抽水蓄能電站一管多機甩負荷試驗問題探討與實踐

趙常偉，趙曉宇，李珊珊

(1.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂 273400；2.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東 泰安 271000)

0 引 言

現(xiàn)代大型抽水蓄能電站普遍設(shè)計為多臺機組共用同一輸水系統(tǒng)，俗稱“一管多機”或“一洞多機”，大多為一管雙機，也有一管三機的，甚至還有一管四機的。一管多機布置的抽水蓄能電站機組甩負荷是一個多物理場耦合的復雜過渡過程，該試驗具有風險高、破壞性強的特點。

針對機組為非單元引水輸水方式布置的電站，同一引水系統(tǒng)中各臺機組甩負荷試驗和對輸水系統(tǒng)的考核應綜合考慮，多臺機組同時甩負荷試驗方式應按設(shè)計要求進行[1]。按以往經(jīng)驗來看，機組甩負荷試驗可大致分為單機甩負荷試驗、一管多機均發(fā)電運行同時甩負荷試驗、一管多機均發(fā)電運行其中一臺機組或一個聯(lián)合送出單元的機組甩負荷試驗(俗稱“干擾甩”)。對于一管多機同時甩負荷試驗，當前沒有任何設(shè)計方提出過“設(shè)計要求”，也沒有建設(shè)單位對制造廠家或設(shè)計院提出此項“設(shè)計要求”。以往試驗成功的電站都進行了一管多機同時甩100%N(N為額定荷載)試驗，但各家做法不盡相同：有一管n臺機組同時甩50%N、75%N、100%N試驗的[2-3]；也有一管n臺機組同時甩25%N、50%N、75%N、100%N試驗的[4- 6]；還有的電站僅“干擾甩”就做了多次，而且還存在相互“干擾甩”；甚至有的電站一臺機組共經(jīng)歷了幾十次甩負荷試驗。一管多機甩負荷試驗方案為什么差別這么大？歸根結(jié)底是各家對一管多機甩負荷試驗目的理解不一致，意見分歧也大。

本文綜合分析了抽水蓄能電站一管多機甩負荷試驗的目的，并通過山東沂蒙抽水蓄能電站同一流道2臺機組單機和雙機同時甩負荷的試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比分析，得出極端工況下的計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，建議在完成多機同時甩50%N、75%N的試驗后，當計算結(jié)果與真機試驗數(shù)據(jù)高度相似時，可取消一管多機同時甩100%N試驗。

1 一管多機甩負荷試驗目的探討

一管多機甩負荷試驗的目的，業(yè)界有觀點認為是為了檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件機械結(jié)構(gòu)的安裝缺陷，有觀點認為是為了檢驗調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是否滿足調(diào)保計算的，還有認為是為了檢驗機組和流道設(shè)計是否有安全冗余的[2，7]。

對于機組首次甩負荷試驗，確實能發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)件的安裝缺陷，但其實通過單機甩25%N～100%N試驗也能達到這一目的。機組的轉(zhuǎn)動部件是按照承受“飛逸轉(zhuǎn)速”來設(shè)計的，但這并不意味著必須用接近產(chǎn)生“飛逸轉(zhuǎn)速”的甩負荷試驗來驗證。相反，我們要通過試驗證明機組不會達到“飛逸轉(zhuǎn)速”，由此來確認機組運行是有安全冗余的。由于甩負荷試驗的高風險性與破壞性，通過一管多機甩100%N試驗，依靠更高的轉(zhuǎn)速來發(fā)現(xiàn)安裝缺陷的做法可能弊大于利。因此，“檢查發(fā)現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)安裝缺陷”不是一管多機甩負荷試驗的主要目的。

對于“檢驗調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是否滿足調(diào)保計算”與“檢驗機組和流道設(shè)計是否有安全冗余”，兩種說法并不矛盾。甩負荷形成的過渡過程，無論是蝸殼壓力上升還是轉(zhuǎn)速上升都會對機組的機械穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，流道壓力突變也會影響流道的安全。而過渡過程參數(shù)與調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律有非常直接的關(guān)系，所以上述兩種說法實際上是一致的。只要甩負荷的過渡過程參數(shù)均不超過設(shè)計標準，就可以判斷調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是符合調(diào)保計算的，也可以說機組和流道是安全的。

假如水道系統(tǒng)是一個無窮大系統(tǒng)，理論上可以驗證一管多機甩負荷與單機甩負荷結(jié)果是一樣的。正因為水道系統(tǒng)是有限的，其流量大小對過渡過程參數(shù)有顯著影響。通過單機甩負荷試驗足以驗證機組設(shè)計制造與安裝是否滿足調(diào)保計算，但還不足以驗證流道設(shè)計是否滿足。所以，一管多機甩負荷試驗還是必要的。

對于“干擾甩”試驗，主要目的是驗證發(fā)電電動機過負荷保護整定值的可靠性。一管多機同時發(fā)電運行，一臺機組突然甩負荷，引水流道壓力迅速上升、尾水壓力迅速下降，仍在運行的機組會迅速過載，最大過載達30%左右。如果此時在運機組因過負荷保護動作而甩負荷，其過渡過程對機組和流道的破壞力是最大的。但“干擾甩”的試驗目的并不是要取得這種“最大破壞力”的真機數(shù)據(jù)，而恰恰是要防止在運機組因“干擾甩”而甩負荷，通過錄取運行機組在“干擾甩”情況下的過載曲線，可以檢驗機組過負荷保護定值是否具有足夠的可靠系數(shù)。

2 一管多機甩負荷試驗方案的探討

一管多機甩負荷試驗的目的是為了檢驗機組和流道設(shè)計是否有安全冗余，鑒于甩負荷試驗的破壞性，只要能達到目的，試驗負荷應越小越好，試驗次數(shù)越少越好，因此沒有必要像單機甩負荷試驗那樣進行一管多機甩25%N、50%N、75%N、100%N試驗。

一般而言，25%N的流量對過渡過程參數(shù)的影響，在單機甩負荷試驗中已獲取類似數(shù)據(jù)，這個當量的試驗可以不做；如果通過甩50%N、75%N試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)計算，能夠判斷機組和流道在極端工況過渡過程影響下是安全可靠的，則甩100%N試驗就不必要進行。

如果只單一進行甩50%N或者是甩75%N試驗，就憑其數(shù)據(jù)及相關(guān)計算得出結(jié)論說機組和流道在極端工況下仍有安全冗余，往往不能服眾。所以一管多機的布置形式，宜進行甩50%N和75%N兩次試驗。

如果計算出極端工況下一管多機同時甩100%N后的過渡過程參數(shù)超過設(shè)計限值，將對機組或流道安全可靠運行構(gòu)成危脅，此時更不應進行一管多機同時甩100%N試驗，而是必須做出一些改變。首先應考慮調(diào)整調(diào)速器導葉關(guān)閉規(guī)律，要么改變流道、要么改變轉(zhuǎn)輪、或者是都改變，然后重新進行相關(guān)甩負荷試驗。

3 沂蒙抽水蓄能電站一管雙機甩負荷試驗

沂蒙抽水蓄能電站位于山東省臨沂市費縣，共安裝4臺單機容量300 MW機組，設(shè)計額定轉(zhuǎn)速375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速543.75 r/min，機組轉(zhuǎn)動慣量GD2為8 000 t·m2，調(diào)速器型號為SAFR-2000H，發(fā)電電動機與水泵水輪機均由東方電氣集團東方電機有限公司(以下簡稱“東方電機”)設(shè)計制造，整個電站樞紐工程由中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司(以下簡稱“北京院”)承擔設(shè)計。

沂蒙電站根據(jù)文獻[1]的要求完成了單臺機組從25%N到100%N的4次甩負荷試驗。在每次甩負荷試驗之前，東方電機會根據(jù)甩負荷試驗的計劃水頭，對甩負荷的結(jié)果進行預算，然后用真機試驗數(shù)據(jù)來檢驗計算成果的準確性。在甩負荷試驗后，再根據(jù)甩負荷的實際水頭進行復核計算。表1為單機甩負荷試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比。在此基礎(chǔ)上，東方電機和北京院均提出一管雙機甩負荷試驗可以只進行2×50%N和2×75%N兩組。雙機甩負荷試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果見表2。

表1 單機甩負荷試驗與計算數(shù)據(jù)對比

表2 雙機甩負荷試驗與計算數(shù)據(jù)對比

從表1、2的數(shù)據(jù)可以看出，沂蒙電站2臺機組單機甩負荷的8組數(shù)據(jù)，試驗值與計算值有高度的一致性。

東方電機還分別計算了最高水頭和額定水頭下同時甩2×100%N的結(jié)果。額定水頭下2×100%N先后相繼甩負荷是最惡劣的工況，東方電機也進行了計算驗證。結(jié)果均滿足設(shè)計標準，并有足夠的安全裕度，詳見表3。

通過10組真機試驗數(shù)據(jù)與計算成果對比，我們完全有理由認為東方電機對極端工況下甩2×100%N的計算結(jié)果是可信的，雙機同時甩100%N的試驗是沒有必要的。

另外，通過計算并與類似試驗數(shù)據(jù)對比，沂蒙電站發(fā)電電動機的熱穩(wěn)定能力遠高于“干擾甩”下在運機組的最大過載水平，發(fā)電電動機的過負荷保護定值具有足夠的可靠系數(shù)。沂蒙電站模擬了“干擾甩”下在運機組的動態(tài)過載電流并注入保護裝置，繼電保護動作正確(只報警未跳閘)，上述判斷得到了驗證。因此，沂蒙電站未進行“干擾甩”試驗。

表3 極端工況下雙機甩負荷的計算結(jié)果

4 結(jié) 論

經(jīng)過同一流道的2臺機組全面單機甩負荷試驗和雙機同時甩50%N、75%N試驗后，如果試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)高度一致，且計算的極端工況下雙機甩100%N結(jié)果滿足技術(shù)標準，足以證明流道和機組設(shè)計是有安全冗余的，雙機同時甩100%N試驗及“干擾甩”試驗沒有必要進行。

機組A修后如何進行甩負荷試驗，同樣應堅持低負荷少次數(shù)的原則。在轉(zhuǎn)動部件結(jié)構(gòu)未變、調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律未變和流道未變的情況下，機組A修后不宜做甩負荷試驗。若確有必要，宜進行甩50%N和75%N試驗并與啟動試運行試驗數(shù)據(jù)進行比較分析。