數據對比如表1所示。

由水泵水輪機的水泵工況揚程特性曲線可知，水泵水輪機抽水啟動時，在高揚程、小流量范圍內有1個駝峰區，在駝峰區內運行，機組的水力性能不穩定，容易出現蝸殼壓力波動大，機組振動大的情況。由3號機組泵工況揚程特性曲線可知，此次事故發生時，3號機組在駝峰區內運行，從而導致事故的發生。3號機組泵工況揚程特性曲線如圖4所示。

表1 3號機組抽水啟動水頭及導葉角度統計

圖4 3號機組泵工況揚程特性曲線

4 問題處理與預防

從揚程特性曲線圖中可看出，駝峰區處于高水頭、低流量的情況下，故在水輪機的設計與選型時，應特別注意留取水泵水輪機最高揚程對應的點與駝峰區開始點之間的安全裕度，其值不應小于最大揚程的3%。

潘家口電廠所設置的抽水蓄能機組在設計選型時，駝峰區安全裕度選取量不足，導致在水頭接近最高設計水頭時，機組可能進入駝峰區運行，影響機組水力性能的穩定性。在不考慮抽蓄機組進行全方面改造的情況下，應調整調速器參數，控制導葉開度，以防止機組進入駝峰區內運行。考慮到潘家口電廠所處潘家口水利樞紐兼顧防洪任務，上水庫水位較高時，機組主要承擔泄洪任務，高水頭抽水啟動的次數有限，故潘家口電廠暫時未修改調速器參數，而是通過上、下水庫常規機組的配合運行，提高下水庫水位，以降低機組的水頭高度，使機組抽水啟動時避開駝峰區運行，避免了此類事故再次發生。

5 結束語

近年來，隨著電網的進一步加大，核電、風電機組的容量增多，抽水蓄能機組在電網中的重要性也與日俱增。抽水工況是抽水蓄能機組一個重要的運行工況，機組抽水啟動、運行的穩定性也引起人們的極大關注。

本文通過對潘家口電廠3號機組抽水啟動時發生的一起事故進行詳細的分析研究，找到了事故發生的原因，并且提出了避免此類事故再次發生的預防措施。希望通過本文，能夠引起人們對駝峰區安全裕度這一重要參數的重視，也能夠給存在相似問題的水電廠提供一個解決問題的思路，根據理論和實踐，找出相應的規律，避免機組進入駝峰區，以保證機組的安全穩定運行，從而發揮出抽水蓄能機組在電網中應有的作用。