朱冠宏

（華東宜興抽水蓄能有限公司 江蘇宜興 214205）

1 概述

水輪機組甩負荷是帶負荷的機組在運行中突然從電網(wǎng)中脫離失去負荷的情況，是一種劇烈的大波動水力過渡過程，可能會對電廠安全造成影響。甩負荷發(fā)生以后，發(fā)電機的阻力矩在極短的時間內(nèi)下降為零，巨大的剩余能量使機組的轉(zhuǎn)速迅速升高，導(dǎo)致水輪機蝸殼的壓力升高、尾水管中的真空度加大。如果甩負荷發(fā)生后不能及時關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)，水輪機組的轉(zhuǎn)速將升高至飛逸狀態(tài)，超過安全裕度的高速旋轉(zhuǎn)會對發(fā)電機及軸系造成嚴重破壞。

抽水蓄能可逆式機組具有水輪機和水泵 2個工作模式，通常具有較高的水頭（揚程），在運行中工況調(diào)節(jié)頻繁，壓力波動比常規(guī)水輪機更大。為了承擔電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相的作用，抽水蓄能的甩負荷狀態(tài)比常規(guī)機組頻繁。特別是電站通常采用一管多機布置方式，可能發(fā)生同一個水力單元中的機組互相影響的情況，甩負荷的情況將更加復(fù)雜，如發(fā)生相繼甩負荷或同時甩負荷時會發(fā)生多機壓力波動在上下游管路互相疊加的情況。

為了保證機組的安全，發(fā)生甩負荷以后需要調(diào)速器能夠及時關(guān)閉導(dǎo)葉減少水輪機力矩，調(diào)整機組重新穩(wěn)定在空載工況下運行。但是關(guān)閉導(dǎo)葉減少過機流量會在引水壓力管道中引起正水錘使水輪機水頭增加、在尾水涵洞中引起負水錘導(dǎo)致尾水管進水發(fā)生流動分離，甚至“水錘”導(dǎo)致壓力管爆裂或“反水錘”導(dǎo)致抬機等危害。因此，在抽水蓄能電站和機組設(shè)計階段，需要根據(jù)電站輸水系統(tǒng)和水輪機的特性進行調(diào)節(jié)保證計算，合理確定甩負荷時導(dǎo)葉的關(guān)閉時機和規(guī)律，并對轉(zhuǎn)速和壓力的變化過程進行校核，以保證在安全范圍之內(nèi)。

國內(nèi)新建的抽水蓄能電站均進行了調(diào)節(jié)保證計算，如天荒坪、宜興等電站，盡管如此，為了確保電站的運行安全，在原型機組上開展甩負荷試驗對計算結(jié)果進行驗證仍然是非常有必要的。特別是一管多機甩負荷試驗，試驗難度大風(fēng)險高且直接關(guān)系電站的安全運行，近年來逐漸得到重視，試驗的結(jié)果對于其他蓄能電站的運行也具有較好的指導(dǎo)意義。2010年江蘇宜興抽水蓄能電站進行了一管雙機甩負荷試驗，本文介紹了這次試驗的情況，并對試驗結(jié)果進行了分析。

2 電站參數(shù)

2.1 工程概括

江蘇宜興抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機容量1000MW，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。電站上水庫正常蓄水位 471.5m，死水位 428.6m；下水庫正常蓄水位 78.9m，死水位 57m。引水系統(tǒng)長1242.12～1153.47m，洞徑為6.0～2.4m，除上水庫進/出水口段采用鋼筋混凝土襯砌外，其余均采用鋼板襯砌，引水岔管采用對稱Y形月牙肋鋼岔管。尾水系統(tǒng)采用兩機一洞方式布置，尾水系統(tǒng)長1840.21～1907.68m，洞徑為5.0～7.2m，其中機組尾水管下游至尾水閘門井中心線下游 28.5m段采用鋼板襯砌，其余采用鋼筋混凝土襯砌。尾水調(diào)壓室布置在尾水岔管下游，采用阻抗式帶上室結(jié)構(gòu)型式，調(diào)壓室大井直徑為10.0m。

2.2 機組參數(shù)

電站引水系統(tǒng)采用一管兩機的布置方式，安裝4臺250MW立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機組，電機形式為立軸、懸式、三相、50Hz、空冷、可逆式同步發(fā)電電動機，和主變壓器采用單元接線方式，500KV系統(tǒng)采用內(nèi)橋接線方式接入華東 500KV電網(wǎng)。水輪機和發(fā)電機的參數(shù)見表 1、表 2。

表1 水泵水輪機參數(shù)

表2 電機參數(shù)

3 試驗方法

3.1 測點布置和傳感器

宜興抽水蓄能一管雙機甩負荷試驗的目的主要是驗證調(diào)節(jié)保證計算的結(jié)果、評價機組運行是否能夠達到設(shè)計要求。測試的對象為連接于同一管路中的1＃、2＃機組，測試參數(shù)主要有雙機甩負荷時壓力鋼管和每臺機組蝸殼最大壓力上升值、每臺機組尾水管真空、每臺機組最大轉(zhuǎn)速上升值等。因此，試驗測點參數(shù)主要有機組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度、壓力鋼管壓力、蝸殼壓力、尾水管壓力、發(fā)電機出口斷路器（GCB）信號和有功信號等，試驗測點的布置選擇見表3。

測試用的傳感器嚴格按照廠家和設(shè)計要求進行安裝，并在試驗開始前依據(jù)相關(guān)規(guī)程進行了校準，精度均符合試驗要求。傳感器安裝完畢后，分別啟動 1＃、2＃機組單機帶 50%負荷，檢驗傳感器的安裝及接線是否正確，所有傳感器工作正常。

表3 試驗測點布置選擇

3.2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

試驗采用甩負荷后直接停機的方法，電站機組甩負荷時導(dǎo)葉采用理論 40s的三段關(guān)閉規(guī)律(見圖 1)，球閥采用理論 48s直線關(guān)閉規(guī)律?，F(xiàn)場試驗甩負荷后，機組進入緊急停機程序，球閥和導(dǎo)葉接力器均緊急關(guān)閉。

圖1 雙機甩負荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

3.3 試驗過程和工況

試驗之前設(shè)計院根據(jù)原型機組特性曲線和單機甩負荷試驗時實際采用的導(dǎo)葉啟閉規(guī)律（三段式關(guān)閉規(guī)律），針對電力部門提供的可能試驗工況和控制工況進行了復(fù)核計算。

為了確保試驗安全，一管雙機甩負荷按照雙機甩50%、75%、100%負荷依次進行，對應(yīng)的毛水頭分別為 365.73m、403.78m和 396.40m，初始出力分別為120.351MW、187.0MW和250.0MW。每次甩負荷試驗后應(yīng)對試驗結(jié)果與標準和規(guī)范進行對比分析，并對兩臺機組進行全面檢查，確認安全后再進行下一步試驗。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗結(jié)果

宜興抽水蓄能電站 1、2號機組一管雙機甩負荷試驗結(jié)果見表 4～6，作為比較，調(diào)節(jié)保證計算的結(jié)果也在表中一起給出。

表4 一管雙機甩50%負荷試驗結(jié)果

表5 一管雙機甩75%負荷試驗結(jié)果

4.2 雙機甩100%負荷情況分析

通過對表中數(shù)據(jù)進行比較可以看出，雙機甩100%負荷情況下機組轉(zhuǎn)速升高幅度最大，蝸殼壓力最高，因此對電站系統(tǒng)的影響較大?，F(xiàn)場試驗甩負荷后，機組進入緊急停機程序，球閥和導(dǎo)葉接力器均緊急關(guān)閉，實測1、2號機組甩100%負荷導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律如圖2所示，關(guān)閉規(guī)律及時間滿足設(shè)計要求。

表6 一管雙機甩100%負荷試驗結(jié)果

圖2 雙機甩100%負荷時1、2號機組導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律

雙機甩100%負荷時，1、2號機組的過渡過程的曲線見圖3和圖4，由圖中可以看到：在甩負荷發(fā)生后 5s左右的時刻，壓力管、蝸殼的壓力和機組的轉(zhuǎn)速達到峰值，此后轉(zhuǎn)速逐漸下降并穩(wěn)定，壓力經(jīng)過多次波動逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 雙機甩100%負荷時1號機組過渡過程曲線

4.3 試驗結(jié)果評價

圖4 雙機甩100%負荷時2號機組過渡過程曲線

對比雙機甩負荷試驗結(jié)果和合同文件指標可以發(fā)現(xiàn)：（1）機組轉(zhuǎn)速最大上升率為35.62%，最大轉(zhuǎn)速為 508.6rpm滿足合同文件調(diào)節(jié)保證值（≤50%）的要求；（2）蝸殼最大壓力測試值為62.03bar，滿足合同“蝸殼進口中心線處最大壓力值不大于63bar”的要求；（3）尾水管最大壓力9.22 bar，最小壓力2.82bar，滿足合同“尾水管進口（轉(zhuǎn)輪出口）處最低壓力值不小于0.0bar；最大壓力值不大于 13bar”的要求。因此，電站甩負荷過渡過程的性能滿足合同要求。

5 結(jié)論

（1）調(diào)保計算所采用的數(shù)學(xué)模型、參數(shù)、邊界條件正確，計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)基本一致；

（2）電站的甩負荷過渡過程滿足合同指標的要求，電站具備在一管雙機甩100%負荷調(diào)節(jié)下可以確保安全。

宜興抽水蓄能電站一管雙機甩負荷試驗嚴格遵守相關(guān)試驗規(guī)程執(zhí)行，通過詳細的計算負荷、科學(xué)合理的試驗安排，得到了高水頭抽水蓄能電站在苛刻條件下大波動過渡過程的有效試驗數(shù)據(jù)，有效地檢驗了系統(tǒng)的可靠性，也為相關(guān)電站進行類似的試驗提供了經(jīng)驗。

1 張健, 盧偉華等. 輸水系統(tǒng)布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影響. 水力發(fā)電學(xué)報, 2008, 27(5).

2 鄭源, 張健主編. 水力機組過渡過程.北京: 北京大學(xué)出版社, 2008.

3 游光華, 劉德有, 王豐等. 天荒坪抽水蓄能電站甩負荷過渡過程實測成果仿真分析[J]. 水電能源科學(xué), 2005, 23(1).