某蓄能機組CP工況迷宮環(huán)溫度高處理探析

王軍朋，熊 照

（梅州蓄能發(fā)電有限公司，廣東 梅州 514000）

0 引言

某抽水蓄能電站是一座周調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用等功能，為南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供多功能綜合服務，是國家“西電東送”能源戰(zhàn)略的重要配套工程[1]。

該抽水蓄能電站機組自2018年正式移交廣東中調(diào)調(diào)管，對廣東電網(wǎng)的調(diào)峰填谷起重要作用。廣東電網(wǎng)負荷具有典型的三峰三谷特性、峰谷差較大、節(jié)日效應明顯、氣溫靈敏相關的特點，需要機組調(diào)相運行，從電網(wǎng)吸收少量有功功率維持機組正常運行，通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電壓，從電網(wǎng)吸收無功功率或向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，協(xié)助調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓[2]。往往需要機組提前啟動CP長時間運行，以保證機組P工況熱備用的及時性。機組長時間CP工況運行，往往引起迷宮環(huán)溫度高報警。

1 迷宮環(huán)溫度高原因分析

機組CP工況啟動時，壓縮空氣將尾水壓至轉(zhuǎn)輪室以下，機組開始升速，迷宮環(huán)與空氣摩擦，產(chǎn)生熱量導致其溫度逐步上升，此時迷宮環(huán)供水投入。迷宮環(huán)供水取自機組技術供水，機組技術供水取水口在尾水管擴散段距離機組中心線17.5 m處，排水管在尾水閘門后10 m處，取水口與排水口距離79.8 m，調(diào)相工況下，尾水管內(nèi)水流體積約為1 105 m3（88 m×3.14 m×4 m）,技術供水泵流量約1 101 m3/h。尾水管內(nèi)冷卻水處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)（如圖1所示），技術供水循環(huán)后吸收各用戶（主變、發(fā)電機、各軸承）熱量使尾水水溫整體升高，熱交換不充分，水溫逐步升高(如圖2所示），平均每小時上升約2℃，導致迷宮環(huán)冷卻效果下降后出現(xiàn)溫度高報警。

圖1 CP工況技術供水示意圖

圖2 CP工況技術供水溫度上升趨勢

2 機組CP工況運行迷宮環(huán)溫度升高趨勢

對上、下迷宮環(huán)在CP工況和CP轉(zhuǎn)P（或停機）運行過程中的溫度數(shù)據(jù)進行了分析，迷宮環(huán)溫升曲線主要分為3個階段，如圖3所示。階段1：從停機狀態(tài)到CP工況啟動、升速逐步達到穩(wěn)態(tài)的過程，CP工況啟動過渡過程，機組擺度和振動相對較大，與穩(wěn)態(tài)運行相比，迷宮環(huán)溫度上升較快，開機前迷宮環(huán)溫度設為T1；階段2：CP工況穩(wěn)態(tài)運行，迷宮環(huán)溫度隨技術供水溫度升高而逐漸上升，CP轉(zhuǎn)P（或停機）前的溫度設為T2；階段3：CP轉(zhuǎn)P（或停機）的過程，由于球閥下游密封退出，蝸殼內(nèi)壓力升高，迷宮環(huán)供水壓力小于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)氣壓或水壓，迷宮環(huán)供水無法供應，此時迷宮環(huán)溫度迅速上升，當回水排氣時尾水水位上升到迷宮環(huán)，對迷宮環(huán)進行冷卻，迷宮環(huán)溫度又迅速下降，CP轉(zhuǎn)P（或停機）回水期間迷宮環(huán)達到的最高溫度設為T3。

圖3 上、下迷宮環(huán)典型溫度曲線

T1值基本上取決于機組啟動前技術供水溫度，約等于技術供水溫度；T2值取決于T1值和CP工況運行時間，上、下迷宮環(huán)的溫度在CP工況穩(wěn)態(tài)下平均每小時上升約2.5 ℃，故T2≈T1+2.5×t+開機時迷宮環(huán)溫度上升值；根據(jù)實際溫度曲線記錄，在CP轉(zhuǎn)P（或轉(zhuǎn)停機）過程中，上迷宮環(huán)急速溫升約4~7 ℃，下迷宮環(huán)溫升約1 ℃，故T3≈T2+（4~7）℃。由此可見，迷宮環(huán)供水溫度、CP工況運行時間對迷宮環(huán)溫度的變化起到了重要作用，但要從根本上解決迷宮環(huán)溫度高的問題，必須降低迷宮環(huán)供水溫度。

3 迷宮環(huán)溫度過高解決方案分析

3.1 增加迷宮環(huán)供水流量

將機組CP工況下迷宮環(huán)供水流量復測結(jié)果與系統(tǒng)設定值對比發(fā)現(xiàn)流量無變化，均滿足要求。根據(jù)傳熱學公式：G=QC/（T-t），Q為熱量，G為流量，C為水熱容比；增加上、下迷宮環(huán)供水流量，可以降低迷宮環(huán)溫度，但存在濺水功率增加的風險，同時影響機組振動擺度值，故不建議通過增加迷宮環(huán)供水流量來降低迷宮環(huán)溫度。

3.2 改變迷宮環(huán)的供水的取水位置

取低溫水源對迷宮環(huán)進行冷卻，主要有消防管、廠房通風空調(diào)冷水機組、上游壓力鋼管3個方向供考慮。其中消防管路壓力不足，需要增加加壓泵，并且消防管路的設計流量有限，如果多臺機組同時CP運行，可能會影響其他消防用戶的供水。廠房通風空調(diào)冷水機組供水水溫條件優(yōu)越，但該系統(tǒng)屬于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，迷宮環(huán)供水會排至尾水管，無法回收，同時存在壓力不足的缺陷。利用原有的上游備用取水管和設備，接通迷宮環(huán)上游取水，斷開從技術供水側(cè)的取水。該方式應用原有管路和設備，對設備的改動較小，成本投入小，改造風險小，預期能夠解決長時間CP工況運行迷宮環(huán)溫度過高的關鍵問題。迷宮環(huán)供水取自上游供水后解決了迷宮環(huán)CP工況溫升問題，但技術供水溫升問題目前仍無有效、可行的技術手段，同時存在壓力高、振動大、噪音大等問題，增加了水淹廠房的風險。

3.3 改變技術供水的排水方式

1號、2號機組技術供水排水總管之間有1根聯(lián)絡管，聯(lián)絡管裝有1個常閉手動閥009VP。當1號機組CP工況運行時，打開聯(lián)絡管手動閥，將1號機組技術供水分流至2號機組尾水管內(nèi)，從而減緩1號機組尾水溫度的上升。同理，可對3號和4號機組、5號和6號機組以及7號和8號機組上實施以上操作，實現(xiàn)CP工況下整個技術供水溫度的控制。技術供水溫度上升放緩，迷宮環(huán)和導軸承等各用戶的溫度相應地降低，有利于改善機組整體運行狀態(tài)。因1號機組技術供水要分流至2號機組尾水管，則此時，2號機組CP工況不宜運行，否則2號機組技術供水溫度將上升過快。即在此模式下，排水互聯(lián)的2臺機組只能1臺運行CP工況。根據(jù)機組年度運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電站平均每日CP運行臺次較多，只允許4臺CP同時運行的條件較難滿足。

3.4 適當調(diào)高溫度報警定值

上、下迷宮環(huán)成分相同，均為CuAlFeMnNiCo，根據(jù)鋁青銅線膨脹系數(shù)與溫度關系反算發(fā)現(xiàn)溫度升高后迷宮環(huán)尺寸變化與廠家設計要求（下迷宮間隙為1.70 mm，即1.7~1.927 5 mm，上迷宮間隙為1.5 mm，即1.5~1.727 5 mm）之間還存在一定間隙裕度，同時對照其他蓄能電廠迷宮環(huán)溫度設定值，發(fā)現(xiàn)可以將上、下迷宮環(huán)報警及跳機坎值適當提高。目前將上、下迷宮環(huán)的溫度坎值調(diào)整為表1所示，經(jīng)過一段時間運行，較有效地減少了報警的發(fā)生。

表1 上、下迷宮環(huán)的溫度坎值單位：℃

3.5 優(yōu)化運行策略

天氣溫度低的季節(jié)，尾水管水溫較低時，CP工況下迷宮環(huán)允許運行時間大幅增加，對CP工況運行約束較小；天氣溫度高的季節(jié)，尾水管水溫較高時優(yōu)先將CP工況運行時間長的機組轉(zhuǎn)P工況運行，對上、下迷宮環(huán)任一溫度達到44 ℃以上的CP工況運行機組申請轉(zhuǎn)泵或換機，CP工況運行達到4 h機組向調(diào)度申請轉(zhuǎn)泵或換機。

4 結(jié)論

水輪機轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)的作用是用來減小轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間的漏水損失，如果發(fā)生迷宮環(huán)燒損故障，不僅會降低機組的效率，而且會對機組運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[3]。降低迷宮環(huán)供水溫度可以從根本上解決迷宮環(huán)溫度高問題，但已建成電站受現(xiàn)場條件限制，往往難以完成。從迷宮環(huán)材料和安全性分析，適當提高報警溫度坎值或優(yōu)化運行策略，也可以緩解或一定程度上解決長時間CP工況運行所引起的溫度高問題。

迷宮環(huán)溫度高是制約蓄能機組CP工況運行時間的一個重大因素，解決該問題可大幅延長機組CP工況運行時間。蓄能機組CP工況安全穩(wěn)定運行，可大幅縮短電網(wǎng)填谷時間，對電網(wǎng)的安全運行和新能源的有效利用提供有利條件。希望能為在建、已投運的蓄能機組設計與技改提供參考。