抽水蓄能電站過渡工況中水力參數(shù)的采集與分析

摘要：分析了水錘現(xiàn)象、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時(shí)間對某抽水蓄能電站機(jī)組過渡工況的影響，選取機(jī)組100%甩負(fù)荷電氣事故停機(jī)試驗(yàn)、水泵工況下電氣事故停機(jī)試驗(yàn)的過渡工況進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，為機(jī)組運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考，為設(shè)計(jì)人員對機(jī)組或輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水力參數(shù);過渡工況;現(xiàn)場試驗(yàn);水錘;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

0 引言

國內(nèi)某抽水蓄能電站的單機(jī)容量為250 MW，總裝機(jī)容量為6×250 MW，為全國產(chǎn)化機(jī)組。在機(jī)組進(jìn)行無水調(diào)試、有水調(diào)試和整組啟動(dòng)試運(yùn)行調(diào)試過程中，通過采集水力數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)對機(jī)組在調(diào)試階段各工況的水力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可評估各種試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，靈活指導(dǎo)下一步調(diào)試工作，并為今后機(jī)組運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考，為設(shè)計(jì)人員對機(jī)組或輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。本文將對該抽水蓄能電站在調(diào)試期間的特殊工況現(xiàn)場采集的水力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討影響過渡工況的因素，并據(jù)此提出一些建議。

1 影響過渡工況的因素

正常并網(wǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組頻率不變，功率不變，假設(shè)凈水頭不變，機(jī)組是在滿足設(shè)計(jì)要求情況下的某一穩(wěn)定工況下運(yùn)行，此時(shí)輸入功率與輸出功率平衡，當(dāng)輸入功率或輸出功率有變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過渡工況。機(jī)組從一個(gè)穩(wěn)定工況到另一個(gè)穩(wěn)定工況的中間過程即為過渡工況。

1.1? ? 水錘現(xiàn)象對過渡工況的影響

水錘是發(fā)生在水電站引水系統(tǒng)中的非恒定流現(xiàn)象，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)的輸入功率與輸出功率不平衡時(shí)就會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。水錘現(xiàn)象會(huì)造成水力參數(shù)的激烈變化，受影響最明顯的位置為導(dǎo)葉前后、轉(zhuǎn)輪進(jìn)水側(cè)和出水側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水側(cè)和出水側(cè)壓力脈動(dòng)聚變時(shí)，會(huì)引起頂蓋劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.2? ? 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對過渡工況的影響

并網(wǎng)機(jī)組在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，即機(jī)組以恒定的功率和功率因數(shù)勻速運(yùn)行，水的勢能-旋轉(zhuǎn)機(jī)械能-電能之間能量轉(zhuǎn)換平衡。當(dāng)機(jī)組輸入功率發(fā)生變化時(shí)（包括抽水和發(fā)電工況），能量轉(zhuǎn)換出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組輸出功率變化。在機(jī)組正常及非正常開/停機(jī)、負(fù)荷調(diào)整等工況轉(zhuǎn)換時(shí)，球閥及調(diào)速器此時(shí)為了滿足負(fù)荷調(diào)整需求而快速動(dòng)作，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，造成流道壓力脈動(dòng)增大，供電質(zhì)量下降。特別是在機(jī)組100%甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值最大，在此過渡過程中，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2與機(jī)組升速有一定的關(guān)系，GD2越大，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率越小，在過渡工況中振擺數(shù)值也越小，提高了機(jī)組穩(wěn)定性，同時(shí)機(jī)組響應(yīng)速度也會(huì)降低。但根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)可知，GD2取值存在最大臨界點(diǎn)和最小臨界點(diǎn)，在臨界范圍外取值，若GD2過大，則機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差，且機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率改善不明顯;GD2過小，則機(jī)組響應(yīng)速度提升有限，且機(jī)組穩(wěn)定性能差。在臨界范圍內(nèi)增大GD2可以在一定程度上降低調(diào)保參數(shù)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

1.3? ? 導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時(shí)間對過渡工況的影響

根據(jù)上述水錘形成的原理，水輪機(jī)組同期并網(wǎng)后增加負(fù)荷，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，不難得出以下結(jié)論：在機(jī)組增負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉開啟越快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動(dòng)水壓力將越小，尾水管進(jìn)口的最大動(dòng)水壓力也將越來越大;在機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉越快，引起的水錘越大，蝸殼末端的最大動(dòng)水壓力將越大，尾水管進(jìn)口的最小動(dòng)水壓力也將越來越小;當(dāng)機(jī)組因電氣事故停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉最快，此時(shí)壓力也達(dá)到極限值。在水泵工況時(shí)，為了提高經(jīng)濟(jì)性，一般導(dǎo)葉在全開狀態(tài)下工作，產(chǎn)生的大波動(dòng)過渡過程為水泵斷電，調(diào)速器動(dòng)作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，此時(shí)也會(huì)在蝸殼末端形成負(fù)水錘。

以上分析結(jié)果表明，導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉時(shí)間在過渡工況下必須滿足調(diào)保計(jì)算參數(shù)要求。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)可知，在一個(gè)電站有多臺機(jī)組情況下，單臺機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉開度應(yīng)小于88%，當(dāng)單臺機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)葉開度超過88%時(shí)，一旦出現(xiàn)水錘效應(yīng)，可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)失效的后果。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)的水力參數(shù)分析

電站現(xiàn)場試驗(yàn)水力參數(shù)采集的數(shù)據(jù)種類較多，很多數(shù)據(jù)如尾水進(jìn)口壓力和尾水出口壓力波形變化趨勢一致，實(shí)時(shí)差值可忽略不計(jì)。由于本文主要圍繞過渡工況，討論其與水錘現(xiàn)象、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時(shí)間之間的關(guān)系，所以選取了導(dǎo)葉開度、機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)組有功功率、蝸殼末端壓力、尾水出口壓力等5個(gè)典型數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，選取機(jī)組100%甩負(fù)荷電氣事故停機(jī)試驗(yàn)、水泵工況下電氣事故停機(jī)試驗(yàn)的過渡工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1? ? 機(jī)組100%甩負(fù)荷電氣事故停機(jī)試驗(yàn)

機(jī)組100%甩負(fù)荷電氣事故停機(jī)試驗(yàn)的甩負(fù)荷過渡工況錄波如圖1所示，導(dǎo)葉開度與蝸殼末端壓力關(guān)系如圖2所示。

從圖1、圖2可知：導(dǎo)葉在GCB斷開0.3 s后動(dòng)作，分兩段關(guān)閉，第一段關(guān)閉時(shí)間為11 s，第二段關(guān)閉時(shí)間為10 s，導(dǎo)葉在15.2 s后開度降至20%（轉(zhuǎn)速為305 r/min），總關(guān)閉時(shí)間為21 s;轉(zhuǎn)速在5.7 s后升至最高速度399.6 r/min，18.7 s后，轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速300 r/min，導(dǎo)葉開度為8.4%。蝸殼末端壓力最大為4.026 MPa，波動(dòng)區(qū)間為0.7 MPa，尾水進(jìn)口壓力最小為0.373 MPa，波動(dòng)為區(qū)間0.54 MPa。從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)分析可知，導(dǎo)葉關(guān)閉及時(shí)，在15.2 s時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉至開度為20%（機(jī)組空載開度）時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速因?qū)~開度無法維持轉(zhuǎn)速上升，這時(shí)即使保持原開度，轉(zhuǎn)速也會(huì)低于額定轉(zhuǎn)速。水錘效應(yīng)在一個(gè)周期后基本消失，但在此過程，蝸殼末端壓力在導(dǎo)葉開度為35%時(shí)波動(dòng)很大，同時(shí)在變負(fù)荷試驗(yàn)過程中，25%負(fù)荷（導(dǎo)葉開度約為35%）時(shí)有功輸出波動(dòng)也較大，由此可以推測，35%導(dǎo)葉開度是機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定區(qū)域，在開機(jī)或關(guān)機(jī)時(shí)應(yīng)盡量縮短此區(qū)域時(shí)間。

2.2? ? 水泵工況下電氣事故停機(jī)試驗(yàn)

球閥和導(dǎo)葉在斷電后同時(shí)關(guān)閉，球閥關(guān)閉時(shí)間為53.5 s，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為14 s，蝸殼末端最大壓力為3.82 MPa、最小壓力為2.96 MPa，尾水進(jìn)口壓力最大為1.31 MPa、最小為0.47 MPa。在蝸殼末端形成負(fù)水錘，尾水進(jìn)水口形成水錘，一個(gè)周期后水錘效應(yīng)消失。

3 結(jié)語

本文闡述了水錘現(xiàn)象、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時(shí)間對機(jī)組過渡工況的影響。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析可知：水錘現(xiàn)象在過渡工況中出現(xiàn)一個(gè)周期后基本消失;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以抑制導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)帶來的功率波動(dòng)，但效果有限;導(dǎo)葉的開啟/關(guān)閉時(shí)間影響流道的水錘效應(yīng)大小;但機(jī)組在壓力脈動(dòng)變化劇烈區(qū)域，上述3個(gè)因素對機(jī)組過渡工況的影響較小，取決于機(jī)組本身的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為避免壓力脈動(dòng)劇烈變化對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患，在機(jī)組調(diào)試期間，應(yīng)確定機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，同時(shí)在后續(xù)的機(jī)組調(diào)試過程中，增加采集調(diào)壓井的液位數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，完善對機(jī)組過渡工況的水力數(shù)據(jù)采集工作。

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收稿日期：2020-03-27

作者簡介：沈龍（1983—），男，安徽人，工程師，研究方向：系統(tǒng)集成。