非同步導葉在仙游抽水蓄能電站的應用

陜西鎮安抽水蓄能有限公司 權強 李言龍 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建廈門抽水蓄能有限公司 孫領

非同步導葉在仙游抽水蓄能電站的應用

陜西鎮安抽水蓄能有限公司 權強 李言龍 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建廈門抽水蓄能有限公司 孫領

可逆式水泵水輪機組S特性使得機組空載特性不穩定并網困難。非同步導葉的投入，能有效地改善水泵水輪機S特性問題，但隨之帶來機組振動、擺度增加。仙游抽水蓄能電站應用水泵水輪機模型試驗，獲得較優的預開開度，非同步導葉的現場應用取得成功經驗。

水泵水輪機 S特性 非同步導葉 模型試驗

1973年盧森堡Vianden抽水蓄能電站10號機組發生事故之后，人們開始了對非同步導葉的研究，各種研究成果表明，非同步導葉（預開導葉）的投入能有效地改善低比轉速水泵水輪機全特性曲線的S特性，甚至能消除S特性。近年來，國內已建成或在建的高水頭抽水蓄能電站均在有效地利用非同步導葉來改善機組空載工況的穩定性，使機組易于并網，如天荒坪、惠州、宜興、瑯琊山、仙游等電站，但非同步導葉的投入同時會使機組水力特性不穩，導致機組振動、擺度加劇。福建仙游抽水蓄能電站（以下簡稱仙游電站）采用“1管2機”布置形式，主機為東方電機廠（以下簡稱東電）設計、制造，總裝機容量1200 MW，額定水頭430 m，機組額定轉速428.6 r/min，共20個活動導葉。水泵水輪機的S特性使機組在低水頭、大開度下空載運行不穩定，難于并網。本文主要介紹非同步導葉在仙游電站應用，以改善水泵水輪機的S特性及機組的振動問題。

1 機組的S特性

高轉速水泵水輪機轉輪在額定轉速時起“截止水流”的作用，單位流量（Q1＇）的等開度線急劇向下彎曲，甚至向單位轉速（n1＇）小的方向彎曲，水輪機工況下水頭越低，空載工況越容易進入S區內，這樣在同一單位轉速下，可能存在3個單位流量（正、零、負），使機組周期波動，空載運行很不穩定。根據仙游電站水泵水輪機模型試驗，在機組水輪機工況空載開度范圍內，機組全特性曲線雖無明顯S特性（如圖1所示），但在水頭較低時很容易進入S區內。

為了提高機組低水頭下的穩定性及并網可靠性，改善機組的S特性，因此在水輪機設計初期就考慮在對稱的導葉上增加非同步裝置，研究人員做了大量的模型試驗，本文選取三種較優方案進行對比，即在5號、10號、15號、20號導葉加裝非同步裝置，分別預開14°(如圖2所示)、16°(如圖3所示)、18°(如圖4所示)。

2 非同步導葉預開角度的選擇

在做以上模型試驗時增加測量尾水管、蝸殼進口、導葉后轉輪前以及頂蓋的壓力脈動，通過模型試驗所得數據對比，尾水管、蝸殼進口的壓力脈動幅值基本相當，但是隨著預開導葉角度越大，導葉后轉輪前及頂蓋的壓力脈動相應增加，導葉后轉輪前測點壓力脈動增加約1%～2%，頂蓋壓力脈動增加約1%～2%。

圖1 非同步不投入時，四象限特性試驗單位流量與單位轉速關系曲線

圖2 非同步導葉5號、10號、15號、20號導葉預開14°時四象限特性曲線

圖3 非同步導葉5號、10號、15號、20號導葉預開16°時四象限特性曲線

圖4 非同步導葉5號、10號、15號、20號導葉預開18°時四象限特性曲線

通過模型試驗得到的曲線對比，預開14°已能改善低水頭時S不穩定運行問題，考慮到模型試驗的準確度以及模型與真機可能存在的差異、留有較大的安全余量，同時水輪機各部件的壓力脈動值也在正常的范圍內，模型試驗決定將非同步導葉預開開度設計為18°。非同步導葉預開開度現在還只能通過模型試驗去驗證，這就存在一定的偏差及局限性，導致非同步導葉預開開度的確定存在一定的偏差。

研究表明，從非同步導葉在不同預開開度下水泵水輪機的特性曲線可以看出，隨著預開開度的增大，正常運行范圍內S特性逐漸消失，預開開度越大，改善效果越明顯。但是隨著預開開度增大，所引起轉輪內水流越不穩定，轉輪所受徑向力越大，機組的振動及擺度越大。因此仙游電站在非同步導葉安裝時，在非同步導葉小接力器活塞桿上加裝鎖錠塊減小預開開度至10.5°，通過真機試驗逐步確定預開開度。

3 非同步導葉執行機構及工作原理

機組在發電工況啟動過程中，控制環帶動所有導葉同步開啟，之后非同步導葉裝置控制4個（5號、10號、15號、20號）非同步導葉開啟至10.5°，使機組避開S不穩定運行區，易于機組空載并網。并網之后非同步導葉固定不動，控制環帶動同步導葉開啟至設定開度后，非同步導葉裝置將非同步導葉退出，此時20個導葉由控制環同步控制。

3.1 非同步導葉執行機構

仙游電站非同步導葉裝置有一套獨立的控制系統，非同步導葉裝置執行機構結構如圖5所示。

非同步導葉既能夠由控制環同步控制，也可以由非同步導葉小接力器控制，非同步導葉裝置控制時只有兩種狀態，即“投入”、“退出”，活塞桿進入液壓缸內為“投入”狀態，小接力器活塞桿伸出為“退出”狀態。

非同步導葉裝置由額定壓力為16 MPa的油壓系統控制，獨立于調速器油壓裝置，由2個雙線圈電磁閥控制對稱的2組非同步導葉投入及退出，5號及10號為一組，15號及20號為一組。

非同步導葉蓋板上裝有位置開關，當非同步導葉動作之后其相應的位置開關動作，反饋給監控非同步導葉位置信號。

3.2 非同步導葉投入及退出條件

3.2.1 非同步導葉投入條件：

(1)非同步導葉在發電方向啟動且水頭小于475.5m；

圖5 非同步導葉裝置執行機構結構圖1導葉；2連接板；3蓋板；4導葉銷；5調整墊片；6非同步導葉小接力器；7導葉臂

(2)控制環控制同步導葉開啟之后，轉速大于50%ne；

(3)機組出口開關（GCB）不在合位（機組作為拖動機啟動時沒有此條件）。

監控系統判斷以上條件同時滿足時，2個電磁閥投入側線圈得電勵磁后將對稱的2組非同步導葉投入。

圖6 機組空載轉速曲線表

表1 機組各導軸承擺度值

表2 機組各部位振動值

3.2.2 非同步導葉退出條件：

機組出口開關（GCB）在合位且16個同步導葉開度大于26%（對應角度約6.75°）時，2個電磁閥退出側線圈得電勵磁后將2組非同步導葉退出。

4 非同步導葉在真機上應用試驗

仙游電站在1號機調試初期，由于上庫蓄水原因導致凈水頭在410m左右，水頭很低，從單位流量與單位轉速關系曲線可以看出，此時機組很容易進入S不穩定區運行，使機組轉速無法穩定。試驗證明，在非同步導葉未投入情況下，機組轉速升至97%后無法穩定，轉速在97%～101%之間波動；當投入非同導葉預開10.5°后，機組在水輪機空載時轉速可穩定在額定轉速（如圖6所示），機組轉速最大擺動值為0.14%,不超過規范要求的0.3%。當機組在低水頭時并網、非同步導葉滿足退出條件退出之后，機組所帶負荷較低在120 MW時，機組功率無法穩定，最大波動從60 MW～150 MW，因為在低負荷下非同步導葉退出之后機組又重新進入S區運行，導致有功功率波動。

非同步導葉預開開度從19°減小至10.5°后，經試驗在非同步導葉投入機組空載時機組振動、擺度值如表1、表2所示，各振動、擺度值滿足要求，因此仙游電站非同步導葉預開開度最終確定為10.5°。

5 總結

非同步導葉在仙游電站國產化機組上的成功應用，積累了寶貴的經驗，為后續在建抽水蓄能電站提供借鑒及參考。通過模型試驗對比選擇非同步導葉的預開角度后，既能使S區偏離出機組正常運行范圍，又能保證機組有良好的振動、擺度。但是，在機組并網非同步導葉退出之后，若不能選擇合理的初負荷，機組很容易重新進入S區內導致有功功率波動較大，甚至會出現逆功率。目前，對機組S區的改善及影響還只能通過模型試驗初步獲得，其理論規律還待進一步研究。

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