溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式研究與實踐

陳忠賓，杜大禹

（江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213334）

溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式研究與實踐

陳忠賓，杜大禹

（江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213334）

抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式對機組乃至整個電站初期安全穩定運行至關重要。本文結合溧陽抽水蓄能電站工程實際，對各種啟動方式進行綜合比較分析，最終確定采用水輪機空載工況+水泵工況啟動方式，確保了首臺機組首次啟動順利并網。

首臺機首次啟動方式；水輪機空載工況+水泵工況

0 引言

溧陽抽水蓄能電站（以下簡稱溧陽電站）位于江蘇省蘇南地區溧陽市境內，為日調節的純抽水蓄能電站，主要任務是為江蘇電力系統提供調峰、填谷和緊急事故備用，同時承擔系統的調頻和調相等任務，是目前江蘇省在建的最大的抽水蓄能電站，裝有6臺單機容量為250 MW混流可逆式機組，第一臺機組已于2017年1月發電，2017年8月6臺機組全部投產。電站上水庫正常蓄水位291m，死水位254m，下水庫正常蓄水位19 m，死水位0 m，調節庫容1 195.9×104m3。額定設計水頭259 m，機組安裝高程-57 m，額定轉速300 r/min，水泵水輪機額定出力255 MW。

抽水蓄能電站首臺機首次啟動是機組投入正式運行前的重要環節，選擇合適的啟動方式對機組乃至整個電站初期安全穩定運行至關重要。首臺機組調試過程中一旦出現異常導致緊急停機不僅對機組本身造成損害，對流道結構也會產生一定程度的沖擊，后果非常嚴重。本文旨在借鑒國內已建同類型抽水蓄能電站首臺機成功啟動調試的經驗，結合溧陽抽水蓄能電站自身特點和工程實際情況，以水泵水輪機轉輪模型驗收結論為依據，選擇合適的首臺機首次啟動方式，為溧陽抽水蓄能電站首臺機組成功并網發電奠定堅實的基礎，相關工作和取得的成果可供其他抽水蓄能電站參考。

1 首臺機首次啟動方式

目前，國內外抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式主要有以下三種[1]、[2]：

方式一：純水泵工況啟動

利用外加充水泵向上庫充水或利用水庫天然蓄水，直至滿足機組以水泵工況異常低揚程啟動的水位，機組按照水泵工況方式啟動調試，并以水泵工況直接向上庫充水；

方式二：水輪機空載+水泵工況啟動

利用外加充水泵向上庫充水或利用水庫天然蓄水，上庫水位及蓄水量僅滿足首臺機首次按照水輪機空載工況啟動并完成必要的調試項目，然后機組以水泵工況方式啟動，向上庫充水；

方式三：水輪機工況啟動

利用外加充水泵向上庫充水或利用水庫天然蓄水，充水至上庫死水位以上，蓄水量以滿足首臺機首次按照水輪機工況啟動并網后完成全部調試項目的需要，然后機組以水泵工況/水輪機工況交替調試運行。

目前我國已建抽水蓄能電站目前以選擇首次從水輪機工況啟動方式居多。各工程由于實際施工進度與計劃工期會有所差別，降雨量和天然來水量也會由于天氣情況的變化有所不同，所以，首臺機首次啟動方式應該根據工程實際情況進行靈活調整。

2 首臺機首次啟動方案分析

2.1 水輪機/水泵啟動方式對比分析

首臺機首次啟動方式選擇的核心內容在于分析和衡量水輪機工況啟動與水泵工況啟動兩種基本方式各自的利弊，在綜合當前電站的外部蓄水條件后，從機組技術環節和工程投資成本的角度出發，選擇合適的啟動方式。

基于首臺機首次調試項目對水輪機工況啟動方式和水泵工況啟動方式進行了詳細對比和分析，如表1所示：

表1 首臺機首次調試項目對不同啟動方式的要求對比分析表

2.2 溧陽電站首臺機首次啟動方式分析

各種啟動方式對上庫初期蓄水量要求各不相同，對機組性能的要求、調試影響和風險也各不相同。現根據溧陽抽水蓄能電站外部施工條件及機組特性對三種啟動方式進行具體分析：

（1）純水泵工況啟動

純水泵工況啟動方式對于上庫無天然來水的抽水蓄能電站而言是一種縮短工期和節省投資的啟動方式。該方式僅需借助外來充水泵將上庫蓄水至水泵最低啟動揚程范圍內即可以水泵工況啟動機組向上庫充水，繼而進行水輪機工況調試。以往蓄能電站相關資料顯示，首臺機首次啟動方式采用純水泵工況比水輪機工況將在一定程度上縮短工期，項目收益較明顯。然而從機組運行穩定性及電站安全角度考慮，純水泵工況啟動方式相對水輪機工況啟動方式無疑將承擔更大的風險。首臺機首次啟動采用純水泵工況啟動方式，機組在最低啟動揚程下運行受水流壓力脈動影響振動較為劇烈，空化特性條件惡劣，且動平衡、軸承負荷及溫升等指標將直接面臨接近正常運行最大值的考驗。對于剛安裝完畢的新機組，本身各項技術指標和穩定性均未經過實際運行的考驗，在機械或電氣環節可能存在某種隱患沒有暴露，一旦在水泵抽水工況下出現重要指標異常或者突然斷電情況，機組被迫突甩負荷，不僅對引水系統水工建筑物造成強烈沖擊，機組本身的安全性亦面臨考驗。出現這種情況后機組復查修復過程費時費力。

溧陽抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗在50.5 Hz條件下，對導葉開度17 mm和19 mm進行了異常低揚程啟動試驗，試驗結果如圖1所示：

圖1 水泵異常低揚程啟動壓力脈動結果圖

模型試驗結果表明：在水泵導葉開度為19 mm，異常低揚程223 m條件下啟動機組，其最大輸入功率為265.5 MW（50.5 Hz時），導葉與轉輪之間壓力脈動值為5.2%（50.5 Hz時），尾水管壓力脈動值為1.19%（50.5 Hz時），滿足合同中對水泵正常運行范圍內入力和壓力脈動幅值的要求，模型試驗確認在此條件下運行不發生有害振動和空化破壞。但對于壓力脈動來說，真機運行工況下脈動值和模型試驗下脈動值是不相似的，有可能真機在異常低揚程下運行的穩定性情況變得惡劣。

（2）水輪機空載+水泵工況啟動

水輪機空載+水泵工況啟動方式適合于上庫具備蓄水條件的抽水蓄能電站。只要保證上庫水位在水輪機空載調試運行期間高于進/出水口流道頂板高程1 m左右（扣除空載調試水量后相應上庫水位），上下庫之間形成的水頭達到水輪機工況運行的最小水頭，即可采用水輪機空載+水泵工況啟動方式，做完相關空載試驗后隨即轉入水泵工況。

由于蓄能機組水輪機空載運行工況下易出現不穩定運行情況，即進入所謂的“S”區反水泵工況，首臺機首次啟動過程中一旦出現這種情況將給調試帶來影響，嚴重情況甚至必須停機檢查。故在首臺機首次啟動采用水輪機工況啟動方式之前需對此現象做充分的研究分析。溧陽抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗表明（見圖2）：水輪機在最低水頭下的空載啟動開度A0=9 mm，運行區處于不穩定的“S”區之外，故水輪機空載工況下機組將不會出現不穩定狀態。

圖2 水泵水輪機“S”特性曲線圖

溧陽抽水蓄能電站上下庫天然來水量很小，必須依靠外來泵從沙河水庫抽水以滿足初期蓄水的要求。若首臺機首次啟動方式考慮采用水泵工況啟動，根據水泵最低起用揚程要求上庫必須蓄水至高程242.00 m，相應蓄水量為8.9萬m3；而考慮采用水輪機空載工況啟動，上庫水位需至少高出進/出水口流道頂板高程（高程249.00 m）1m左右，綜合考慮空載調試用水量，上庫需蓄水至高程253.20 m，相應蓄水量為180.1萬m3。按外來泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h，則水輪機空載工況啟動方式將比純水泵工況啟動方式工期滯后約60 d。

（3）水輪機工況啟動

水輪機工況啟動方式是目前具備上庫蓄水條件的抽水蓄能電站大多采用的首臺機首次啟動方式。該方式對機組首次啟動最為有利，水輪機工況首次啟動是在負荷逐級增加下進行，對機組振動、壓力脈動等穩定性指標、動平衡、軸承負荷、溫升等有一個逐步加大的、可調整的逐步考驗過程。但是，溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動若采用此啟動方式，根據試驗項目的調試用水量（空載調試水量+并網運行調試水量），上庫需蓄水至257.00 m高程，相應蓄水量為288.1萬m3，相比水輪機空載+水泵工況啟動方式增加了近110萬m3蓄水量。按外來泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h，則水輪機工況啟動方式比水輪機空載+水泵工況啟動方式工期滯后約42 d，比純水泵工況啟動方式工期滯后約100 d。

3 溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式

抽水蓄能電站首臺機首次啟動采用純水泵工況向上庫充水的方式，雖然在國內已有一定工程實踐經驗，但這種啟動方式在機組調試過程中存在一定的弊端和風險。而水輪機工況啟動方式一般適用于上庫具有豐富天然來水或者為已建人工水庫的情況。本電站上庫為施工期挖填形成，天然集雨面積較小，初期蓄水需依靠外來水泵從沙河水庫抽水。若采用水輪機工況啟動方式上庫初期蓄水量較大，工期耗費較長，不利于項目成本控制。而水輪機空載工況+水泵工況啟動方式相比純水泵工況啟動方式更有利于機組的安全調試運行，相比水輪機工況啟動方式對上庫初期蓄水量的要求大大減小，有利于節約工程投資成本。

溧陽抽水蓄能電站上庫初期蓄水可實現在首臺機啟動前達到水輪機空載調試運行的要求。因此，電站首臺機首次啟動采用水輪機空載工況+水泵工況方式。

4 溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動情況

按照研究確定的啟動方式，溧陽電站首臺機組于2016年6月6日進行首次啟動，進行水輪機方向滑動摩擦及升速試驗。升速至100%額定轉速時機組穩定性指標如表2所示：

表2 首臺機首次升速至100%額定轉速時機組穩定性指標統計表 單位：μm

機組滑動摩擦檢查及升速試驗過程中，機組各部位無異聲響，機組各部位振動擺度基本正常，機組各部瓦溫、油溫、水壓均正常，各輔助設備運行正常，機組轉動方向正確。

水輪機空載試驗完成后，機組進行了首次水泵工況抽水試驗，共抽水35 min，累計抽水18.5萬m3。首次抽水試驗過程中機組穩定性指標如表3所示：

首次水泵抽水試驗正常，機組各部位運行穩定。

表3 首臺機首次水泵工況抽水時機組穩定性指標統計表 單位：μm

5 結論

（1）首臺機首次啟動方式研究工作從2012年啟動至2015年5月結束，歷經3年多的時間，整個研究工作緊密結合溧陽電站上下庫天然條件和現場施工條件，分析了水泵水輪機轉輪模型試驗結論，排除了水輪機空載并網運行下進入反水泵工況的情況，對純水泵啟動方式、水輪機空載+水泵工況啟動方式和水輪機工況啟動方式三種方案，從機組自身穩定性、外部工程投資等方面進行了綜合比較，最終確定了水輪機空載工況+水泵工況方式，確保了首臺機組首次啟動順利并網。

（2）抽水蓄能機組首臺機首次啟動方式牽涉面廣、研究內容多，水泵水輪機模型驗收試驗結束后即可開展相關工作，溧陽抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式可供其他抽水蓄能電站參考。

[1]GB/T 18482-2010可逆式抽水蓄能機組啟動運行規程[S].

[2]DL/T 507-2014水輪發電機組啟動試驗規程[S].

TV743

B

1672-5387（2017）08-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.003

2017-03-03

陳忠賓（1984—），男，工程師，從事機電設備管理工作。