機(jī)組調(diào)相壓水過程中流程及控制的分析

汪 健，徐國華，馬永軍，李垠鋼

（1. 華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺317200；2. 杭州富春江電力工程有限公司，浙江 桐廬311500）

1 引言

調(diào)相壓水流程是將高壓壓縮空氣注入機(jī)組轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，使機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生高壓并將轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的水位壓離轉(zhuǎn)輪，以滿足機(jī)組轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，利用氣體的可壓縮特征，這樣不僅減小了水輪機(jī)啟動時的力矩，還降低了機(jī)組啟動過程中產(chǎn)生的振動，因此調(diào)相壓水是抽水蓄能機(jī)組流程中的一個重要組成部分。

2 調(diào)相壓水系統(tǒng)的組成以及順控流程

2.1 調(diào)相壓水系統(tǒng)的組成

調(diào)相壓水系統(tǒng)由高壓氣機(jī)、尾水管水位浮子測量裝置系統(tǒng)、調(diào)相壓氣罐系統(tǒng)、蝸殼泄壓閥門、壓水閥門系統(tǒng)以及其流程轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)等組成，其組成系統(tǒng)見圖1。

圖1 壓水系統(tǒng)的組成

我廠水泵水輪機(jī)及其主要輔助設(shè)備為奧地利VATECH公司提供，水泵水輪機(jī)為立軸、單級、混流可逆式，安裝高程EL52.0 m，最小吸出高度-58 m，額定軸出力為306 MW，額定凈水頭244.0 m，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，飛逆轉(zhuǎn)速465 r/min。機(jī)組調(diào)相壓氣氣源采用高壓氣系統(tǒng)，額定氣壓為8.0 MPa，每臺機(jī)組配置2個串聯(lián)的調(diào)相高壓氣罐。機(jī)組調(diào)相壓水及回水閥門組包括主壓水閥、補(bǔ)氣壓水閥，尾水管水位測量裝置，其布置于尾水錐管室，水位傳感器為壓差式傳感器，直接向監(jiān)控系統(tǒng)輸出模擬量，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)模擬量設(shè)定開關(guān)壓水閥門。

2.2 壓水邏輯

我廠機(jī)組有5個穩(wěn)定運(yùn)行工況，由靜止、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相組成，其中靜止-抽水調(diào)相-抽水-抽水調(diào)相會涉及到調(diào)相壓水系統(tǒng)，本壓水邏輯主要介紹靜止到抽水調(diào)相及抽水過程中的流程轉(zhuǎn)換。

壓水預(yù)條件：迷宮冷卻水閥打開，導(dǎo)葉全關(guān)，蝸殼排氣閥關(guān)閉，轉(zhuǎn)輪排氣閥關(guān)閉。

壓水步驟：

第一步：打開調(diào)相壓水進(jìn)氣閥，閥門全開后15 s復(fù)歸開閥令，見圖2。

圖2 壓水步序一邏輯圖

第二步：關(guān)閉調(diào)相壓水進(jìn)氣閥，閥門全關(guān)后1 s復(fù)歸關(guān)閥令，見圖3。

圖3 壓水步序二邏輯圖

第三步：再次打開調(diào)相壓水進(jìn)氣閥（反饋未收到下面尾水管信號，滿足再次開閥條件，命令已發(fā)出），“尾水管水位太高&高否”或“尾水管水位低”或“尾水管水位太低”動作后1 s復(fù)歸開閥令；只要尾水管水位反饋收到后，第3步執(zhí)行完畢，立即執(zhí)行第4步關(guān)閥，同時延時1 s復(fù)歸開閥命令，見圖4。

圖4 壓水步序三邏輯圖

第四步：關(guān)閉調(diào)相壓水進(jìn)氣閥，閥門全關(guān)后復(fù)歸關(guān)閥令，見圖5。

圖5 壓水步序四邏輯圖

第五步：以上4步完成后，如果球閥全關(guān)、球閥旁通閥已全關(guān)，開啟蝸殼泄壓閥，閥門全開后復(fù)歸開閥令。

機(jī)組在調(diào)相壓水過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速＞10%額定轉(zhuǎn)速時，且同時收到上下迷宮冷卻水閥打開、導(dǎo)葉全關(guān)、蝸殼排氣閥全關(guān)、轉(zhuǎn)輪室排氣閥全關(guān)信號時，調(diào)相壓水閥打開15 s進(jìn)行壓水，若此時尾水管水位未達(dá)到停止壓水高程（尾水管水位高和太高浮子均復(fù)歸或者尾水管水位低或太低浮子動作），間隔1 s后調(diào)相壓水閥再次打開進(jìn)行壓水，直到壓水至尾水管水位低于停止壓水高程后延時1 s自動關(guān)閉（在隨后的壓水保持過程中不再開啟），隨后在收到球閥全關(guān)、球閥工作旁通閥全關(guān)信號后開啟蝸殼泄壓閥，標(biāo)志著機(jī)組壓水成功，進(jìn)入到壓水保持階段。

3 調(diào)相壓水過程中需考慮的問題以及輔助設(shè)備對調(diào)相壓水的影響

3.1 壓水時間的控制

機(jī)組調(diào)相壓水時間的控制是根據(jù)尾水管水位浮子的位置以及壓水控制回路來決定的，同時也受氣罐氣壓、尾水管部分容積、下庫水位、轉(zhuǎn)輪漏氣量等因素的影響，根據(jù)我廠實(shí)際壓水情況，目前我廠第一次壓水時間為15 s，若尾水管水位未達(dá)到停止壓水高程，間隔1 s再次打開進(jìn)行壓水。同時在具體控制中應(yīng)考慮下面幾個問題：

（1）為防止過度壓水，當(dāng)尾水管水位監(jiān)測裝置監(jiān)測到水位低信號動作時應(yīng)立即停止壓氣和補(bǔ)氣，此時應(yīng)保證水位監(jiān)測裝置的動作可靠性以及正確性。

（2）當(dāng)剛開始進(jìn)行壓氣時，主壓水閥瞬間開啟時，轉(zhuǎn)輪室壓力急劇增大，若主軸密封安裝不到位時，會使主軸密封抬起，導(dǎo)致密封失效，因此必須對主壓水閥的開啟及關(guān)閉流程進(jìn)行改進(jìn)，延緩主壓水閥的開啟時間。

3.2 氣壓保持時間

維持轉(zhuǎn)輪室的氣壓在調(diào)相壓水過程中是一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)，若出現(xiàn)漏氣，則壓水時間必將縮短。正常情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)輪脫離水面在空中旋轉(zhuǎn)時，仍會有一部分空氣從尾水管逆向下游，因空氣經(jīng)轉(zhuǎn)輪帶動后動能增加，經(jīng)豎向氣流不斷擴(kuò)散于水中并被水平回流帶走，再有機(jī)組調(diào)相運(yùn)行的用氣量也將增加，這些都會造成高壓氣機(jī)運(yùn)行時間過長，影響了高壓氣機(jī)的壽命。機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時主要有以下幾個漏氣點(diǎn)：

（1）主軸密封處漏氣至水車室。

（2）豎向回流與水平回流引起的尾水管逸氣。

（3）蝸殼排氣閥排氣至尾水管肘段或下庫。

依據(jù)我廠機(jī)組調(diào)相壓水的運(yùn)行情況，因主軸密封每年都進(jìn)行檢修與維護(hù)，因此主軸密封處的漏氣很少，但在機(jī)組抽水調(diào)相過程中，水位浮子高低的抖動，顯示著機(jī)組閥門部件仍然有漏氣的存在，所以我廠設(shè)置了調(diào)相壓水補(bǔ)氣閥來確保壓水成功的保持。

3.3 蝸殼排氣閥動作的延時性

蝸殼排氣閥的作用：在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時，將轉(zhuǎn)輪室內(nèi)通過導(dǎo)葉間隙逸向蝸殼的高壓氣排到下庫，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)抽水時蝸殼內(nèi)就無大量氣體，保證機(jī)組轉(zhuǎn)抽水的穩(wěn)定性。我廠某機(jī)組在抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)時曾發(fā)生過因壓水過程中蝸殼排氣閥未關(guān)導(dǎo)致事故停機(jī)，因機(jī)組調(diào)相壓水成功后，每間隔3 min打開5 s排氣，而當(dāng)蝸殼排氣閥不在全關(guān)位置延時10 s動作事故停機(jī)。當(dāng)時某機(jī)組蝸殼排氣閥從打開到關(guān)閉用了15 s，導(dǎo)致機(jī)組事故停機(jī)。因此蝸殼排氣閥開關(guān)動作的時間是保證壓水成功的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

3.4 尾水管浮子的靈敏性

尾水管水位測量裝置布置于尾水錐管段，一般利用開放容器的液位平衡原理：上下引出平衡管液位來反映尾水管內(nèi)的實(shí)際水位，其主要作用是為機(jī)組調(diào)相啟動和運(yùn)行時提供尾水水位信號，控制調(diào)相壓氣和補(bǔ)氣。我廠尾水管設(shè)置了4個浮子，分別為水位低、太低、水位高、太高，經(jīng)過對這4個尾水管浮子的研究，尾水管水位浮子的故障對壓水過程中影響不大，但水位太高、水位低、水位太低信號不能復(fù)歸會造成跳機(jī)，太低信號抖動也有可能影響調(diào)相過程中的正常運(yùn)行。因此保持尾水管浮子的靈敏性也是決定機(jī)組抽水調(diào)相過程中的一項(xiàng)重要參考因素。

3.5 調(diào)相壓水過程重點(diǎn)關(guān)注問題

（1）密切監(jiān)視上、下迷宮流量是否正常，迷宮溫度的變化趨勢，機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)各部冷卻水流量是否正常。

（2）檢查機(jī)組抽水穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的水導(dǎo)軸承、頂蓋、上導(dǎo)、上機(jī)架、下導(dǎo)、下機(jī)架等振動擺度值是否正常。

（3）密切監(jiān)視發(fā)電機(jī)滑環(huán)、定子鐵心、熱風(fēng)、冷風(fēng)、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、推力軸承、水導(dǎo)軸承溫度變化趨勢。

4 結(jié)束語

抽水蓄能電站的調(diào)相功能在電網(wǎng)中起著重要的作用，同時也是機(jī)組工況轉(zhuǎn)換中的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了調(diào)相壓水系統(tǒng)的組成以及壓水過程中的邏輯，并結(jié)合壓水過程中所涉及到的問題進(jìn)行了探討，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一些借鑒經(jīng)驗(yàn)，同時我們有必要更深入、更詳細(xì)研究抽水蓄能電站運(yùn)行的各種工況，為保證設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行，防止設(shè)備性能劣化或降低設(shè)備失效概率提供保障。