十三陵抽水蓄能電廠單臺機組甩負荷試驗分析

孫銘君，劉 揚，姜明利

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 概述

隨著我國新興能源的大規模開發利用，抽水蓄能電站配置由過去單一側重于用電負荷中心逐步向用電負荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發展[1]。當前我國電網系統中，抽水蓄能電站在能源結構中扮演緊急備用電源的重要角色，承擔電網中峰谷調節、調頻等一系列重要作用。電廠作為運營方，負責抽水蓄能機組定期檢修與日常生產維護，從根本上確保蓄能機組安全、穩定、高效運行。

十三陵抽水蓄能電廠地處北京市昌平區莽山森林公園，結合已建成的十三陵水庫為下庫區，綜合開發而成。作為我國最早一批投運的抽水蓄能機組，裝設有4 臺單機200 MW 的單級混流可逆式水泵水輪機組，1995 年首臺機組并網發電。本次甩負荷試驗同該電站一臺機組完成A 修后的穩定性試驗同期進行[2]。在甩負荷試驗過程中，該機組的各項保護裝置全部正常投入使用。通過甩負荷試驗，考驗機組在指定調節過程的穩定性、速動性和動態調節質量，同時對機組的A 修效果做出評價[3]。此次甩負荷試驗過程中，電廠機組原有的在線監測（華科同安提供）同時對試驗過程進行了錄波及數據采集，中國水利水電科學研究院利用穩定性離線測試系統進行數據采集，并對兩種系統的采集數據進行對比分析。根據甩負荷試驗數據，分別計算甩負荷過程中的轉速上升率、蝸殼進口水壓上升率和尾水管進口水壓下降，以此為依據驗證調節保證計算的正確性[4]。根據調速器錄波數據，檢驗機組甩負荷過程中導葉接力器的關閉規律，確定接力器不動時間，同時檢驗過速保護的靈敏度。

2 試驗測點及內容

2.1 機組參數

機組參數見表1。

表1 試驗機組參數

2.2 試驗目的

開展甩負荷試驗，主要用于檢驗機組及輸水系統的耐受能力，主要表現為：

（1）檢驗壓力鋼管、球閥等壓力管道系統的抗沖擊能力；

（2）檢驗水輪機、發電機、軸承等故障情況下的振動擺度情況；

（3）檢驗調速器的動作響應情況；

（4）檢驗機組在緊急狀態下，機組甩負荷轉速上升情況；

（5）檢驗當前導葉關閉規律；

（6）檢查機組在非正常狀態下的相關質量問題。

2.3 試驗內容

甩負荷試驗過程中，通過預先在機組各個監測點布置的穩定性離線測試系統，對整個甩負荷過程進行數據采集。各工況甩負荷試驗前，機組處于穩定運行狀態，離線測試系統數據采集正常。試驗標準參考GB 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》[5]、NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》[6]。

試驗過程中，水輪發電機組保護裝置全部投入工作，從25%Pr、50%Pr、75%Pr、100%Pr[7]逐次進行。每次甩負荷試驗后均開展機組停機檢查及監測數據分析，無異常后開展后續試驗，最終順利完成4 個工況點的甩負荷試驗。

2.4 測點布置

此次甩負荷試驗過程中的數據采集分為在線及離線兩種方式。其中在線監測系統選用的是華科同安數據監測系統，負責機組各主要測點的實時動態監測；離線測試系統的測點包括：蝸殼進口、轉輪與泄流環間、轉輪與導葉間、轉輪與頂蓋外側、轉輪與頂蓋內側、尾水管進口以及尾水肘管外側等壓力測點，同時分別安裝上導擺度X 方向及Y 方向、下導擺度X 方向及Y 方向、水導擺度X 方向及Y 方向的擺度傳感器，在上機架水平X 方向及Y 方向、垂直Z 方向，下機架的水平X 方向及垂直Z 方向，頂蓋水平X 方向及水平Y 方向分別安裝振動傳感器，對機組的運行穩定性進行監測。此外，引入轉速信號作為離線測試系統的校準測量量。本次甩負荷試驗同時運用兩種監測系統的數據并對部分測點的數據對比分析。

3 甩負荷試驗數據分析

3.1 電站調速器錄波數據分析

根據電站調速器錄波，判別甩負荷過程中導葉接力器不動時間和機組轉速上升率，各工況數據如表2 及圖1～圖6 所示。

表2 甩負荷過程調速器錄波數據

由圖1、圖2 得知：進行甩25%負荷過程中，導葉接力器不動時間為203 ms，轉速上升率為5.5%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》中關于“機組甩負荷導葉正常關閉時，混流可逆式機組最大轉速上升率宜小于45%”的規定。甩后經現場試驗人員檢查判定：各監測點數據正常，未發生破壞性損傷，各項檢查正常，可以開展下一工況的試驗。

圖1 甩25%負荷導葉接力器不動時間

圖2 甩25%負荷轉速上升率

由圖3、圖4 得知：進行甩75%負荷過程中，導葉接力器不動時間為195.3 ms，轉速上升率為22.50%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》中關于“機組甩負荷導葉正常關閉時，混流可逆式機組最大轉速上升率宜小于45%”的規定。甩后經現場試驗人員檢查判定：各監測點數據正常，未發生破壞性損傷，各項檢查正常，可以開展下一工況的試驗。

圖3 甩75%負荷導葉接力器不動時間

圖4 甩75%負荷轉速上升率

由圖5、圖6 得知：進行甩100%負荷過程中，導葉接力器不動時間為181.4 ms，轉速上升率為32.5%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》中關于“機組甩負荷導葉正常關閉時，混流可逆式機組最大轉速上升率宜小于45%”的規定。甩后經現場試驗人員檢查判定：各監測點數據正常，未發生破壞性損傷，各項檢查正常，甩負荷試驗順利完成。

圖5 甩100%負荷導葉接力器不動時間

圖6 甩100%負荷轉速上升率

3.2 甩負荷離線測試數據分析

3.2.1 振擺數據變化統計

根據表3 數據導出結果得出：上導擺度、下導擺度在全部各個工況下均未發生明顯變化；水導擺度在甩負荷各工況都有明顯增加，甩負荷后恢復到初始狀態，總體情況良好；上機架振動、下機架振動以及頂蓋振動的數值基本都在規定的范圍內，過程結束后，全部恢復到初始狀態。

表3 振動擺度數據統計

3.2.2 壓力變化數據統計

蝸殼進口壓力在各甩負荷工況下均有明顯增加，最大壓力值出現在甩75%負荷階段，采集最大尖峰值達到6 450.0 kPa，由于“水錘效應”的作用，蝸殼進口壓力測得的試驗曲線呈現先上升后下降的趨勢。尾水管處的壓力值則相反，壓力出現先降低又升高的變化趨勢，尾水管進口測點的數據在甩負荷各工況的最低壓力值均為正值（大于-0.08 MPa）。

表4 甩負荷測點壓力值

3.2.3 蝸殼壓力上升率

蝸殼壓力變化數據見表5、圖7。

表5 甩負荷蝸殼進口壓力上升率

圖7 甩75%負荷工況蝸殼進口壓力時域圖

3.2.4 尾水水壓下降率

尾水水壓變化數據見表6、圖8。

表6 甩負荷尾水管進口壓力變化

圖8 甩75%負荷工況尾水管進口壓力時域圖

全部甩負荷試驗過程中，蝸殼進口的最大壓力值出現在甩75%負荷階段，經計算：其最大壓力上升率為26.41%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》中“混流可逆式蓄能機組，最大壓力上升率不宜大于30%”的規定；尾水管進口測點的數據在甩負荷各工況的最低壓力值均為正值，滿足NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》中“尾水管進口最小壓力不宜小于-0.08 MPa”的規范要求。

4 結論

甩負荷期間機組各部位振動幅值雖較穩態工況有所增大，但并未發生異常振動，導葉關閉動作良好，甩負荷過程中管道內壓力的震蕩處于設計范圍內。各試驗工況后，機組重新開機至穩態工況，各部位振動擺度幅值正常。甩負荷試驗中，轉速上升率、蝸殼壓力上升率、尾水管壓力下降均未超過規范允許值，符合設計規定，說明該機組此次A 修工作效果良好，為機組的安全穩定運行奠定了基礎。

本次試驗過程表明，該機組具有緊急甩負荷能力。由于甩負荷過程為瞬態過程，在試驗過程中所產生的振動沒有對設備產生較大的永久性破壞，經停機檢查，未發現損壞現象，可以投入運行。