某抽水蓄能機組不同水頭發電工況下的穩定性試驗研究

郭建強，羅國虎，王 熙，瞿 潔，李金偉

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能機組在電力系統負荷低谷時利用系統富余電力將水從下水庫抽到上水庫儲存，在負荷高峰時將上水庫儲存的水放到下水庫進行發電，將上、下庫中水的勢能變化轉化為電力系統電能的充放和功率的調節，是電力系統最成熟的調節電源，在系統中具有調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動等“六大功能”[1-6]。

截至2020年底，我國抽水蓄能電站投運總裝機規模3 249萬kW，在建總裝機規模5 393萬kW。2021年至今，已有39個總裝機4 770萬kW抽水蓄能電站獲得了簽約、核準、開工等重要進展，這一數字已經超過世界最大的水電站-三峽水電站2 240萬kW總裝機規模的2倍[7]。

抽水蓄能機組的運行狀態關系到整個抽水蓄能電站的安全穩定運行[8]，本文針對國內某抽水蓄能機組在3個水頭、不同負荷工況下的穩定性進行了現場試驗和分析。

2 機組基本參數

水泵水輪機基本參數如表1：

表1 水泵水輪機基本參數

3 試驗測點布置

（1）擺度：水導+X方向布置1個測點。

（2）振動：頂蓋+X、+Y、+Z方向各布置1個測點，共計3個。

（3）壓力脈動：蝸殼進口、無葉區（活動導葉后轉輪前）+X、尾水錐管、尾水肘管各布置1個測點，共計4個。

現場傳感器安裝如圖1：

圖1 現場試驗傳感器安裝圖

4 試驗工況

本文著重分析3個水頭下的變負荷試驗數據，試驗工況如下：

（1）靜水頭：上庫平均水位372.79 m，下庫平均水位65.02 m，靜水頭307.77 m；機組負荷：78.6 MW、106.3 MW、130.0 MW、150.5 MW、176.9 MW、201.6 MW、225.3 MW、251.3 MW、274.7 MW、291.7 MW。

（2）靜水頭：上庫平均水位381.81 m，下庫平均水位64.13 m，靜水頭317.68 m；機組負荷：77.8 MW、103.9 MW、128.9 MW、152.8 MW、180.0 MW、201.9 MW、227.4 MW、252.3 MW、276.2 MW、296.4 MW。

（3）靜水頭：上庫平均水位388.64 m，下庫平均水位63.18 m，靜水頭325.46m；機組負荷：73.8 MW、100.3 MW、126.5 MW、147.4 MW、172.0 MW、197.1 MW、222.3 MW、248.4 MW、272.3 MW、294.9 MW。

5 試驗結果分析

5.1 變負荷試驗1（靜水頭307.77 m）

不同負荷工況下的水導擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表2所示。

不同負荷工況下的壓力脈動相對幅值（Δp/ρgH，Δp為壓力脈動混頻峰峰值，H為靜水頭）如表3所示。

表2 水導擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表3 壓力脈動相對幅值

5.2 變負荷試驗2（靜水頭317.68 m）

不同負荷工況下的水導擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表4所示。

不同負荷工況下的壓力脈動相對幅值如表5所示。

表4 水導擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表5 壓力脈動相對幅值

5.3 變負荷試驗3（靜水頭325.46 m）

不同負荷工況下的水導擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表6所示。

不同負荷工況下的壓力脈動相對幅值如表7所示。

表6 水導擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表7 壓力脈動相對幅值

5.4 變負荷試驗綜合分析

圖2展示了3個水頭下的擺度混頻峰峰值、振動混頻峰峰值、壓力脈動相對幅值隨負荷的變化趨勢。

圖2 3個水頭下擺度、振動、壓力脈動隨負荷變化趨勢

由圖2可以看出：

（1）隨著負荷的增大，水導擺度混頻峰峰值先快速減小后趨于平緩；3個水頭下水導擺度變幅轉折點對應的負荷均為150 MW左右，且水導擺度混頻峰峰值隨負荷變化趨勢基本一致，表明水頭對水導擺度混頻峰峰值的影響很小；根據ISO 7919-5：2005和GB/T 11348.5-2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發電廠和泵站機組》[9]可知，除75 MW負荷工況外，水導擺度混頻峰峰值均不超過145 μm，轉軸的擺度水平位于A區（轉速為333.3 r/min時，A/B分界線約145 μm），認為機組達到新交付使用時的運行狀態；

（2）隨著負荷的增大，頂蓋振動混頻峰峰值先減小后增大再減小，當負荷位于100 MW~150 MW區間內，頂蓋徑向振動混頻峰峰值小幅增大，符合抽水蓄能機組的典型特征；當負荷小于100 MW時，隨著水頭的升高，頂蓋振動混頻峰峰值小幅下降；當負荷大于150 MW時，3個水頭下的頂蓋振動混頻峰峰值基本一致，受水頭影響很小；根據ISO 10816-5：2000和GB/T 6075.5-2002《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發電廠和泵站機組》[10]可知，除75 MW負荷工況外，頂蓋徑向振動混頻峰峰值均不超過50 μm，機組的振動水平位于B區（B/C分界線為50 μm），認為機組可以無限制地長期運行；

（3）隨著負荷的增大，3個水頭下的肘管壓力脈動相對幅值均不超過2.1%，處于較低水平；蝸殼進口、無葉區、錐管的壓力脈動相對幅值基本呈現出不斷減小后小幅上揚的變化趨勢，靜水頭317.68 m、負荷152.8 MW工況下，蝸殼進口和無葉區處的壓力脈動出現局部峰值，需要進一步深入分析，但總體而言，3個水頭下蝸殼進口、無葉區、錐管的壓力脈動相對幅值隨負荷變化趨勢基本一致，吻合良好；當負荷超過150 MW時，三處的壓力脈動相對幅值均小于5%，處于可接受水平，表明機組運行狀態良好。

6 總結

本文分析了某抽水蓄能機組在3個水頭下水導擺度、頂蓋振動以及機組內部壓力脈動隨負荷的變化趨勢，研究了水頭對上述穩定性參數的影響，并參照相關技術標準對機組運行狀態進行了評價，為了解抽水蓄能機組的運行特性提供了實例參考。