抽水蓄能電站過渡工況中水力參數的采集與分析

摘要：分析了水錘現象、機組轉動慣量及導葉開啟/關閉時間對某抽水蓄能電站機組過渡工況的影響，選取機組100%甩負荷電氣事故停機試驗、水泵工況下電氣事故停機試驗的過渡工況進行了數據分析，為機組運行提供數據參考，為設計人員對機組或輔助設備進行設計優化提供依據。

關鍵詞：水力參數;過渡工況;現場試驗;水錘;轉動慣量

0 引言

國內某抽水蓄能電站的單機容量為250 MW，總裝機容量為6×250 MW，為全國產化機組。在機組進行無水調試、有水調試和整組啟動試運行調試過程中，通過采集水力數據可實時對機組在調試階段各工況的水力狀態進行監測，根據實時數據可評估各種試驗風險，靈活指導下一步調試工作，并為今后機組運行提供數據參考，為設計人員對機組或輔助設備進行設計優化提供依據。本文將對該抽水蓄能電站在調試期間的特殊工況現場采集的水力數據進行分析，探討影響過渡工況的因素，并據此提出一些建議。

1 影響過渡工況的因素

正常并網運行的水輪發電機機組頻率不變，功率不變，假設凈水頭不變，機組是在滿足設計要求情況下的某一穩定工況下運行，此時輸入功率與輸出功率平衡，當輸入功率或輸出功率有變化時，就會出現過渡工況。機組從一個穩定工況到另一個穩定工況的中間過程即為過渡工況。

1.1? ? 水錘現象對過渡工況的影響

水錘是發生在水電站引水系統中的非恒定流現象，當水輪發電機的輸入功率與輸出功率不平衡時就會產生水錘現象。水錘現象會造成水力參數的激烈變化，受影響最明顯的位置為導葉前后、轉輪進水側和出水側。當轉輪進水側和出水側壓力脈動聚變時，會引起頂蓋劇烈振動，嚴重時可影響到機組的安全運行。

1.2? ? 轉動慣量對過渡工況的影響

并網機組在穩定工作狀態下，即機組以恒定的功率和功率因數勻速運行，水的勢能-旋轉機械能-電能之間能量轉換平衡。當機組輸入功率發生變化時（包括抽水和發電工況），能量轉換出現不平衡狀態，導致機組輸出功率變化。在機組正常及非正常開/停機、負荷調整等工況轉換時，球閥及調速器此時為了滿足負荷調整需求而快速動作，產生水錘現象，造成流道壓力脈動增大，供電質量下降。特別是在機組100%甩負荷時，機組轉速上升值最大，在此過渡過程中，機組的轉動慣量GD2與機組升速有一定的關系，GD2越大，機組轉速上升率越小，在過渡工況中振擺數值也越小，提高了機組穩定性，同時機組響應速度也會降低。但根據相關參考文獻可知，GD2取值存在最大臨界點和最小臨界點，在臨界范圍外取值，若GD2過大，則機組經濟性差，且機組轉速上升率改善不明顯;GD2過小，則機組響應速度提升有限，且機組穩定性能差。在臨界范圍內增大GD2可以在一定程度上降低調保參數，縮短調節時間。

1.3? ? 導葉開啟、關閉時間對過渡工況的影響

根據上述水錘形成的原理，水輪機組同期并網后增加負荷，機組轉速不變，不難得出以下結論：在機組增負荷過程中，導葉開啟越快，引起的負水錘越大，蝸殼末端的最小動水壓力將越小，尾水管進口的最大動水壓力也將越來越大;在機組減負荷時，導葉關閉越快，引起的水錘越大，蝸殼末端的最大動水壓力將越大，尾水管進口的最小動水壓力也將越來越小;當機組因電氣事故停機時，導葉關閉最快，此時壓力也達到極限值。在水泵工況時，為了提高經濟性，一般導葉在全開狀態下工作，產生的大波動過渡過程為水泵斷電，調速器動作，快速關閉導葉，此時也會在蝸殼末端形成負水錘。

以上分析結果表明，導葉的開啟和關閉時間在過渡工況下必須滿足調保計算參數要求。根據相關參考文獻可知，在一個電站有多臺機組情況下，單臺機在滿負荷運行時，導葉開度應小于88%，當單臺機在滿負荷運行導葉開度超過88%時，一旦出現水錘效應，可能會出現調節失效的后果。

2 現場試驗的水力參數分析

電站現場試驗水力參數采集的數據種類較多，很多數據如尾水進口壓力和尾水出口壓力波形變化趨勢一致，實時差值可忽略不計。由于本文主要圍繞過渡工況，討論其與水錘現象、機組轉動慣量及導葉開啟/關閉時間之間的關系，所以選取了導葉開度、機組轉速、機組有功功率、蝸殼末端壓力、尾水出口壓力等5個典型數據進行討論，選取機組100%甩負荷電氣事故停機試驗、水泵工況下電氣事故停機試驗的過渡工況進行數據分析。

2.1? ? 機組100%甩負荷電氣事故停機試驗

機組100%甩負荷電氣事故停機試驗的甩負荷過渡工況錄波如圖1所示，導葉開度與蝸殼末端壓力關系如圖2所示。

從圖1、圖2可知：導葉在GCB斷開0.3 s后動作，分兩段關閉，第一段關閉時間為11 s，第二段關閉時間為10 s，導葉在15.2 s后開度降至20%（轉速為305 r/min），總關閉時間為21 s;轉速在5.7 s后升至最高速度399.6 r/min，18.7 s后，轉速降至額定轉速300 r/min，導葉開度為8.4%。蝸殼末端壓力最大為4.026 MPa，波動區間為0.7 MPa，尾水進口壓力最小為0.373 MPa，波動為區間0.54 MPa。從現場采集數據分析可知，導葉關閉及時，在15.2 s時導葉關閉至開度為20%（機組空載開度）時，機組轉速因導葉開度無法維持轉速上升，這時即使保持原開度，轉速也會低于額定轉速。水錘效應在一個周期后基本消失，但在此過程，蝸殼末端壓力在導葉開度為35%時波動很大，同時在變負荷試驗過程中，25%負荷（導葉開度約為35%）時有功輸出波動也較大，由此可以推測，35%導葉開度是機組導水機構不穩定區域，在開機或關機時應盡量縮短此區域時間。

2.2? ? 水泵工況下電氣事故停機試驗

球閥和導葉在斷電后同時關閉，球閥關閉時間為53.5 s，導葉關閉時間為14 s，蝸殼末端最大壓力為3.82 MPa、最小壓力為2.96 MPa，尾水進口壓力最大為1.31 MPa、最小為0.47 MPa。在蝸殼末端形成負水錘，尾水進水口形成水錘，一個周期后水錘效應消失。

3 結語

本文闡述了水錘現象、機組轉動慣量及導葉開啟/關閉時間對機組過渡工況的影響。根據現場試驗采集的數據分析可知：水錘現象在過渡工況中出現一個周期后基本消失;轉動慣量可以抑制導葉動作時帶來的功率波動，但效果有限;導葉的開啟/關閉時間影響流道的水錘效應大小;但機組在壓力脈動變化劇烈區域，上述3個因素對機組過渡工況的影響較小，取決于機組本身的導水機構的設計。為避免壓力脈動劇烈變化對機組穩定運行造成安全隱患，在機組調試期間，應確定機組的穩定運行區域，同時在后續的機組調試過程中，增加采集調壓井的液位數據和壓力數據，完善對機組過渡工況的水力數據采集工作。

[參考文獻]

[1] 楊建東，高志芹.機組轉動慣量GD2的取值對水電站過渡過程的影響[J].水電能源科學，2005，23（2）：47-49.

[2] 田明武.水利水電工程建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] 王丹，楊建東，高志芹.導葉開啟時間對水電站過渡過程的影響[J].水利學報，2005（1）：120-124.

收稿日期：2020-03-27

作者簡介：沈龍（1983—），男，安徽人，工程師，研究方向：系統集成。