機組調相壓水過程中流程及控制的分析

汪 健，徐國華，馬永軍，李垠鋼

（1. 華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺317200；2. 杭州富春江電力工程有限公司，浙江 桐廬311500）

1 引言

調相壓水流程是將高壓壓縮空氣注入機組轉輪室內，使機組的轉輪室內產生高壓并將轉輪室內的水位壓離轉輪，以滿足機組轉輪在空氣中旋轉，利用氣體的可壓縮特征，這樣不僅減小了水輪機啟動時的力矩，還降低了機組啟動過程中產生的振動，因此調相壓水是抽水蓄能機組流程中的一個重要組成部分。

2 調相壓水系統的組成以及順控流程

2.1 調相壓水系統的組成

調相壓水系統由高壓氣機、尾水管水位浮子測量裝置系統、調相壓氣罐系統、蝸殼泄壓閥門、壓水閥門系統以及其流程轉換控制系統等組成，其組成系統見圖1。

圖1 壓水系統的組成

我廠水泵水輪機及其主要輔助設備為奧地利VATECH公司提供，水泵水輪機為立軸、單級、混流可逆式，安裝高程EL52.0 m，最小吸出高度-58 m，額定軸出力為306 MW，額定凈水頭244.0 m，額定轉速為300 r/min，飛逆轉速465 r/min。機組調相壓氣氣源采用高壓氣系統，額定氣壓為8.0 MPa，每臺機組配置2個串聯的調相高壓氣罐。機組調相壓水及回水閥門組包括主壓水閥、補氣壓水閥，尾水管水位測量裝置，其布置于尾水錐管室，水位傳感器為壓差式傳感器，直接向監控系統輸出模擬量，由監控系統根據模擬量設定開關壓水閥門。

2.2 壓水邏輯

我廠機組有5個穩定運行工況，由靜止、發電、抽水、發電調相、抽水調相組成，其中靜止-抽水調相-抽水-抽水調相會涉及到調相壓水系統，本壓水邏輯主要介紹靜止到抽水調相及抽水過程中的流程轉換。

壓水預條件：迷宮冷卻水閥打開，導葉全關，蝸殼排氣閥關閉，轉輪排氣閥關閉。

壓水步驟：

第一步：打開調相壓水進氣閥，閥門全開后15 s復歸開閥令，見圖2。

圖2 壓水步序一邏輯圖

第二步：關閉調相壓水進氣閥，閥門全關后1 s復歸關閥令，見圖3。

圖3 壓水步序二邏輯圖

第三步：再次打開調相壓水進氣閥（反饋未收到下面尾水管信號，滿足再次開閥條件，命令已發出），“尾水管水位太高&高否”或“尾水管水位低”或“尾水管水位太低”動作后1 s復歸開閥令；只要尾水管水位反饋收到后，第3步執行完畢，立即執行第4步關閥，同時延時1 s復歸開閥命令，見圖4。

圖4 壓水步序三邏輯圖

第四步：關閉調相壓水進氣閥，閥門全關后復歸關閥令，見圖5。

圖5 壓水步序四邏輯圖

第五步：以上4步完成后，如果球閥全關、球閥旁通閥已全關，開啟蝸殼泄壓閥，閥門全開后復歸開閥令。

機組在調相壓水過程中，當機組轉速＞10%額定轉速時，且同時收到上下迷宮冷卻水閥打開、導葉全關、蝸殼排氣閥全關、轉輪室排氣閥全關信號時，調相壓水閥打開15 s進行壓水，若此時尾水管水位未達到停止壓水高程（尾水管水位高和太高浮子均復歸或者尾水管水位低或太低浮子動作），間隔1 s后調相壓水閥再次打開進行壓水，直到壓水至尾水管水位低于停止壓水高程后延時1 s自動關閉（在隨后的壓水保持過程中不再開啟），隨后在收到球閥全關、球閥工作旁通閥全關信號后開啟蝸殼泄壓閥，標志著機組壓水成功，進入到壓水保持階段。

3 調相壓水過程中需考慮的問題以及輔助設備對調相壓水的影響

3.1 壓水時間的控制

機組調相壓水時間的控制是根據尾水管水位浮子的位置以及壓水控制回路來決定的，同時也受氣罐氣壓、尾水管部分容積、下庫水位、轉輪漏氣量等因素的影響，根據我廠實際壓水情況，目前我廠第一次壓水時間為15 s，若尾水管水位未達到停止壓水高程，間隔1 s再次打開進行壓水。同時在具體控制中應考慮下面幾個問題：

（1）為防止過度壓水，當尾水管水位監測裝置監測到水位低信號動作時應立即停止壓氣和補氣，此時應保證水位監測裝置的動作可靠性以及正確性。

（2）當剛開始進行壓氣時，主壓水閥瞬間開啟時，轉輪室壓力急劇增大，若主軸密封安裝不到位時，會使主軸密封抬起，導致密封失效，因此必須對主壓水閥的開啟及關閉流程進行改進，延緩主壓水閥的開啟時間。

3.2 氣壓保持時間

維持轉輪室的氣壓在調相壓水過程中是一項重要的環節，若出現漏氣，則壓水時間必將縮短。正常情況下，當轉輪脫離水面在空中旋轉時，仍會有一部分空氣從尾水管逆向下游，因空氣經轉輪帶動后動能增加，經豎向氣流不斷擴散于水中并被水平回流帶走，再有機組調相運行的用氣量也將增加，這些都會造成高壓氣機運行時間過長，影響了高壓氣機的壽命。機組調相運行時主要有以下幾個漏氣點：

（1）主軸密封處漏氣至水車室。

（2）豎向回流與水平回流引起的尾水管逸氣。

（3）蝸殼排氣閥排氣至尾水管肘段或下庫。

依據我廠機組調相壓水的運行情況，因主軸密封每年都進行檢修與維護，因此主軸密封處的漏氣很少，但在機組抽水調相過程中，水位浮子高低的抖動，顯示著機組閥門部件仍然有漏氣的存在，所以我廠設置了調相壓水補氣閥來確保壓水成功的保持。

3.3 蝸殼排氣閥動作的延時性

蝸殼排氣閥的作用：在機組調相運行時，將轉輪室內通過導葉間隙逸向蝸殼的高壓氣排到下庫，當機組轉抽水時蝸殼內就無大量氣體，保證機組轉抽水的穩定性。我廠某機組在抽水調相穩態時曾發生過因壓水過程中蝸殼排氣閥未關導致事故停機，因機組調相壓水成功后，每間隔3 min打開5 s排氣，而當蝸殼排氣閥不在全關位置延時10 s動作事故停機。當時某機組蝸殼排氣閥從打開到關閉用了15 s，導致機組事故停機。因此蝸殼排氣閥開關動作的時間是保證壓水成功的一項重要指標。

3.4 尾水管浮子的靈敏性

尾水管水位測量裝置布置于尾水錐管段，一般利用開放容器的液位平衡原理：上下引出平衡管液位來反映尾水管內的實際水位，其主要作用是為機組調相啟動和運行時提供尾水水位信號，控制調相壓氣和補氣。我廠尾水管設置了4個浮子，分別為水位低、太低、水位高、太高，經過對這4個尾水管浮子的研究，尾水管水位浮子的故障對壓水過程中影響不大，但水位太高、水位低、水位太低信號不能復歸會造成跳機，太低信號抖動也有可能影響調相過程中的正常運行。因此保持尾水管浮子的靈敏性也是決定機組抽水調相過程中的一項重要參考因素。

3.5 調相壓水過程重點關注問題

（1）密切監視上、下迷宮流量是否正常，迷宮溫度的變化趨勢，機組技術供水系統各部冷卻水流量是否正常。

（2）檢查機組抽水穩態運行時的水導軸承、頂蓋、上導、上機架、下導、下機架等振動擺度值是否正常。

（3）密切監視發電機滑環、定子鐵心、熱風、冷風、上導軸承、下導軸承、推力軸承、水導軸承溫度變化趨勢。

4 結束語

抽水蓄能電站的調相功能在電網中起著重要的作用，同時也是機組工況轉換中的重要環節。本文主要介紹了調相壓水系統的組成以及壓水過程中的邏輯，并結合壓水過程中所涉及到的問題進行了探討，為機組的穩定運行提供了一些借鑒經驗，同時我們有必要更深入、更詳細研究抽水蓄能電站運行的各種工況，為保證設備設施的安全運行，防止設備性能劣化或降低設備失效概率提供保障。