可逆式機組低水頭運行特性分析及應對措施

易承勇

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 安吉 313302）

可逆式機組低水頭運行特性分析及應對措施

易承勇

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 安吉 313302）

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

抽水蓄能電站；低水頭發(fā)電并網(wǎng)；“S”特性曲線；預開導葉

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/發(fā)電電動機組。正常運行時日變幅將為34～43 m，每日運行水頭及水位變化速率都很大，設計最大毛水頭610.2 m，額定水頭（正常發(fā)電的最低水頭）為526 m，6臺機組同時運行時，上水庫最大水位變化速率達7～8 m/h，下水庫可達9～10 m/h，如此大的水位變幅和水位變化速率給機組的運行特性提出了更高的要求。

天荒坪電站曾多次發(fā)生機組低水頭（＜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，機組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速后無法穩(wěn)定運行，導葉開度變化較大，在19%～21%之間變化，對應的導葉轉(zhuǎn)角約4.5°，接力器行程范圍為160 mm～165 mm，同時機組振動加劇，機組轉(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)成功后在導葉開啟過程中經(jīng)常因機組逆功率保護動作，導致機組啟動失敗。

1 低水頭運行特性分析

經(jīng)初步分析判斷，該問題是由于機組低水頭運行時，導葉空載開度相對較大，機組并網(wǎng)前在其臨界點即飛逸線運行時未能避開“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，故這種水輪機在到達飛逸后容易保持穩(wěn)定。

而對于高水頭、大容量的抽水蓄能可逆式水泵水輪機來說，機組的比轉(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，故這種機組達到飛逸后有可能繼續(xù)進入制動區(qū)。

水泵水輪機的比轉(zhuǎn)速特別低，在受到其自身慣性驅(qū)動而進入制動區(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 可逆式水泵水輪機的“S”特性

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

圖3為水泵水輪機并網(wǎng)前后的空載點，對于抽水蓄能電站來說，水頭變幅較大，運行水頭較高時，機組的n1＇值較小，A點偏向左方而離“S”區(qū)較遠，啟動后比較容易順利帶上負荷而達到B點；而運行水頭較低時，機組的n1＇值較大，A點深入“S”區(qū)，在“S”區(qū)域內(nèi)機組在同一單位轉(zhuǎn)速下對應有3個不同的單位流量，其中1個還是負值，所以“S”區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，機組運行于“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 水泵水輪機起動過程曲線

為確保機組安全和開機成功率，運行人員采取了臨時處理措施，進行手動控制負荷限制升/降按鈕，來壓低導葉開限，減小轉(zhuǎn)速波動，實現(xiàn)機組并網(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)困難這一設備隱患，進行加裝導葉不同步裝置（MGV），采用“預開導葉法”。“預開導葉法”的工作原理是將對稱的2個導葉先打開至23°左右，保持到其他導葉打開至某一特定開度后再進入同步操作，在其他導葉較小開度時就能得到相應的流量和速度，由于在導葉較小開度時避開了“S”不穩(wěn)定區(qū)，所以機組空栽運行時的穩(wěn)定性得到了明顯改觀，即運行范圍已不在“S”區(qū)。新特性曲線在給定的運行范圍內(nèi)，除了最低水頭的一個極小區(qū)域不再出現(xiàn)反水泵運行，在正常運行水頭范圍內(nèi)導葉所有開度線與各種負荷的轉(zhuǎn)矩線都只有一個清晰的交點，即相對應的n1=常數(shù)，這意味著機組運行必然是穩(wěn)定的。機組并網(wǎng)后，為了保證發(fā)電負載工況下的穩(wěn)定性，其他導葉的控制環(huán)在操作下繼續(xù)開啟，而2個預開啟導葉開度仍保持不變，當達到某一功率或?qū)~開啟至一個特定角度后，預開啟導葉才與其他導葉同步隨功率增大繼續(xù)開啟至最大。在機組減負荷停機時，2個預開啟導葉先于其他導葉設定在相應負荷的一個特定開度。

(1)在26個活動導葉中選擇對稱的5號和18號導葉，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的一端固定在導葉上，另一端連接在單接力器的缸體上。

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

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

(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到預開啟相關(guān)特定導葉的目的。

預開啟導葉上裝有限位塊，能夠?qū)刂崎y的閥桿起限位作用，當機組自部分負荷至滿負荷區(qū)間運行時，能夠防止預開啟導葉超過其最大開度。

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）是一液壓彈力回復的導向閥，SCV與PMV組成每臺機一套的總控制閥組，設置于機坑內(nèi)壁的閥座上。

（2）MCV（Main Control Valve）為一NG10型主控制閥，5號和18號導葉各設置一個，分別設置于5號和18號導葉部位處機坑內(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管路進入機坑連接至機坑內(nèi)壁的SCV、PMV控制閥組，再從閥組以Φ12/Φ8管路通向5號和18號導葉的主控制閥MCV，控制油壓設計值為5.0～5.4 MPa。

（4）壓力油源取自調(diào)速器機械柜后部Φ100的壓力油管，以Φ25/Φ20管路進入機坑并連接至5號和18號導葉的控制閥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）機組工作水頭低于560 m；

（3）機組在發(fā)電工況運行；

（4）機組在非調(diào)相工況運行；

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

3 結(jié)論

MGV裝置安裝完成后，經(jīng)過多年的實際運行，MGV裝置的投用使機組發(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)定機組轉(zhuǎn)速，縮短機組并網(wǎng)時間的作用。但MGV的投用還存在如下一些問題：

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

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

（3）MGV投入后并網(wǎng)過程中機組振動加大，所以我們在MGV投入水頭上進行了反復的摸索，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，機組在發(fā)電工況啟動至并網(wǎng)的全過程和甩負荷停機過程中達到了設置的目的，極大的提高了在低水頭下發(fā)電工況機組的啟動成功率。

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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行工作。