易承勇

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉 313302）

可逆式機(jī)組低水頭運(yùn)行特性分析及應(yīng)對措施

易承勇

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉 313302）

對天荒坪抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)低水頭運(yùn)行特性及其后果進(jìn)行了深入分析，并采取了預(yù)開導(dǎo)葉法解決并網(wǎng)困難的問題，對其動作原理進(jìn)行了敘述。

抽水蓄能電站；低水頭發(fā)電并網(wǎng)；“S”特性曲線；預(yù)開導(dǎo)葉

天荒坪抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量為1 800 MW，安裝有6臺300 MW的單級、立軸、混流可逆式水泵水輪機(jī)/發(fā)電電動機(jī)組。正常運(yùn)行時日變幅將為34～43 m，每日運(yùn)行水頭及水位變化速率都很大，設(shè)計最大毛水頭610.2 m，額定水頭（正常發(fā)電的最低水頭）為526 m，6臺機(jī)組同時運(yùn)行時，上水庫最大水位變化速率達(dá)7～8 m/h，下水庫可達(dá)9～10 m/h，如此大的水位變幅和水位變化速率給機(jī)組的運(yùn)行特性提出了更高的要求。

天荒坪電站曾多次發(fā)生機(jī)組低水頭（＜550 m）發(fā)電工況并網(wǎng)不成功問題，表現(xiàn)為發(fā)電工況并網(wǎng)前，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速后無法穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)葉開度變化較大，在19%～21%之間變化，對應(yīng)的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角約4.5°，接力器行程范圍為160 mm～165 mm，同時機(jī)組振動加劇，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始大范圍波動，轉(zhuǎn)速擺動頻率超過0.07 Hz，并有繼續(xù)加大的趨勢，無法實現(xiàn)并網(wǎng)，即使偶爾并網(wǎng)成功后在導(dǎo)葉開啟過程中經(jīng)常因機(jī)組逆功率保護(hù)動作，導(dǎo)致機(jī)組啟動失敗。

1 低水頭運(yùn)行特性分析

經(jīng)初步分析判斷，該問題是由于機(jī)組低水頭運(yùn)行時，導(dǎo)葉空載開度相對較大，機(jī)組并網(wǎng)前在其臨界點即飛逸線運(yùn)行時未能避開“S”不穩(wěn)定區(qū)造成的。

圖1 高轉(zhuǎn)速區(qū)的開度線

如圖1所示，在Q1＇～n1＇曲線上，中、高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的開度線在高速區(qū)略呈向下彎曲的形狀，如圖1中虛線，和飛逸線（M1＇=0）的交角較大，故這種水輪機(jī)在到達(dá)飛逸后容易保持穩(wěn)定。

而對于高水頭、大容量的抽水蓄能可逆式水泵水輪機(jī)來說，機(jī)組的比轉(zhuǎn)速較小，流道狹長，轉(zhuǎn)輪直徑較大，離心力作用大，使水的進(jìn)流速度很快下降，開度線顯著向下彎曲，如圖1中實線。這些線和M1＇=0線的交角很小，故這種機(jī)組達(dá)到飛逸后有可能繼續(xù)進(jìn)入制動區(qū)。

水泵水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速特別低，在受到其自身慣性驅(qū)動而進(jìn)入制動區(qū)后，由于水流對轉(zhuǎn)輪的阻擋作用，在流量減少的同時也使轉(zhuǎn)速略有下降，故開度線出現(xiàn)向小n1＇值反彎的現(xiàn)象，如圖2所示，如果慣性力仍不消失，轉(zhuǎn)輪離心力將使水反向流出，即進(jìn)入反水泵區(qū)，此后轉(zhuǎn)速將再增大，使開度線向大n1＇方向彎曲，總的形成一個“S”形，這段曲線稱為“S”特性曲線。

圖2 可逆式水泵水輪機(jī)的“S”特性

在機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)前，機(jī)組實際上是處于空載開度下的飛逸狀態(tài)。當(dāng)小開度有“S”曲線時機(jī)組有可能很快通過制動區(qū)而進(jìn)入反水泵區(qū)，此時機(jī)組由電網(wǎng)吸收有功向泵方向打水，所耗功率可達(dá)額定值的30%左右；當(dāng)導(dǎo)葉開大后大量水流進(jìn)入，機(jī)組會很快轉(zhuǎn)入水輪機(jī)工況，但在主軸上造成很大的力矩反復(fù)。

圖3為水泵水輪機(jī)并網(wǎng)前后的空載點，對于抽水蓄能電站來說，水頭變幅較大，運(yùn)行水頭較高時，機(jī)組的n1＇值較小，A點偏向左方而離“S”區(qū)較遠(yuǎn)，啟動后比較容易順利帶上負(fù)荷而達(dá)到B點；而運(yùn)行水頭較低時，機(jī)組的n1＇值較大，A點深入“S”區(qū)，在“S”區(qū)域內(nèi)機(jī)組在同一單位轉(zhuǎn)速下對應(yīng)有3個不同的單位流量，其中1個還是負(fù)值，所以“S”區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，機(jī)組運(yùn)行于“S”區(qū)后轉(zhuǎn)速波動很大，無法保持穩(wěn)定并實現(xiàn)并網(wǎng)，天荒坪抽水蓄能電站多次出現(xiàn)低水頭并網(wǎng)不成功問題原因也就在于此。

圖3 水泵水輪機(jī)起動過程曲線

為確保機(jī)組安全和開機(jī)成功率，運(yùn)行人員采取了臨時處理措施，進(jìn)行手動控制負(fù)荷限制升/降按鈕，來壓低導(dǎo)葉開限，減小轉(zhuǎn)速波動，實現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)，但該方法也因人為控制的主觀因素，也會發(fā)生啟動失敗的情況。

2 針對低水頭并網(wǎng)困難的解決措施

為解決低水頭并網(wǎng)困難這一設(shè)備隱患，進(jìn)行加裝導(dǎo)葉不同步裝置（MGV），采用“預(yù)開導(dǎo)葉法”?！邦A(yù)開導(dǎo)葉法”的工作原理是將對稱的2個導(dǎo)葉先打開至23°左右，保持到其他導(dǎo)葉打開至某一特定開度后再進(jìn)入同步操作，在其他導(dǎo)葉較小開度時就能得到相應(yīng)的流量和速度，由于在導(dǎo)葉較小開度時避開了“S”不穩(wěn)定區(qū)，所以機(jī)組空栽運(yùn)行時的穩(wěn)定性得到了明顯改觀，即運(yùn)行范圍已不在“S”區(qū)。新特性曲線在給定的運(yùn)行范圍內(nèi)，除了最低水頭的一個極小區(qū)域不再出現(xiàn)反水泵運(yùn)行，在正常運(yùn)行水頭范圍內(nèi)導(dǎo)葉所有開度線與各種負(fù)荷的轉(zhuǎn)矩線都只有一個清晰的交點，即相對應(yīng)的n1=常數(shù)，這意味著機(jī)組運(yùn)行必然是穩(wěn)定的。機(jī)組并網(wǎng)后，為了保證發(fā)電負(fù)載工況下的穩(wěn)定性，其他導(dǎo)葉的控制環(huán)在操作下繼續(xù)開啟，而2個預(yù)開啟導(dǎo)葉開度仍保持不變，當(dāng)達(dá)到某一功率或?qū)~開啟至一個特定角度后，預(yù)開啟導(dǎo)葉才與其他導(dǎo)葉同步隨功率增大繼續(xù)開啟至最大。在機(jī)組減負(fù)荷停機(jī)時，2個預(yù)開啟導(dǎo)葉先于其他導(dǎo)葉設(shè)定在相應(yīng)負(fù)荷的一個特定開度。

(1)在26個活動導(dǎo)葉中選擇對稱的5號和18號導(dǎo)葉，將其拐臂改裝為一個象剪刀一樣的雙連桿結(jié)構(gòu)，連桿I中部鉸接于導(dǎo)葉上，其一端連接在控制環(huán)上，另一端與單接力器的活塞桿相連接。連桿II的一端固定在導(dǎo)葉上，另一端連接在單接力器的缸體上。

(2)單接力器只能運(yùn)動至兩端部位置，在其運(yùn)動時，連桿I、II可以相對轉(zhuǎn)動，而引起所控制導(dǎo)葉相對于其他導(dǎo)葉的預(yù)開啟（關(guān)閉）或者與其他導(dǎo)葉一起動作。

(3)控制環(huán)的所有動作同時傳遞給這兩個預(yù)開啟導(dǎo)葉在內(nèi)的所有導(dǎo)葉。

(4)通過一組壓油管路、一組電磁閥及一個控制閥，將控制環(huán)的位置傳遞輔助信號至各接收部位以達(dá)到預(yù)開啟相關(guān)特定導(dǎo)葉的目的。

預(yù)開啟導(dǎo)葉上裝有限位塊，能夠?qū)刂崎y的閥桿起限位作用，當(dāng)機(jī)組自部分負(fù)荷至滿負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時，能夠防止預(yù)開啟導(dǎo)葉超過其最大開度。

圖4 MGV原理圖

MGV的控制系統(tǒng)如圖5所示：

圖5 MGV控制系統(tǒng)

（1）SCV（Solenoid Control Valve）系一雙向電磁液壓控制閥，具有控制水輪機(jī)使其處于MGV裝置“投入”或“退出”的功能，PMV（Pilot Mode Valve）是一液壓彈力回復(fù)的導(dǎo)向閥，SCV與PMV組成每臺機(jī)一套的總控制閥組，設(shè)置于機(jī)坑內(nèi)壁的閥座上。

（2）MCV（Main Control Valve）為一NG10型主控制閥，5號和18號導(dǎo)葉各設(shè)置一個，分別設(shè)置于5號和18號導(dǎo)葉部位處機(jī)坑內(nèi)壁的支架上。

（3）控制油源自調(diào)速器柜內(nèi)的Shut Down Valve (緊急關(guān)閉閥)以Φ12/Φ8管路進(jìn)入機(jī)坑連接至機(jī)坑內(nèi)壁的SCV、PMV控制閥組，再從閥組以Φ12/Φ8管路通向5號和18號導(dǎo)葉的主控制閥MCV，控制油壓設(shè)計值為5.0～5.4 MPa。

（4）壓力油源取自調(diào)速器機(jī)械柜后部Φ100的壓力油管，以Φ25/Φ20管路進(jìn)入機(jī)坑并連接至5號和18號導(dǎo)葉的控制閥MCV。

（5）回油以Φ25/Φ20管路自控制閥排向油壓裝置的集油箱。

MGV的投入只有在以下條件均滿足的情況下，才能自動投入：

（1）調(diào)速器置“AUTO”方式；

（2）機(jī)組工作水頭低于560 m；

（3）機(jī)組在發(fā)電工況運(yùn)行；

（4）機(jī)組在非調(diào)相工況運(yùn)行；

（5）小接力器行程在其最小與最大值范圍內(nèi)，相當(dāng)于導(dǎo)葉轉(zhuǎn)交1°～2°與10°之間。

3 結(jié)論

MGV裝置安裝完成后，經(jīng)過多年的實際運(yùn)行，MGV裝置的投用使機(jī)組發(fā)電工況低水頭并網(wǎng)困難的問題得到了根本性解決，起到了穩(wěn)定機(jī)組轉(zhuǎn)速，縮短機(jī)組并網(wǎng)時間的作用。但MGV的投用還存在如下一些問題：

（1）MGV的投用對機(jī)組的效率會產(chǎn)生一定的影響，在選定導(dǎo)葉的預(yù)開角度為23°時，效率會下降2%左右。

（2）從試驗情況來看，MGV的投用在機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)后空載運(yùn)行及150 MW負(fù)荷以下（任意水頭）運(yùn)行時，效果均不理想，所以MGV裝置在機(jī)組并網(wǎng)后均設(shè)置為“切除“狀態(tài)。

（3）MGV投入后并網(wǎng)過程中機(jī)組振動加大，所以我們在MGV投入水頭上進(jìn)行了反復(fù)的摸索，最終確定投入水頭為560 m。

雖然MGV得使用帶來一些問題，但實踐證明采用MGV裝置以后，機(jī)組在發(fā)電工況啟動至并網(wǎng)的全過程和甩負(fù)荷停機(jī)過程中達(dá)到了設(shè)置的目的，極大的提高了在低水頭下發(fā)電工況機(jī)組的啟動成功率。

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TK734

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1672-5387（2010）04-0061-03

2010-03-10

易承勇（1977-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)行工作。