奧地利科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的試運行

[奧地利] G.格勒 等

2004年 9月,沃拉爾貝爾格爾韋爾科股份有限公司(I l lw e r k e)開始其最大的抽水蓄能電站的施工,該電站裝機容量 450MW(3×150MW)。2008年 4月,經過約3.5 a的施工,完成了首臺機組的安裝,3號機組并網發電,從該工程的復雜性看,施工期是短的。其他 2臺機組,1號與 2號機組在 6月底發電。在這幾個月期間,成功地進行了輔助設備和下級控制的詳細試驗。隨后,進行了起動和停機控制試驗,包括機械保護系統的試驗。

2008年 7月 15日,在完成塔法夢特上部調壓室的施工以后,于同年 8月開始試運行。

在所有的電氣和機械設備開始試驗之前,必須對結構系統進行大量的調查和試驗。

在 2008年 11月的試運行期間,通過控制所有3臺機組的并聯、循環和同時運行,對科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站(以下簡稱“科普斯Ⅱ期電站”)的整個水力系統進行了詳細試驗。水泵和水輪機兩種模式的循環變化時長,保證了引水渠和尾水渠水力系統固有頻率諧振時能使試運行平穩進行。在試運行期間,每個水力元件以及電站所有機組的運行均與預料的情況一致。

1 調查與試驗階段

在施工期,由于各種原因,致使工程經常出現停工的現象。因此,為了完成所有的結構工程和開始蓄水的方案,必須不斷調整預計的時間表。

最初計劃在水工建筑物全部完成時開始蓄水。但是,由于工期延后,2007年初,I l l w e r k e公司決定采取與以往不同的蓄水方案,以節約時間。這種新的概念是:對于每個結構部件,只要有可能,就各自獨立開始其試驗階段,以進行當時可以開展的所有試驗和調查。其中,地下隧洞系統可首先通過精確蓄水計劃進行試驗。

2007年 11月,尾水系統充水。尾水系統包括 3個壓縮空氣調壓室、一個雙室尾水調壓室、一個至平衡庫的長 300 m的尾水渠和一根至水泵的分開叉管。首次充水時,充水量約為 26000 m3,是非常仔細與緩慢地從平衡庫抽水,因此花了 29 h。

但是,充水試驗并不順利。通過細小的裂縫和施工縫直接滲漏進發電廠房洞穴的滲水多達 6 L/s。安裝在巖石和開挖之間過渡區的排水系統不能按計劃收集漏水。因為在調壓室和發電廠房洞穴之間意外地形成了直通水道,所以,必須再次放空尾水隧洞系統。采取了謹慎的灌漿結構措施,以改進調壓室的水密性,同時,還采取了附加的排水系統措施。2008年 3月,第 2次充水試驗證明,尾水系統的特性良好,排水系統也按計劃收集所有漏水(1.5 L/s)。2008年 1月,在繼續施工尾水系統附加工程的同時,完成了鋼襯壓力豎井(長1.2 k m,內徑3.8 m)和具有 3個球形閥的高水頭歧管。這些結構的所有壓力和抗滲試驗證明是成功的,阻力達到 70 b a r。在這種情況下,在 6 d的試驗期內,從現有科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的上部調壓室,通過一根消防軟管實施輸水。

2008年 3月,成功完成了長5.5 k m的引水系統壓力隧洞的施工,與此同時,還完成了尾水系統的施工。通過打開 2個串聯蝶閥中的 1個閥,從科普斯上庫進行首次蓄水,所有的試驗表明,結果良好,首次達到并網發電的所有要求。仍將繼續進行上部調壓室的收尾工作,余下的時間將用于試驗與監測。

最后,對上部調壓室充水,并首次對所有的機組進行試驗。

科普斯Ⅱ期電站的另一個特點是,沖擊式水輪機是在背壓下運行。對此,在壓力調壓室中,必須加入壓縮空氣。必須試驗和測量壓縮機布置的效率、溶解和不溶解空氣的實際空氣要量,以及調壓室的任何泄漏。這些調查結果表明,由系統吸收的空氣量主要由水中氣體溶解度和懸浮氣泡所組成,而不是由系統布置本身或調壓室所引起。

2 模型試驗、計算和測量結果比較

科普斯 I I期電站完整的水力系統設計具有完全自由運行的先決條件,對運行模式的重復變化沒有任何限制。在任何時間,都可執行任意一種運行模式以及可以在兩種模式之間任意變化。水輪機噴嘴和水泵球形閥的開啟與關閉持續約 20 s,能同步進行。因此,通過起動水泵模式、水輪機模式或受控的水泵模式,機組可在 20 s內向電網輸出要求的±3×150MW范圍內的功率。

2.1 模型試驗

在水力系統設計過程中,考慮了各種布置方案。尤其是,研究了由 3個壓縮空氣調壓室、一個大氣調壓室以及具有 R i fa平衡庫和水泵叉管的尾水隧洞所組成的尾水系統。在奧地利格拉茨技術大學做了尾水系統 1∶22.5比尺的物理模型試驗。研究了完整系統的水動力特性,還分析了尾水系統壓縮空氣調壓室的摻氣與脫氣過程。

以前,切拉沃拉和諾賽達已經調查了沖擊式水輪機轉輪在背壓運行期間的空氣損失量。他們發現,水中的實際空氣溶解度約為理論溶解度的 50%～60%。水中的最大理論空氣溶解度決定于絕對壓力。它可用本生發現的吸收定律描述。與這些研究相反,凱勒(K e l le r)等人在慕尼黑技術大學的物理模型試驗中發現,在沖擊式水輪機轉輪中,由于水輪機噴嘴的強烈噴濺,流體已經完全飽和。因此,他們指出,在通過水輪機轉輪的一個流道中,水中空氣的溶解度幾乎可達到 100%。

福爾卡特(V o l k a r t)等人在瑞士蘇黎世瑞士聯邦技術研究院(F T H)做了一個模型試驗,研究明渠的脫氣過程。作為這些試驗的成果,可大大降低科普斯 I I期電站壓縮空氣調壓室的長度,因此,也可減少充入的空氣體積。

在沖擊式水輪機的尾水渠中,空氣泡的輸送主要受水流紊流的影響。在湍流渦旋中,沖擊式水輪機轉輪下面泡沫中的水珠夾帶氣泡之后,不能重新上升回到水面。因此,通過適當的順流器(fl o w s t r a i g h t eNEr)來破碎這些渦旋結構,將大大降低渠道的長度。分散的微氣泡幾乎不能獲得任何浮力,即使已經安裝了順流器,仍將由水流帶出空氣室。但這些分散的微氣泡只占總額定流量 Qnom體積的0.1%。

根據模型試驗經驗,建議在壓縮空氣室的出口處安裝墻壁,以防止渦旋水流從調壓室進到裝入的壓縮空氣室。這樣可以降低壓縮空氣室的空氣損失量。

除了這些試驗以外,對沖擊式水輪機轉輪以下流道內泡沫的產生原理也進行了大量研究。通過開展模型試驗和對原型機進行測量的方式來進行這些調查。阿奇(A r c h)發現,在有關的壓力范圍內,沖擊式水輪機機殼內泡沫的生成,實際上與壓縮空氣室的壓力水平無關。

2.2 壓縮空氣調壓室

在確定壓縮空氣調壓室的尺寸時,為了保證其可靠運行,還必須規定最有效的控制系統。馬德爾(M a d e r)和格克萊爾(G o k l e r)指出,應當對 3個壓縮空氣調壓室中的每一個調壓室都能進行獨立控制。在這種情況下,通過在 5個不同地方測量空氣室的水位,可以計算出平均水位,因此,就能計算空氣室中的平均空氣體積。此外,測量壓縮空氣室中的絕對壓力和溫度,可以使采用理想氣體定律計算系統中的空氣質量成為可能。利用空壓機的增加或抽取,使空氣質量保持不變。

在 2008年11月的試運行期間,當 3臺機組并聯循環運行時,進行了水位測量,并繪出水位與空氣室中的絕對壓力與水位之間沒有時間限制的關系圖。曲線的循環形狀十分顯著。通過進一步的詳細分析發現,曲線形狀決定于進行評估的測量平面,是由水位波動的特性引起的。如果水面凹凸彎曲或傾斜,疊加在垂直的水位振蕩上,周期性形狀將在沒有時間限制的圖中生成。在試運行期間,除了該流量特性外,還測量了流過空氣室全長的綜合表面波。

從試運行測量的這些經驗結果中可以推斷出,就唯一的孤立測量平面而言,不能分析壓縮空氣調壓室的熱力過程。為了考慮一個傾斜的或凹凸不均勻的水面,至少需要 3個可靠的水位測量平面。這也給出了在空氣體積中的熱力過程極為詳細的圖像。

從壓縮空氣室的動態流動特性和監測結果來看,它主要決定了運行的可靠性,就整個氣室設計的效率和經濟性而言,壓縮氣室所需要的空氣量是決定性的。雖然采用整流器可增加脫氣的質量,分散的微空氣泡可逃離壓縮空氣室,但是,在計算總空氣損失時,必須加以考慮。另一方面,通過采取適當的措施,可將較大的空氣泡保留在壓縮空氣室中。但是,壓縮空氣室的主要空氣損失是由溶解空氣組成,這是由系統本身決定的。水流的脫氣,以及空氣的恢復,只能在壓力降低時才會發生。

然而,因為切拉沃拉和凱勒觀察的角度和結果不同,使平衡壓縮空氣室損失的總實際空氣量仍然是不確定的。圖 1表示科普斯Ⅱ期電站壓縮空氣室實測空氣量的分析,它決定于空氣室中的絕對壓力水平和水輪機流量。該分析從本質上證明了切拉沃拉和凱勒的敘述,因為給定的壓縮空氣室的有效空氣量大約是最大理論溶解度的 70%。

圖 1 由水輪機泄水引起的壓縮空氣調壓室的空氣損失

2.3 引水渠調壓室

2008年 11月,試運行的目的是全面檢驗科普斯Ⅱ期電站整個水力系統的功能,同時,通過利用各種比尺的模型試驗來對整個尾水系統進行優化。這些模型也證明了其功能,引水渠幾乎完全符合分析的和數字的計算設計。

僅引水渠調壓室的上部室的充水與放空過程是采用物理模型試驗計算的。因為與發電廠房機組的外部快速調節有關的一些特定的要求,在起動時,下部調壓室至引水隧洞的 2個連接都必須向水輪機提供足夠的水流。2個連接中的每一個都配備一個節流孔口。因此,下部調壓室可作為到這兩個連接孔口之間的引水隧洞的旁路來工作。從大致處于 2個孔口之間的中心的一點,由一個分支線引到差動式調壓室的反向流量節流閥。在摻氣反向流量節流閥前面,傾斜豎井連接到差動調壓室的上部室。首先,在下部調壓室中,因為具有 2個至引水隧洞連接的水力設計,對自由表面和壓力運行兩者而言,預計了廣泛的水力流量條件。因此,只能采用精心制作的模型來精確地進行數字計算。在進出上部調壓室和進出至引水隧洞的連接節流閥的過渡處的水流,依據相應調壓室中的水位計算,并在必要時考慮了自由溢流的流量限制。

圖 2表示在傾斜調壓豎井和摻氣管道中的水位的數值計算與實測值之間的比較。圖 2還示出了在負荷情況下科普斯電站水庫和水輪機噴嘴及水泵球形閥的開度。當水輪機噴嘴關閉時,水泵的球形閥開啟(反之亦然),可以看出,對于這種試驗性負荷情況,循環運行是同步的?？傮w上,進行了 4個模擬循環,以達到在調壓室豎井和上部調壓室中的水位升幅最大。計算值與實測值的臨時進度吻合很好。在第1次負荷循環期間,在比較運行順序的最開始,只能看到某些小的差別,隨后在計算與測量過程中消失。在比較過程結束時,在不同調壓室中,計算水位與測量水位相等。

圖2 引水渠調壓室水位

對于計算與測量結果,由于不同的水輪機噴嘴開度、不同的開始條件以及不同的摩擦損失,會使其最終結果發生變化。

在從調壓斜井到上部室的過渡點,對于不同的上部室斜度,在物理模型上進行了水流條件測試。調壓室上部室的水位計算考慮了該模型試驗的結果。但是,在數字模型中,假設上部室的水面是水平的。圖 3表示在一個負荷循環期間上部調壓室水位的實際進展,負荷循環由一個充水過程和一個放空過程組成。因此,上部室的充水特點是高潮現象,它穿過整個調壓室,直到在緊靠后面的限制墻處反射。通過過渡點返回到斜井,疊加在充水的高潮上,最后結束于一個較短的放空高潮上。因為調壓室的軸為傾斜狀,使調壓室后部的水位低于調壓室入口處的水位,所以充水高潮不斷增加其高度,尤其是當穿過調壓室的后半部時,這一點從圖 3可以清楚地看出。

圖 3 上部調壓室中的水位

2.4 閥門室和蝶閥室

在科普斯Ⅱ期電站的閥門室中,串聯安裝了 2個蝶閥:1個用于運行,一個用于維修。2個蝶閥是用于緊急關閉流量 Qmax=200 m3/s。該流量為額定流量QA=80 m3/s的2.5倍。在試運行期間,也對這些安全關閉裝置的功能進行了測試。但是,為了防止引水隧洞承擔不必要的負荷和避免受到破壞,閥門的關閉試驗僅在電站的各種部分負荷下進行。這樣,空氣要通過排氣豎井進入,從而可以避免產生引水隧洞的部分摻氣。

圖 4所示為 2臺水輪機運行時并在蝶閥關閉的過程中,蝶閥執行機構中和管道中的壓力變化情況。實測值與數字計算值再次證明其吻合情況非常好。根據多次部分負荷關閉時所做的測量,可校準一個數字模型,利用該校準的數字模型,可以對達到 Qmax=200 m3/s的蝶閥關閉流量,甚至是災難性的破壞進行計算與分析。

因此,在考核了每一種負荷情況之后,結果證明,蝶閥執行機構和管道內的壓力保持在可接受的低值范圍。一個附加的敏感性分析表明,如果在執行機構中假設某些節流、蝶閥會產生壓力,那么蝶閥軸承中的旋轉力矩系數 k M和摩擦損失將強烈地影響計算的關閉速度。

圖 4 蝶閥關閉

3 結 語

綜上所述,可以得出結論,轉變觀念是絕對正確的,每個結構部分應盡快實施單獨蓄水過程。

該決定提供了挽回失去的時間的機會,可以在不推遲工程工期的情況下,進行某些必要的附加測量工作。例如,可以在尾水系統中進行大量的灌漿。

實施整個蓄水計劃比預期的時間長,且多次被迫中斷,其原由非常復雜。因為不同尋常的新概念,I l lw e r k e公司大量縮減余下的試驗階段,以此降低費用。因此,在所有的結構工程完成后,從 2008年 4月到 11月,所有的 3臺機組已全部投入運行。

科普斯Ⅱ期抽水蓄能電站的全部功能已通過最終測試。結果證明,甚至是在完全自由的運行模式中,該電站也能以最大的負荷變化和速度運行。正如在設計階段中所計算的一樣,每個水力參數都能保持在可接受與預計的范圍內。因此,將來可以不受限制地運行。

發現在任何一種運行方式中,壓縮空氣調壓室及其控制系統都具有一些典型的特性。利用在每個室中所有 5個可用的液體測量平面,對壓縮空氣調壓室中的空氣質量進行的計算,證明了其本身以及安裝有控制系統的調壓室中的空氣質量為常數值。該控制系統壓縮空氣室所需要的空氣量約為電站靜態運行期間水中空氣最大理論溶解度的 70%,小于設計階段的假設值。

可從壓縮空氣室中逃逸的分散的微空氣泡,在水力短循環中,并在進入蓄能水泵之前被溶解的可能性最大。因此,在該運行模式中,實際上我們檢測不到水泵性能的任何下降。實測與計算水力值的比較結果卻是驚人的一致。通常,在長的水平水工建筑物中,流量以低的總能量梯度為主,對于水力性能升級現象有決定作用,這在引水渠不同調壓室上部室的測試過程中很明顯。因此,為了提高水電站設計階段數值計算的質量,將現有的模型擴展到具有自由面水流的明渠過渡過程中,似乎是合理的。