某抽水蓄能電站機組運行穩定性分析

景小兵,姜里運,許 閆

(1.遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179;2.國網錦州供電公司,遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著我國經濟高速發展,電力負荷需求持續增加,同時對電力系統靈活電源的需求也越來越大[1]。在國家“雙碳”目標引領下,國家能源局印發的《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》中提出到2030年抽水蓄能電站投產規模將達1.2億kW左右[2]。隨著抽水蓄能電站規模快速增長,抽水蓄能機組也向著大容量、高水頭、高轉速方向發展,加上抽水蓄能機組啟停頻繁、運行工況復雜,導致機組穩定運行壓力巨大,抽水蓄能機組的運行穩定性問題日趨嚴峻[3-5]。

1 機組參數

某抽水蓄能電站安裝4臺單機容量為300 MW的立軸單極混流可逆式機組。該電站總裝機容量為1200 MW,年平均發電量為18.36×108kWh,年發電小時數為1530 h;年抽水用電量為24.09×108kWh,年抽水小時數為2008 h。機組采用“一洞兩機”的布置形式,單機容量為300 MW,額定轉速為428.6 r/min,額定水頭為410 m。水泵水輪機和發電機主要參數如表1、表2所示。

表1 水泵水輪機參數

表2 發電機參數

2 測點布置及試驗儀器

2.1 測點布置

在上導、下導、水導軸承基座+X、+Y方向上分別安裝位移傳感器來測量機組各部位擺度,在試驗機組上機架、下機架、頂蓋上分別沿水平及垂直方向安裝振動傳感器來測量機組各部位振動,在機組大軸上安裝鍵相片,并安裝1個位移傳感器對準鍵相片以測量機組轉速,在水力測量系統蝸殼進口、尾水進口、導葉后轉輪前測壓管路處分別安裝壓力及壓力脈動傳感器測取相應位置壓力及壓力脈動,機組測點布置如圖1所示。

圖1 機組測點布置

2.2 試驗儀器

試驗數據采集系統采用北京華科同安TTS332型水電機組動態信號測試分析系統,該系統可同時輸入1路鍵相信號、8路大軸擺度或軸向位移信號(0～20 V)、16路機架振動信號(±5 V)、8路4～20 mA/0～5 V開關節點工況參數輸入。振動傳感器采用北京中元瑞訊LVS10低頻振動傳感器,位移傳感器采用Bently 330180型電渦流位移傳感器,壓力及壓力脈動傳感器采用羅斯蒙特300S1BAD1/5M5型壓力變送器。試驗設備現場安裝情況如圖2所示。

圖2 試驗設備現場安裝情況

3 試驗機組穩定性分析

機組穩定性主要通過變轉速、變勵磁、變負荷試驗分析機組轉速、勵磁電壓、負荷與機組穩定性之間的關聯性,機組在不同轉速、不同勵磁電壓、不同負荷工況下穩定運行5 min后開始采集試驗數據[6-7]。

3.1 變轉速試驗穩定性分析

在試驗機組水輪機方向手動開機,待機組球閥開啟后,手動調整導葉開度控制機組升速,分別在0.25nr、0.5nr、0.6nr、0.7nr、0.8nr、0.9nr、1.0nr(nr為機組額定轉速)7種工況下測試機組振動擺度等數據,試驗時上水庫水位為639.1 m,下水庫水位為211.7 m。

圖3為機組各部位擺度隨轉速變化趨勢圖。由圖3可知,該機組下導、水導擺度隨機組轉速升高變化較小;上導擺度隨機組轉速遞增呈先升后降趨勢,最高點出現在90%nr。圖4為機組各部位振動隨轉速變化趨勢圖。由圖4可知,該機組各部位振動隨機組轉速升高整體呈遞增趨勢;下機架振動變化較小,上機架振動隨機組轉速變化趨勢與上導擺度一致;下機架振動隨機組轉速升高變化較小;頂蓋振動在機組轉速小于80%nr時變化較小,在機組轉速大于80%nr后快速增加。機組升速過程中擺度數據均滿足規范及主機合同規定值[8-9]。

圖3 機組擺度與轉速關系曲線

圖4 機組振動與轉速關系曲線

3.2 變勵磁試驗穩定性分析

試驗機組在空轉工況穩定運行后,通過勵磁調節控制柜給機組加載勵磁,逐步升高機組定子電壓,分別在空載、0.25Ue、0.50Ue、0.75Ue、1.00Ue(Ue為機組額定電壓)5種工況下測試機組振動擺度等數據,試驗時上水庫水位為638.9 m,下水庫水位為211.7 m。

圖5為機組各部位擺度隨勵磁電壓變化趨勢圖。由圖5可知,機組下導擺度受勵磁電壓影響較大,隨勵磁電壓升高而增大;水導擺度幾乎不受勵磁電壓影響。圖6為機組各部位振動隨勵磁電壓變化趨勢圖。由圖6可知,上機架水平振動隨勵磁電壓增大而升高;下機架、頂蓋水平、垂直及下機架垂直振動幾乎不受勵磁電壓影響。空載工況下上機架水平振動和下導Y向擺度雖滿足規范要求,但略高于主機合同規定值。

圖5 機組擺度與勵磁電壓關系曲線

圖6 機組振動與勵磁電壓關系曲線

3.3 變負荷試驗穩定性分析

試驗機組自動開機至發電工況,在監控系統以0 MW、25 MW、50 MW、75 MW、100 MW、120 MW、140 MW、160 MW、180 MW、200 MW、220 MW、240 MW、260 MW、280 MW、300 MW的順序依次調整機組有功功率,測試各工況下機組振動、擺度、壓力、壓力脈動試驗數據(見表3—表5)。試驗時上水庫水位為644.3 m,下水庫水位為210.3 m。

表3 不同負荷下機組擺度數據

表4 不同負荷下機組振動數據

表5 不同負荷下機組壓力及壓力脈動數據

圖7為機組各部位擺度隨負荷變化趨勢圖,圖8為機組各部位振動隨負荷變化趨勢圖,圖9為機組各部位壓力隨負荷變化趨勢圖,圖10為機組各部位壓力脈動隨負荷變化趨勢圖。由圖7—圖10可知,試驗水頭下,機組振動、擺度、蝸殼進口、尾水管進口壓力、蝸殼進口壓力脈動均隨負荷增大整體呈下降趨勢,機組負荷越大穩定性越好;機組在低負荷區域運行時,機組穩定性較差;機組負荷小于75 MW時,下導、水導擺度較大,超過主機技術合同規定值,最大值為176 μm;上機架、頂蓋水平振動較大,超過主機技術合同規定值,最大值為47 μm;機組各部位振動、擺度在負荷大于140 MW時基本趨于穩定,為機組穩定運行區[10];導葉后轉輪前壓力隨負荷增大呈先降后升趨勢,壓力最低點出現在負荷120 MW時;尾水管進口壓力脈動隨負荷增大呈先升后降趨勢,壓力脈動最高點出現在負荷100 MW時。

圖7 機組擺度與負荷關系曲線

圖8 機組振動與負荷關系曲線

圖9 機組壓力與負荷關系曲線

圖10 機組壓力脈動與負荷關系曲線

4 結論

a.試驗水頭下,機組振動、擺度指標均隨機

組轉速及勵磁電壓增大整體呈遞增趨勢,轉速對上導擺度、上機架和頂蓋振動影響較大,勵磁電壓對下導擺度和上機架振動影響較大。

b.根據不同負荷下穩定性試驗數據分析結果,在低負荷區域運行時,機組穩定性較差,機組振動、擺度、蝸殼進口、尾水管進口壓力、蝸殼進口壓力脈動均隨負荷增大整體呈下降趨勢,機組負荷越大穩定性越好。