抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗探討

韓伶俐，王臘芬

（水電水利規劃設計總院，北京市西城區 100120）

抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗探討

韓伶俐，王臘芬

（水電水利規劃設計總院，北京市西城區 100120）

對于一管多機輸水方式布置的水電站，同一輸水系統中各臺機組是否進行同時甩負荷試驗一直存在爭議。本文介紹了相關規程規范要求，以及現場機組甩負荷試驗的意義，探討了一管多機布置方式水電站進行同一壓力鋼管機組同時甩負荷試驗的利弊，并給出了建議。

水電站；一管多機；調節保證；甩負荷

0 引言

水電站的過渡過程是關系到電站安全和機組運行穩定的關鍵因素之一。運行經驗表明，水電站機組及附屬設備的事故，大多是在過渡過程中發生的，此時機組進入異常的過速和制動工況，系統中產生的動負荷大，水流的不穩定性增高，引起強烈的壓力脈動、振動和水擊，影響機組設備的安全穩定運行。

甩負荷試驗是對輸水發電系統過渡過程的重要檢驗方式之一。對于采用一管多機輸水方式布置的電站，同一輸水系統中多臺機組是否進行同時甩負荷試驗一直存在爭議。反對做同時甩負荷試驗的理由之一，同一輸水系統中多臺機組同時甩負荷對機組及水道系統可能產生破壞，且多臺機組同時甩負荷的概率較低。同一輸水系統中多臺機組是否進行同時甩負荷試驗，到目前為止，機組啟動試驗規程和相關的規范尚未對此進行明確。

1 相關規范和規定對機組甩負荷試驗的要求

1.1 《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫行規定》

《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫行規定》中規定調節保證設計專題報告應對現場甩負荷試驗方式提出要求，現場甩負荷試驗應在設計工況范圍內進行。暫行規定中定義的調節保證設計工況為在電站正常運用范圍內不利的水力過渡過程計算邊界條件下，電站正常運用（包括開停機、增減負荷、正常工況轉換以及穩定運行等狀態）或正常運用時考慮一個偶發事件（設備故障、電力系統故障等）引起的過渡工況。

1.2 《水輪發電機組啟動試驗規程》（DL/T 507—2014）

DL/T 507—2014規定：機組甩負荷試驗應在額定負荷的25%、50%、75%和100%下分別進行，若受電站運行水頭或電力系統條件限制，機組不能按上述要求帶、甩額定負荷時，可根據當時條件對甩負荷試驗次數與數值進行適當調整，最后一次甩負荷試驗應在所允許的最大負荷下進行。而因故未能進行的帶、甩額定負荷試驗項目，應在以后條件具備時完成。

對長引水隧洞和長尾水洞的機組甩負荷試驗，兩次甩負荷試驗間隔時間應按設計要求進行。

機組為非單元引水輸水方式布置的電站，同一引水系統中各臺機組甩負荷試驗和對輸水系統的考核應綜合考慮，多臺機組同時甩負荷試驗方式按設計要求進行。

1.3 《可逆式抽水蓄能機組啟動試運行規程》（GB/T 18482—2010）

GB/T 18482—2010規定：機組甩負荷試驗應在額定負荷的25%、50%、75%和100%下分別進行。

機組為非單元引水輸水方式布置的電站，同一引水系統中各臺機組甩負荷試驗和對輸水系統的考核應綜合考慮，多臺機組同時甩負荷試驗方式按設計要求進行。

1.4 《水輪發電機組安裝技術規范》（GB/T 8564—2003）

GB 8564—2003規定：機組甩負荷試驗，應在額定負荷的25%、50%、75%、100%下分別進行，并記錄有關參數值。

受電站水頭和電力系統條件限制，機組不能帶額定負載時，可按當時條件在盡可能大的負載下進行上述試驗。

2 機組甩負荷試驗意義

2.1 DL/T 507—2014規定的機組過速試驗與甩負荷試驗檢查內容

2.1.1 過速試驗檢查內容

機組甩負荷試驗前，應先進行過速試驗。過速試驗過程中應密切監視并記錄機組各部位擺度和振動值，記錄各部軸承的溫升情況及發電機空氣間隙的變化，監視是否有異常響聲。過速試驗停機后應全面檢查發電機轉動部分有無松動、移位或脫落，焊縫是否有開裂現象；檢查發電機定子基礎及上機架千斤頂的狀態，發電機上下擋風板、擋風圈、導風葉是否有松動或斷裂；其他相關檢查。

2.1.2 甩負荷試驗檢查內容

機組甩負荷試驗測量參數：機組轉速、導葉開度、導葉關閉時間、接力器活塞往返次數、調速器調節時間、蝸殼實際壓力、真空破壞閥開啟時間、尾水管真空度、機組振動和擺度值、調速器永態轉差系數、轉輪葉片關閉時間及角度（僅轉槳式機組）、轉動部分上抬量、上下游水位。

機組甩負荷試驗應錄制過渡過程的各種參數變化曲線及過程曲線，記錄各部位推力軸承和導軸承瓦溫的變化情況。機組甩25%額定負荷時，記錄接力器不動時間。檢查并記錄真空破壞閥的動作情況與大軸補氣情況。檢查水輪機調速系統的動態調節性能，校核導葉接力器緊急關閉時間、蝸殼水壓上升率、機組轉速上升率等，均應符合設計規定。在額定功率因數條件下，水輪發電機組突甩負荷時，檢查自動勵磁調節器的穩定性和超調量是否符合規定。

對于轉槳式水輪機組甩負荷后，應檢查調速系統的協聯關系和分段關閉的正確性，以及突然甩負荷引起的抬機情況。

2.2 機組過速試驗和甩負荷試驗的意義

機組過速試驗和甩負荷試驗時，機組進入異常的過速和制動工況，由此引起的機組振動和擺度值遠超正常運行工況。

機組過速試驗時，機組活動導葉處于小開度的工況，此時機組不輸出有功功率，導葉開度較小，水道系統流速較低，導葉關閉引起的水道系統水擊壓力較小。對常規電站，一般過速試驗時的轉速高于機組甩負荷最大轉速上升值5%（絕對值），可以有效考核機組各部位擺度振動值、發電機空氣間隙、轉動部件強度等。對于蓄能電站，機組轉速上升時，水泵水輪機產生的離心力導致轉輪過流能力明顯降低，機組轉速難以上升至設計規定值，因此GB/T 18482明確規定“具有明顯水泵水輪機‘S’特性的機組，以上述方法無法將機組轉速上升至設計規定值時，過速試驗對機組轉動部分的考驗可用甩負荷試驗替代”。

機組甩負荷試驗時，導葉開度大，水道系統流速高，導葉關閉引起的水道系統水擊壓力大，水流的不穩定性增高，水道系統壓力急驟上升和下降，同時機組轉速上升，除考核機組各部位振動擺度值、發電機空氣間隙、轉動部件強度外，還特別檢驗導葉關閉規律、水道系統及水輪機過流部件承壓能力、頂蓋振動、調速器參數及調節性能等。

2.3 一管多機輸水系統單機甩負荷和多臺機組同時甩負荷的差異

同一水道系統單機甩負荷和多臺機組同時甩負荷，水道系統流速變化差異很大，導葉關閉引起的水道系統水擊壓力差異也很大，與一臺機組甩負荷工況相比，多臺機組同時甩負荷工況蝸殼壓力上升和尾水管壓力下降更大，其次機組轉速上升也大一些，由此引起的機組振動擺度更嚴重，轉動部件和承壓部件承受更為嚴格的考驗。

以清遠抽水蓄能電站機組甩負荷試驗為例，4臺機組不同組合工況機組甩負荷試驗實測值見表1。

表1 清遠蓄能電站機組甩負荷試驗實測值Tab.1 Measured values of load rejection test of Qingyuan pumped storage power station

3 非單元引水輸水布置方式機組甩負荷試驗

3.1 非單元引水輸水布置方式

非單元引水輸水系統布置方式，首先要區分開的是一洞一室多管多機布置，還是一洞一室一管多機或一管多機布置。

一洞一室多管多機布置方式，通常是一條引水洞接一個調壓室，從調壓室向后，單管單機、單管二機，二管四機等布置方式，這種布置方式一根壓力鋼管最多接2臺機組，與一管多機布置方式有本質上的差異。

一洞一室一管多機或一管多機布置，本文特指一根壓力鋼管接三臺及以上機組的布置方式。采用一管四機布置方式的國內的抽水蓄能電站有：廣蓄一期、廣蓄二期、惠蓄一廠、惠蓄二廠、清遠蓄能等。國外采用一洞一室一管多機布置的電站也較多，如英國的迪諾威克蓄能電站（一洞一室一管六機）和日本的奧美蓄能電站（一洞一室一管四機）等。

3.2 一洞一室多管多機布置方式機組甩負荷試驗

以一洞一室二管四機布置方式為例，機組甩負荷試驗只進行同一壓力管道上的2臺機組同時甩負荷試驗就可以；同一調壓室的4臺機組同時甩負荷，雖然調節保證極值大于2臺機組同時甩負荷工況，但由于設置了調壓室，調壓室是自由水面，能反射和抑制水擊壓力，因此雖使調壓室涌浪幅度加大，但機組調節保證極值增加不多，只要調壓室設計高度和通氣面積足夠，調壓室涌浪幅度增加不會產生不可預見的安全問題。

3.3 一管多機布置方式機組甩負荷試驗

3.3.1 常規電站一管多機布置方式機組甩負荷試驗

近幾年新建的常規電站，一般過速試驗時的轉速高于同一壓力管道機組全部甩負荷的最大轉速上升計算值，機組各部位擺度振動值、發電機空氣間隙、轉動部件強度等通過過速試驗可以得到有效考核。水輪機主要承壓部件如蝸殼、進水閥，均按鋼制壓力容器標準進行設計、制造和檢驗，壓力鋼管的設計、制造均滿足相關規程規范要求，焊縫的檢測手段比較可靠。此外，進水閥一般均進行試驗壓力不小于1.5倍設計壓力的水壓試驗，部分電站蝸殼也進行了1.5倍設計壓力的水壓試驗，出現不可控制事故的可能性較小。

若水道設計不合理，輸水發電系統過長而未設置調壓室，則機組甩負荷工況存在安全問題。若尾水壓力管道過長、水輪機安裝高程偏高，機組甩負荷時尾水管和頂蓋部位可能會出現液注分離現象，發生強烈的反水錘，輕則導致機組頂蓋部位水壓反復震蕩，引起頂蓋振動值偏大，還可能產生抬機破壞機組，更嚴重的可能發生頂蓋被強大的水壓頂開，出現水淹廠房等惡性事故。若上游側輸水發電系統過長，蝸殼、進水閥、壓力鋼管設計壓力偏小，沒有按同甩負荷的壓力上升值考慮，則同一壓力管道機組全部甩負荷時存在壓力管道等破壞的安全隱患。

對于常規電站，一管多機布置方式多臺機組同時甩負荷試驗對壓力管道、進水閥、蝸殼、尾水管等過流部件的承壓能力可進行有效考核，對機組頂蓋等過流部件的承壓能力和機組轉動部件強度的考核意義則相對較小。如果單臺機組甩負荷試驗數據驗證了調保計算值的準確性，則機組調節保證設計值通常能滿足要求，一管多機布置方式電站進行多臺機組同時甩負荷試驗意義有限。

3.3.2 抽水蓄能電站一管多機布置方式機組甩負荷試驗

對于蓄能電站，機組進行過速試驗時，水泵水輪機產生的離心力導致轉輪過流能力明顯降低，機組轉速難以上升至設計規定值，通常蓄能電站機組過速試驗轉速上升值僅110%～120%額定轉速，而機組甩負荷試驗轉速上升值超過130%額定轉速，抽水蓄能電站機組過速試驗時的轉速遠低于機組甩負荷工況，機組各部位擺度振動值、發電機空氣間隙、轉動部件強度等不能通過過速試驗得到有效考核。

機組甩負荷過程中管道內水擊壓力的產生來自流量變化。對常規水輪機，其流量變化基本取決于導葉開度的變化。對可逆式水泵水輪機，其流量受導葉開度和機組轉速的雙重影響。可逆式機組轉速變化對水泵水輪機過流量影響較大，特別對于高水頭/揚程的可逆式水泵水輪機，當轉速升高時，離心力急劇加大，水泵水輪機流量和轉輪前后壓力將出現較大幅度的震蕩，從而引起蝸殼和尾水管內較大的壓力脈動。

可逆式機組甩負荷時導葉可采用先快后慢、先慢后快、導葉延時關閉等分段關閉規律。但無論導葉采用哪種關閉規律，由于導葉關閉時間較長，離心力導致的轉輪前（蝸殼、頂蓋等部件）后（尾水管）壓力急劇上升和下降已經發生，機組頂蓋等部件承受的壓力較大。

采用一管多機布置方式的抽水蓄能電站，同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗，對壓力管道、進水閥、蝸殼、尾水管、頂蓋等過流部件的承壓能力和機組轉動部件強度均能進行有效考核。

4 一管多機布置方式機組同時甩負荷試驗幾點看法

4.1 一管多機布置方式機組同時甩負荷概率比單臺機組甩負荷低

單臺機組甩負荷概率較高，相關的任何一個設備或接入系統故障，都可能導致機組甩負荷。多臺機組同時甩負荷的概率比較低，對一回出線的電站，一般電網故障或送出線路故障將導致機組同時甩負荷；對于采用一管多機布置方式、二回以上出線的電站，多臺機組同時甩負荷概率相對較低。

4.2 同一壓力鋼管多機同時甩負荷比單機甩負荷風險高

同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷與一臺機組甩負荷相比，上游過流部件承受更高的壓力上升或壓力下降，機組轉速上升也有增加，由此引起的機組振動擺度更嚴重，接近或超過機組和水道系統的設計工況。一管多機布置方式的蓄能電站，水力系統及機組的邊界條件更為復雜，數值模擬計算中機組模型全特性曲線數據、導葉開度與接力器行程關系曲線數據、機組模型與原型相似關系均可能存在一定的誤差，特別是水泵水輪機還存在某個區域的不穩定工況，給調節保證計算的準確性造成相當的難度。同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷，對機組轉動部件強度、過流部件承壓能力均是更為嚴格的考驗，機組出故障概率更大，是否需要進行同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗應進行充分的論證。

4.3 同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗可以防患于未然

同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗，對水道系統、機組、電網有較大的沖擊，存在一定的風險，但這些風險是設計中應該考慮的，且風險是可控的。

4.3.1 準確預測最嚴重的工況是否滿足調節保證設計要求

同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗之前，機組已進行多次甩負荷試驗，根據試驗工況的試驗實測值和復核計算成果，可以充分驗證機組調節保證計算的準確程度，分析各工況機組甩負荷時相關參數和極值與調節保證計算成果的關系，從而預測最嚴重的工況是否滿足調節保證設計要求，以確保機組及水道安全。

4.3.2 采取適當措施預防事故發生

分步試驗過程可提前發現不符合調節保證計算的預期值并采取相應措施（如蓄能機組壓力脈動超過預期值，可增加壓力脈動的修正值）；若甩負荷試驗發現調節保證設計值裕量偏小，如轉速上升值小而蝸殼壓力很大或尾水真空度數值較大，可采用調整導葉關閉規律、延長導葉關閉時間等措施解決，反之則采用縮短導葉關閉時間等措施解決。對于轉速上升值和蝸殼壓力值均超過設計保證值時，則應停止試驗，分析原因，研究解決的辦法。

在采取調整導葉關閉規律等措施后，根據試驗和計算成果，判斷蝸殼壓力值或尾水管真空度可能超過設計值，可在上游水位較低或下游側水位較高時進行甩滿負荷試驗，根據試驗結果復核上游正常蓄水位或下游低水位時，蝸殼壓力或尾水管真空度能否滿足設計要求。

4.3.3 制定事故處置預案

試驗前，電站將進行充足的準備工作，并制定事故處置預案，試驗過程中若發生事故，現場人員將按事故處置預案，及時采取合適的措施，防止出現更大的事故。試驗后停機檢查機組轉動部分和螺栓是否松動，固定部分連接是否緊固，頂蓋螺栓是否出現松動或變形，若發現問題應及時處理，可有效避免事故擴大。

4.3.4 預防機組投運后出現事故

試驗時配有完善的測量、監控儀器，儀器儀表均經過率定，可有效分析試驗過程中出現的各種狀況，通過試驗可為以后電站運行提供有力的技術支撐。

4.4 同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗的意義

（1）雖然目前采用多種多樣的模擬數值計算分析軟件都可以對一管多機甩負荷過渡過程預測計算，其成果可作為工程現場試驗的實際運行時參考。但實際的一管多機同時甩負荷后的壓力波分布情況和機組轉速上升仍有待試驗時進一步驗證。

（2）及時發現機組設計、制造、安裝和輸水發電系統設計、施工過程中的質量問題和隱患，工程建設各方均還在現場，問題處理較投產運行后要快捷。

（3）同一壓力鋼管多臺機組若未進行同時甩負荷試驗，機組運行過程中出現多臺機組同時甩負荷的故障，需要對所有機組進行細致全面的檢查，確認無誤后再投入運行。做過同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗之后，機組和流道經受了全面考驗，機組運行過程中若出現類似的事故，根據安全監測、監控系統信息對相關設備、設施進行檢查、處理，可不對所有機組、輸水發電系統進行全面的檢查。

（4）同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗，對水道、機組、電氣設備、各輔助系統均進行了全面考驗，為電站機組實現全水頭、滿負荷方式運行創造條件，提供有力的技術支撐，給機組更好地為電網安全穩定運行服務奠定堅實基礎。

5 結束語

（1）根據相關規范對機組甩負荷試驗要求，一管多機布置方式的電站，機組甩負荷試驗方式按設計要求進行。是否進行同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗由工程設計單位提出要求，若工程設計單位經分析論證，確認同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷是校核工況，出現的概率極低，且工程設計單位和制造廠復核的機組調保設計各項參數均能滿足設計和合同要求，并得到業務主管部門認可，則不必再進行多臺機組同時甩負荷試驗。

（2）對于可逆式機組的抽水蓄能電站，若同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷工況屬設計工況，建議進行多臺機組同時甩負荷試驗。

（3）對常規電站，即便只有一回出線，若已進行較高轉速的過速試驗和蝸殼水壓試驗，且工程設計單位和制造廠復核的機組調保設計各項參數能滿足設計和合同要求，并得到業務主管部門認可，可不進行多臺機組同時甩負荷試驗。

（4）同一壓力鋼管多臺機組是否進行多機同時甩負荷試驗應充分聽取業主的意見，工程建設單位、工程設計單位和電力系統應充分協商。進行同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗，在試驗前應做好充分的準備和應急預案；對于不進行同一壓力鋼管多臺機組同時甩負荷試驗的電站，應在運行規程中明確規定，運行過程中若出現此類工況，機組不能立即投入運行，在對機組和流道進行安全檢查，并確認無誤后才允許再次投入運行。

（5）建議業務主管部門盡快完善相關規程規范的修訂，增強可操作性。

（6）同一輸水系統內的多臺機組同時甩負荷時，各臺機組產生的壓力波在高壓輸水系統中傳播時產生干擾，壓力波可能相互疊加，也可能相互削弱。如果壓力波相互削弱，則對水力系統的安全有利，可降低同一鋼管內的多臺機同時甩負荷時的最大壓力上升值。如果壓力波相互疊加，則可能威脅水力系統的安全運行，給輸水系統帶來隱患。

同一輸水管道內的多臺機組采用不同的導葉關閉規律，能使機組甩負荷時的壓力波峰互相削減，從而更容易滿足調節保證設計的要求。建議對一管多機的輸水發電系統，開展各臺機組采用不同關閉規律的調節保證計算研究工作。

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Discussion on Simultaneous Load Rejection Test of One Pumped Multi Station in Pumped Storage Power Station

HAN Lingli，WANG Lafen
(Planning and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Beijing 100120, China)

For a hydropower station which is arranged in a pipe with multiple machines， whether or not the unit is carried out at the same time， the load rejection test has been controversial.The article introduces the relevant regulations and requirements，the significance of load rejection test field unit， discusses the advantages and disadvantages of hydropower more than one machine layout of station of the same pressure pipe unit and load rejection test， and suggestions are given.

hydropower station； one tube multi machine；regulation guarantee

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.010

2016-10-23

2016-12-30

韓伶俐（1971—），女，教授級高級工程師。主要研究方向：水利水電工程水力機械專業的審查、咨詢、設計和研究工作。

王臘芬（1963—），女，高級工程師。主要研究方向：水利水電工程控制保護和通信專業的審查、咨詢、設計和研究工作。