抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗分析

汪志強，陳泓宇，李華，程振宇，呂志鵬

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗分析

汪志強，陳泓宇，李華，程振宇，呂志鵬

（清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

近年來，抽水蓄能電站工程建設進入高速發展期，為減少投資，往往采用一洞多機的輸水系統布置方案。清遠抽水蓄能電站是國內抽水蓄能電站第一次開展同一輸水系統四機同時甩負荷試驗，在模擬線路跳閘的情況下，進行了四臺機組帶25%、50%、75%、100%負荷甩負荷試驗和四臺機組水泵工況同時斷電試驗。本文對清遠抽水蓄能電站四機同時甩負荷結果進行分析，并分析了一洞四機單甩、雙甩、三甩、四甩過程中壓力隧道壓力、機組轉速、振動擺度等關鍵試驗數據，為后續類似工程提供了參考。

抽水蓄能機組；一洞多機；四臺機同時甩負荷；壓力、轉速、振動擺度

0 引言

近年來，抽水蓄能電站工程建設進入高速發展期，為減少投資，往往采用一洞多機的輸水系統布置方案，即一條輸水管道通過岔管連接幾臺機組，在已建成的抽水蓄能電站中，國內只有廣州、惠州、清遠抽水蓄能電站（以下簡稱廣蓄、惠蓄、清蓄）采用一洞四機的布置模式。多機甩負荷是抽水蓄能機組調試過程中最重要和最具危險性的試驗項目之一，廣蓄、惠蓄有至少兩條出線冗余方式接入電網，發生四甩的概率極低，四機同時甩負荷屬于校核工況（兩重故障同時發生的跳機）或特殊工況（三重故障同時發生的跳機），設計時只需要進行調保計算，而不要求進行真機試驗，故這兩個電站一直沒有進行四機同時甩負荷試驗。清蓄目前僅以一回500kV 線路接入花都站，線路跳閘將有可能造成全廠四臺機組同時甩負荷或甩入力，為常規工況（發生一重故障造成的跳機），必須保證相關參數滿足調保保證值，真機試驗有較大必要性。

文獻[1]對單機、雙甩和三甩甩負荷試驗的方法、安全控制及試驗結果進行了比較詳細分析，本文主要對四機同時甩負荷結果進行分析，并詳細對比一洞四機的單甩、雙甩、三甩、四甩過程壓力、轉速、振動擺度等關鍵試驗數據不同，用來說明一洞多機甩負荷的影響程度。

2016年8月23～25日，清蓄四機同時甩負荷試驗在模擬線路跳閘的情況下，先后完成了廠用電自動切換以及四臺機組分別同時帶25%、50%、75%、100%負荷甩負荷試驗和四臺機組水泵工況同時斷電試驗。此次試驗是國內抽水蓄能電站第一次開展四機同時甩負荷試驗，各項實測值均處于調節保證計算預想值范圍以內，為清蓄電站機組實現全水頭、滿負荷方式運行創造條件、提供了技術支撐，為一洞多機布置形式提供了安全實證和為將來機組結構設計和一洞多機選型提供了實踐依據。

1 概述

1.1 輸水系統總體布置

圖1 輸水系統縱剖面布置示意圖Fig.1 Arrangement of longitudinal section of water conveyance system

廣東已建成的廣蓄、惠蓄和清蓄電站均采用一洞四機的方式，即一條引水隧洞和尾水隧洞控制4臺機組，引水隧洞通過高壓岔管和4條引水鋼支管與地下廠房連接，尾水隧洞通過尾水岔管和4 條尾水支管與地下廠房連接。引水隧洞和尾水隧洞長度一般在2000～5000m之間，直徑在8.5～9.5m 之間，一般設置上游調壓井和尾水調壓井，或僅設置上游調壓井或尾水調壓井，調壓井高度在120～150m 之間，包括直徑9m 左右的升管和直徑20m 左右的大井。清蓄電站引水系統長1765.158m，直徑為9.2m，引水水道不設調壓井，尾水調壓井為帶上室阻抗式，大井內直徑18m，連接管內直徑9.2m，圖1為清蓄電站輸水系統縱剖面布置示意圖。[3]

1.2 機組主要參數

清蓄電站主機設備由東芝水電（杭州）設備有限公司提供，其主要參數詳見表1。調保保證參數要求蝸殼進口最大相對壓力Hmax＜780m，尾水管進口處最小絕對壓力Hmin＞12m，機組轉速最大上升率＜621.5r/min。

水錘的產生來自流量變化，對于水輪發電機組其流量的變化取決于開度、轉速的變化情況。機組甩負荷導葉關閉初始，機組特性曲線（詳見圖6）較為平緩，轉速對流量影響較小，水錘壓力主要來自導葉關閉引起的流量變化，但隨著轉速加大，機組的工況接近飛逸線，到達“倒S”區域附近，轉速對流量變化影響加大，為限制水錘壓力，導葉關閉規律應盡可能的使開度與轉速的綜合作用最小，按此原則，清蓄電站導葉關閉采用先快后慢兩段折線關閉規律，水輪機導葉最大相對開度為94.07%，第一段為快速關閉（約2.4s）至76%折點位置；第二段為慢關，總關閉時間約70s[4]。導葉與進水球閥同時進行關閉，進水閥關閉設計時間為70.5s，詳見圖2。

2 四機甩負荷試驗實測與計算預測值對比

2016年8月23～24日進行了一洞四機25%、50%、75%和100%四機同時甩負荷試驗，試驗值與原計算預想相比，各指標比較接近，蝸殼最大壓力、尾水最小壓力、轉速對比分析詳見表2。100%四機同時甩負荷試驗情況如下：

（1）在線路跳閘的情況下，機組導葉的關閉規律和機組ESD緊急停機導葉關閉規律一致。

表1 機組參數Tab.1 Unit parameter list

圖2 導葉和進水閥的關閉規律Fig.2 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

（2）4臺機組均第一波轉速達到最大值附近后，蝸殼最大壓力和尾水管進口最小壓力也分別達到第一波的極值，然后蝸殼壓力開始下降，當轉速開始第二波上升時，蝸殼壓力也隨之升高，第二波轉速達到最大值時，蝸殼壓力和尾水管進口壓力也分別達到第二波的極值。

（3）4臺機組蝸殼最大壓力值基本一樣，相差小于0.25MPa，趨勢一致，詳見表2，各臺機組壓力最大試驗值均小于預想值。

（4）4臺機組尾水最小壓力值基本一樣，各值除2號機組甩75%測值異常，后查明實為管路干擾所至，壓力趨勢一致，詳見圖4，各臺機組最大壓力相差小于0.23MPa，各臺機組壓力最小試驗值均大于預想值，特別是100%甩負荷試驗，4臺機組尾水壓力最小值47m遠大于預想值的33.3m。

（5）4臺機組轉速上升最大值基本一樣，各最大轉速上升值相差小于5r/min，各臺機組轉速最大試驗值均小于預想值606r/min，轉速趨勢一致，詳見圖4。

（6）4臺機組雖然導葉關閉折點略有不同，1 號機組折點位置76.15%，2號機組75.64%，3 號機組75.44%，4號機組75.78%，但各項過渡過程參數趨勢基本一樣，指標均滿足要求，說明清蓄電站導葉關閉規律具有良好魯棒性。4臺機組蝸殼最大壓力、尾水最小壓力、轉速試驗值結果均好于計算預想值，特別在100%甩負荷試驗過程中，4臺機組尾水壓力最小值47m遠大于預想值的33.3m，表明廠家尾水壓力預想值偏保守[5]。

3 單甩、雙甩、三甩、四甩試驗主要參數對比

同一輸水系統單機甩負荷一般通過直接作用緊急停機按鈕跳機實現，雙機甩負荷通過人為觸發主變保護實現兩臺機組同時跳機，這兩種方式均同時觸發機組緊急停機流程，即關閉導葉和進水閥的同時跳開出口開關，而清遠電站的同一輸水系統三機、四機同時甩負荷試驗是在模擬線路跳閘的情況下實現，其甩負荷過程振動擺度、壓力、轉速等關鍵參數變化規律，現以100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷過程2機組的參數來說明此情況，詳見表3，括號的數值為極值出現的時間[6]。

3.1 試驗基本情況

清遠抽水蓄能電站單機、雙機、三甩、四甩100%負荷試驗，均在額定水頭70m之上480m附近進行的試驗，上下庫水位除雙甩上庫水位略高4m，其他上庫水位均在604m附近，下庫在124m附近。

3.2 轉速

四甩100%負荷1號機組最大轉速上升值137.1%比單甩100%負荷高5.2%，離調保證值145%還有較大裕度。東芝水電計算出的特殊工況下的最大轉速上升為51.4%Nr（最大轉速為649r/min），發電電動機飛逸轉速為690r/min。為了提高安全裕度，要求廠家驗算飛逸轉速提高到715r/min 時的機組轉動部件剛、強度。經過計算，廠家確認轉速為715r/min 時，水泵水輪機轉輪和發電電動機轉子等相關部件的剛度、強度均可滿足要求，機組轉動部件有較大的安全裕度，詳見表4。

圖3 1、2、3、4號機組甩100%負荷蝸殼壓力波形Fig.3 1，2，3，4 unit load rejection 100% spiral case pressure waveform

圖4 1、2、3、4號機組甩100%負荷尾水壓力波形Fig.4 1，2，3，4 unit load rejection 100% tail water pressure waveform

圖5 1、2、3、4號機組甩100%負荷轉速波形Fig.5 1，2，3，4 unit load rejection 100% speed waveform

表3 單機、多機甩100%負荷對比分析（1號機）Tab.3 Single and multi machine rejetion 100% load comparative analysis（1＃）

3.3 蝸殼壓力

雙甩100%負荷1號機組蝸殼壓力最大值比單甩100%負荷高94m（雙甩水頭高約9m），但三甩僅比雙甩1號機組蝸殼壓力最大值高8.5m，四甩僅比三甩1號機組蝸殼壓力最大值高12.9m，離調保證值780m有較大裕度。

對于引水鋼支管，設計最大內水壓力標準值采用的是786.5m，略大于蝸殼進口處最大動水壓力（含脈動壓力）的合同保證值780m。對于埋管段，鋼板壁厚受外水壓力工況控制，經反算，達到允許應力287MPa對應的內水壓力為1050m，即引水鋼支管最大可承擔1050m 的內水壓力，相對合同保證值有約34%的裕度。對于廠房上游明鋼管段，經反算，偶然狀況下達到允許應力263MPa 對應的內水壓力為950m，相對合同保證值有25%的裕度。引水系統有較大的安全裕度。

表4 校核機組轉動部件強度Tab.4 Check the strength of rotating parts

3.4 尾水壓力

雙甩100%負荷1號機組尾水壓力最小值比單甩100%負荷低4.2m（雙甩水頭高約9m），三甩僅比雙甩1號機組尾水壓力最小值低4.8m，但四甩卻比三甩1號機組高1.6m。

對于尾水鋼支管，與引水鋼支管相似，鋼板壁厚受外水壓力工況控制，內壓工況鋼管應力有較大的安全裕度，經反算，尾水鋼支管最大可承擔460m 的內水壓力，相對設計值有非常大的裕度。就外壓工況而言，經反算，圓管段鋼管抗外壓穩定臨界壓力為67m 水頭，圓變方漸變段段鋼管抗外壓穩定臨界壓力為89m水頭，因此，即使尾水鋼支管發生輕度水柱分離，也不會發生抗外壓失穩，尾水鋼支管有較大的安全裕度。

3.5 振動擺度

四臺機組振動擺度趨勢一致，下面以2號機組為例。表5為2號機組在單甩、雙甩、三甩、四甩100%負荷時在線監測系統的振動擺度對比數據，從趨勢看單甩、雙甩、三甩、四甩甩時振動擺度最大值有增大趨勢，四甩時2號機組振動擺度最大值較單甩有較大的增加約為1倍。說明同一輸水系統多機同時甩負荷，雖然轉速、蝸殼壓力、尾水最小壓力相差不是很大，但機組的各部振動擺度卻有較大增加，多次多機同時甩負荷對機組不利。

3.6 壓力脈動

100%四甩過程試驗人員站在發電機層，明顯感覺地板振動較以往甩負荷加激不少，比較機組壓力脈動，表6為2號機組在單甩、雙甩、三甩、四甩時華科同安在線監測系統的壓力脈動對比數據，從趨勢看單甩、雙甩、三甩、四甩甩時壓力脈動逐步增大，四甩時2號機組尾水管進口壓力最大值較雙甩有較大的增加約為1倍，轉輪與導葉間壓力脈動（無葉區脈動）四甩較雙甩增大約25%，說明同一輸水系統多機同時甩負荷機組臺數越多，水力脈動越大[2][7][8]。

表5 多機甩負荷振動擺度對比表（2號機）Tab.5 Vibration and swing of multi unit load rejection（2#）

3.7 100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷相似點

無論單甩、雙甩、三甩、四甩，機組的水泵水輪機完全特性曲線上的軌跡相似，導葉第一段關閉較快的速度關到導葉開度76%位置以控制轉速，然后導葉第二段關閉較慢快的速度將導葉全關以控制壓力，從圖6、圖7可見，流量過零點大約在10s，導葉開度在65%左右，進入反水泵工況約5s，從四甩振動趨勢圖看，發生劇烈振動在甩負荷后5～10s之間，即流量第一次即將過零這段時間，參見圖8[10][11]。

4 一洞多機的輸水系統布置方案思考與討論

國內近年來抽水蓄電站發展迅速，水道引水方式大多為一洞二機或一洞四機方式，清蓄電站四機同時甩負荷試驗的順利完成，為一洞四機方式提供了實踐數據。一洞多機不僅僅與投資有關，與出線方式、電網結構、機組特性、機組和球閥大修方式、地質條件與洞徑等都有關。

圖6 機組甩負荷后的水輪機完全特性曲線上的軌跡Fig.6 Track of complete characteristic curve of turbine after load rejection

圖7 1號機甩100%負荷的計算結果趨勢圖（四甩）Fig.7 The caculationresulttrend diagram of uint 1 in 100%load rejection test

從清蓄電站水工布置及投資分析，一洞四機方案結構布置相對簡單，施工條件可簡化，投資較省，一洞四機方案較兩洞四機方案減少投資約6000多萬元。從清蓄電站水力過渡過程計算及四機同時甩負荷試驗結果看，四甩較雙甩轉速最大上升值、蝸殼壓力最大值、尾水壓力最小值略有差別但并不大，振動擺度趨勢一致。一洞四機的缺點是一旦引水系統出現故障，需要全廠停機檢修，電站損失較大，根據廣蓄、惠蓄輸水系統采用一洞四機的運行經驗，只要保證進水閥有足夠的安全性，同時充分利用電站每年在枯水期一個月的大修期進行維護檢修，保證電站安全運行是可行的。從施工條件方面，兩方案均能滿足工期要求，一洞四機方案的洞室尺寸相對較大，有利于充分發揮施工效率。一洞四機方案，主輸水洞徑更大，壓力鋼管及其分岔管的設計、制造和安裝難度更大，水力干擾比較大，但已有多個電站的實施和運行經驗。

在運行管理方面，如遇隧洞、進水閥等部分需要檢修或事故處理，對一洞四機來說，需要全部停機，迫使全部容量退出電網，但目前電網容量很大，影響不大。對一洞兩機來說，則可以保持一半容量工作，對電網影響較小，運行調度較靈活。參考中電聯網站統計的可靠性數據，清花甲線約7 年會發生一次跳閘事故，一旦跳閘電站所有運行機組全部跳閘，廠用電如果故障不能正常切換至地區后備電源，機組冷卻系統將全部中斷，很有可能導致損機事件。目前站內高壓電氣設備已按兩回出線配置，如果能提前建設預留至花都變電站的第二回輸電線路，可減小調保計算中校核工況和極端工況出現的概率，利于機組長期、安全穩定運行。在極端工況下，最大水頭、三臺機組甩負荷、1號機延時6s 甩負荷、導葉和進水閥正常關閉時，尾水管最小壓力計算值為-6.86m，低于控制值12m的要求，從一洞多機多次甩負荷情況分析，尾水最小壓力均比預想值高，此計算結論還需要進一步復核。即便這樣非常小的概率發生，清蓄電站也采取了規避措施，即三臺機組同時甩負荷后、第四臺機組延時1s 強制甩負荷，此工況下機組最大轉速上升滿足要求，尾水管最小水壓基本滿足要求[9]。

5 結束語

圖8 1號機甩100%負荷的振動趨勢圖（四甩）Fig.8 The vibrationtrend diagram of uint1 in 100% load rejection test（At the same time four load rejection）

（1）清遠蓄能電站“一洞四機”多機同時甩負荷試驗多甩試驗的成功為清蓄電站機組實現全水頭、滿負荷方式運行創造條件、提供了實踐依據，驗證了廠家用于水力過渡過程先快后慢導葉兩段關閉規律是可行的，但對控制折點的液壓閥質量要求很高，特別是在檢修以后，務必保證導葉關閉折點與調保要求一致。

（2）清蓄電站輸水系統結構設計借鑒了廣蓄、惠蓄工程的經驗，在水力過渡過程計算中輸水系統結構滿足規范要求，機組轉動部件的剛強度按飛逸轉速提高到715 r/min計算，并留有一定的裕度。

（3）清蓄電站100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷，雖然轉速從31%～37%一直在增加、蝸殼壓力雙甩之后變化不明顯、尾水最小壓力與幾甩相關度不高，但機組的各部振動擺度、水力脈動卻隨機組甩的臺數增加而增加較大，但在可接受范圍。

（4）從理論上“一洞多機”布置形式機組相繼甩負荷尾水管真空度比較難滿足要求，對比多次多機同甩負荷情況分析，試驗測量的主要參數的數值略好于預測結果，尾水最小壓力從試驗結果看要樂觀，調保計算還有優化空間，如尾調的計算模型（比如流入流出系數）是不是可以再優化？清蓄電站已要求廠家根據試驗情況復核極端情況：如在最大水頭、三臺機組甩負荷、1號機延時6s 甩負荷、導葉和進水閥正常關閉時，尾水管最小壓力計算值為-6.86m，低于控制值12m的要求等，進行誤差分析，校核第四臺機是否還要在前三臺機甩負荷后1s之內強制甩負荷。

（5）預留至花都變電站的第二回輸電線路如能建設完成，可減小調保計算中校核工況和極端工況出現的概率，利于機組長期、安全穩定運行。

（6）一洞幾機的選擇應綜合地質、洞徑、接線方式、機組和進水閥制造水平等有關因素，需要技術經濟權衡考慮。

[1] 陳泓宇，汪志強，等.清遠抽水蓄能電站三臺機組同甩負荷試驗關鍵技術研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（5）.CHEN Hongyu，WANG Zhiqiang，et al. Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]， Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

[2] 陳順義.過渡過程計算結果的修正和裕度[J].華東水電技術，2004（4）：136-141.CHEN Shunyi，The Correction and Margin of the Calculation Results of the Transient Process[J]，East China Hydropower Technology，2004（4）：136-141.

[3] 手塚光太郎，榎本保之，等. 長短葉片新型轉輪在抽水蓄能電站中開發和應用[C]//第八屆亞洲國際流體機械會議，2005年10月12-15日，宜昌，中國.KOTARE Tezuka， YASUYUKI Enomoto， et al. Development and Application of New Type Runner With Splitter Blades to Pumped Storage Power Plants[C]// The 8th Asian International Conference on Fluid Machinery， Oct 12 ～ 15. 2005， Yichang， China.

[4] 杜榮幸，王慶，榎本保之，陳泓宇.長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽蓄中的應用[J]，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.DU Rongxing， WANG Qing， ENOMOTO Yasuyuki， CHEN Hongyu. Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

[5] 楊勝安，彭天波. 抽水蓄能機組雙機甩負荷試驗技術[J]. 湖北電力，2011（6）.YANG Shengan，PENG Tianbo.Test Technique of Double Machine Load Rejection of Pumped Storage Unit[J]，Hubei Electric Power，2011（6）.

[6] 張春.抽水蓄能電站一管多機相繼甩負荷過渡過程研究 [J].水利水電技術，2011，42（12）.ZHANG Chun. Study on Transition Process of Load Successive Rejection of Multiple Units per Penstock in Pumped Storage Hydropower Power Station[J]. Water Resources and Hydropower Engineering， 2011，42（12）.

[7] 鄭源，張健，等. 水力機組過渡過程[M].北京：北京大學出版社，2008.

[8] 張健，盧偉華， 范波芹，胡建永. 輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發電學報，2008，27（5）.ZHANG Jian，LU Weihua，FAN Boqin， HU Jianyong.The Influence of Layout of Water Conveyance System on the Hydraulic Transients of Pump-turbines Load Successive Rejection in Pumped Storage Station[J]， Journal of Hydroelectric Engineering， 2008，27（5）.

[9] 何少潤，陳泓宇.清遠抽水蓄能電站主機設備結構設計及制造工藝修改意見綜述[J]，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.HE Shaorun，CHEN Hongyu. Review on Amendments of the Main Equipment Structure Design and Manufacturing Process of Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]，Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

[10] 汪德爟.計算水力學理論與應用[M].北京：科技出版社，2011：4-13.

[11] 王林鎖.抽水蓄能電站水力過渡過程調節控制研究[D].南京：河海大學，2005.

National Key Project（FGNY〔2009〕No.731）；Key Electric Power Construction Project of China Southern Power Grid Co.，Ltd（NFDWJ〔2010〕No.19）.

Analysis of a Multi Holemulti Unit Load Rejection Test of Pumped Storage Power Station

WANG Zhiqiang, CHEN Hongyu, LI Hua, CHENG Zhenyu, LV Zhipeng
(CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co,. Ltd., Qingyuan, 511853, China)

In recent years， the construction of pumped storage power station has entered a period of rapid development， in order to reduce the investment， often using a hole and multi machine layout scheme. Qingyuan pumped storage power station is the first station to carry out the same conveyance system and four load rejection test of Baoquan Pumped Storage Power， in the simulation of line trip under the condition of four units with 25%， 50%， 75%，100% and four load rejection test units and test of power pump operation. The Qingyuan pumped storage power plant four and load rejection results analysis of energy storage， compared with a single double hole four rejection ， rejection of three four pressure， speed，vibration test of key parameters， and provides reference for other similar engineering.

pumped storage units； four units at the same time load rejection ； test； pressure， speed， vibration

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.009

國家重點工程項目（發改能源〔2009〕731號）；南方電網電力建設重點項目（南方電網計〔2010〕19號）。

2016-10-13

2016-12-27汪志強（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設計與設備管理等。E-mail：1295512324@qq.com

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。E-mail：542120791@qq.com

李華（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產維護工作。E-mail：li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，學士，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。E-mail： 359028830@qq.com

呂志鵬（1983—），男，工程師，主要研究方向：電力系統運行檢修和基建工作等。E-mail：254223354@qq.com