白蓮河抽水蓄能電站首臺機首次起動方式探討

伍志軍，楊洪濤

（1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410014；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田 438600）

白蓮河抽水蓄能電站首臺機首次起動方式探討

伍志軍1，楊洪濤2

（1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410014；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田 438600）

白蓮河抽水蓄能電站首臺機首次起動時，上水庫蓄水位遠(yuǎn)低于進(jìn)出水口頂面高程，不具備水輪機工況調(diào)試條件。為此，經(jīng)多次論證，其首臺機采用泵工況在異常低揚程下進(jìn)行首次起動，在泵工況調(diào)試完成后，再進(jìn)行水輪機工況的調(diào)試和工況轉(zhuǎn)換調(diào)試，第一次成功實現(xiàn)了國內(nèi)抽水蓄能電站真正意義上的首臺機首次泵工況起動。

白蓮河；抽水蓄能；水泵水輪機；泵工況，首次起動

0 概述

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)，電站裝設(shè)4臺單機容量為300MW的單級混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組，平均年發(fā)電量9.67億kW·h，年抽水耗用低谷電量12.89億kW·h，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站以一回500kV出線接入黃岡變，在華中電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑起動的任務(wù)。

電站樞紐建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站、中控樓、副廠房等建筑物組成。上水庫沒有天然地表徑流補給，為日調(diào)節(jié)水庫。下水庫利用20世紀(jì)60年代初建成的白蓮河大型水庫，屬多年調(diào)節(jié)水庫。輸水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)均采用一洞兩機布置方式。電站的水能參數(shù)如下：

1 首臺機首次起動方式

純抽水蓄能電站上水庫大多為人工成庫，集雨面積很小，沒有天然地表徑流補給。受自然條件、施工工期等因素影響，首臺機首次起動時，上水庫一般不具備較大的蓄水量?？紤]上庫的蓄水時間以及機組發(fā)電進(jìn)度的要求，抽水蓄能電站首臺機首次起動方式主要有以下三種：

方式一：利用外加充水泵向上庫充水，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起動并完成全部調(diào)試項目的需要，然后機組以水泵工況起動，向上庫充水；

方式二：利用外加充水泵向上庫充水，蓄水量僅滿足首臺機首次按照水輪機工況起動并完成必要的空載調(diào)試項目的需要，然后機組以水泵工況起動，向上庫充水，再交替進(jìn)行水泵抽水工況調(diào)試和水輪發(fā)電機工況調(diào)試；

方式三：利用外加充水泵向引水鋼管充水，充水至滿足機組水泵工況異常低揚程起動的水位（一般充水至上水庫進(jìn)出水口底板高程），機組按照水泵工況方式起動調(diào)試，并以水泵工況向上庫充水，再交替進(jìn)行水泵抽水工況調(diào)試和水輪發(fā)電機工況調(diào)試。

其中，方式一和方式二的蓄水量為死庫容與調(diào)試水量之和，方式三僅需蓄水至首臺機引水系統(tǒng)進(jìn)水口底板高程。

2 三種起動方式分析

上述三種充水方式中，方式一最為安全，水輪機工況調(diào)試負(fù)荷逐級增加，對機組振動、壓力脈動、軸承負(fù)荷、溫升等有一個逐步加大的、可調(diào)整的逐步考驗過程。但是，此起動方式因需上庫蓄水量太大、蓄水歷時太長、前期投入大而不易實現(xiàn)，除非是上庫本身具有天然徑流或上庫施工進(jìn)度領(lǐng)先于機電設(shè)備安裝進(jìn)度。

方式二采用水輪機工況首次起動，但對上庫要求的蓄水量相對較小，僅需滿足機組初期以發(fā)電工況完成最基本的調(diào)試試驗所需的水量即可，對工程進(jìn)展比較有利，是穩(wěn)妥而實用的首臺機首次起動方式；但主機設(shè)備承擔(dān)的風(fēng)險相對較大。該方式也是國內(nèi)上庫無天然徑流的已投運抽水蓄能電站主要采用的首臺機首次起動方式。本電站上庫死庫容733萬m3，引水系統(tǒng)充水量約20萬m3，為保證首臺機組在死水位以上連續(xù)運行5h并考慮一定裕度所需的調(diào)試水量約315萬m3，蓄水期間（15個月）75%保證率下的徑流量145萬m3，水量損失約104萬m3，抽水總量約1027萬m3，相應(yīng)上庫水位為293.50m。按抽水時間15個月計算，需選用7臺（其中2臺備用）揚程290m，流量200m3/h的充水泵，相應(yīng)總投資約1600萬元。

方式三較多應(yīng)用于上庫放空檢修后對上水庫進(jìn)行充水，機組以泵工況運行極限低揚程至最低揚程之間，會有較大的振動和壓力脈動，但因歷時較短，振動和壓力脈動雖然有可能會超過正常運行允許范圍，仍是可以接受的。由于上庫放空檢修前機組已經(jīng)正常商業(yè)運行一段時間，本身的各項技術(shù)指標(biāo)和穩(wěn)定性指標(biāo)已經(jīng)過調(diào)試試驗、各種運行工況和工況轉(zhuǎn)換試驗的實際考驗，機組調(diào)試和運行時所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)得到妥善處理，故采用此種起動方式技術(shù)上是可行的。廣蓄和天荒坪電站上水庫放空檢查后就是采用這種方式。但對于新建電站首臺機首次起動，在國內(nèi)已投運或在建的幾個抽水蓄能電站中尚無應(yīng)用實例，國外也很少應(yīng)用，需進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)論證。

3 起動方式確定

白蓮河抽水蓄能電站首臺機首次起動方式，在預(yù)可行性研究階段和可行性研究階段推薦采用小水泵充水至進(jìn)水口底板高程，使水泵初始揚程達(dá)到80%～90%最低揚程，然后利用水泵工況首次抽水方式；主機合同也規(guī)定首臺機首次起動方式采用水泵工況起動，并在模型試驗中予以驗證，主機廠家也提供了水泵水輪機首次泵工況起動充水程序。

水泵水輪機模型驗收試驗結(jié)果顯示，在導(dǎo)葉開度達(dá)到13.5°至18°之間可滿足水泵165.00m低揚程充水起動的入力和壓力脈動要求。其中水泵工況在超低揚程起動時導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間壓力脈動值為17.8%，小于合同要求25%，其它部位的壓力脈動均小于3%，滿足合同要求，不會由此產(chǎn)生水力振動問題；同時，針對導(dǎo)葉開度為18°進(jìn)行水泵異常低揚程運行的試驗，起動靜揚程為160.00m，實際運行揚程為164.54m，相應(yīng)的原型流量約為155.58m3/s，電網(wǎng)頻率50Hz時的入力為302.5MW，最大入力為305.7MW，滿足機組合同對水泵正常運行范圍內(nèi)入力的要求，模型試驗確認(rèn)在此條件下運行不發(fā)生有害振動和空化破壞。但因壓力脈動真機和模型是不相似的，有可能真機在異常低揚程下運行的穩(wěn)定性情況會變得惡劣。除此之外，機組在異常低揚程下以水泵工況起動對機組振動、動平衡、軸承負(fù)荷、溫升等也將是直接的接近正常運行最大值的考驗。

主機廠家提供的水泵水輪機首次泵工況起動充水程序為：首先利用下庫對引水系統(tǒng)進(jìn)行平壓充水至下庫水位高程，然后利用小水泵充水至上庫進(jìn)出水口底板高程271.0m即進(jìn)行水輪機空載調(diào)試，運行約9min，引水鋼管中的水位下降至256.0m，無異常后即可進(jìn)行泵工況起動，此時泵的揚程為極限低揚程165.0m。

在電站建設(shè)過程中，項目業(yè)主也多次組織相關(guān)專題研究論證，并委托武漢大學(xué)水利水電學(xué)院對機組首次水泵起動特殊過渡過程進(jìn)行計算機數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明，首次水泵起動特殊過渡過程各種工況調(diào)保參數(shù)均滿足要求，且有較大裕度。最后，綜合考慮施工進(jìn)度和技術(shù)及經(jīng)濟風(fēng)險后，決定采用泵工況首次起動。

4 泵工況首次起動及機組調(diào)試過程

白蓮河抽水蓄能電站泵工況首次起動及機組調(diào)試過程主要分為：

（1）首臺機引水系統(tǒng)充水至上庫進(jìn)出水口底板高程271.0m。此時，上庫天然蓄水已至約高程275.0m，上庫進(jìn)/出水口為岸塔式(側(cè)式)結(jié)構(gòu)，進(jìn)/出水口底板高程為271.00m，進(jìn)水口前池底坎最高處高程為283.0m，受前池底坎阻擋，上庫蓄水不能自流入進(jìn)出水口，需臨時設(shè)置低揚程大流量的排水泵，將上庫蓄水抽至首臺機引水壓力鋼管。

（2）首次水輪機工況滑動試驗。2009年3月10日，首次手動開機，調(diào)速器切電氣手動，慢慢開啟導(dǎo)葉至2%，機組開始轉(zhuǎn)動，并保持機組轉(zhuǎn)速在5%額定轉(zhuǎn)速左右，轉(zhuǎn)動約5min，檢查主軸密封水壓、流量正常，機組聲音正常，機械部分無明顯摩擦與碰撞。

（3）2009年5月21日至8月5日，依次主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪室充氣壓水試驗、SFC分步與自動開停機試驗、電制動及動平衡試驗、手動及自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)試驗、水泵調(diào)相工況瓦溫穩(wěn)定試驗及保護(hù)極性校驗。

（4）8月6日成功完成水泵調(diào)相工況轉(zhuǎn)水泵工況試驗，凈揚程約185.5m（正常揚程范圍：191m～222.7m），機組有功約308MW。

（5）8月7日，機組抽水試驗，同時進(jìn)行泵工況瓦溫穩(wěn)定試驗及保護(hù)校驗。水泵工況異常低揚程起動，上庫水位為281.5m，蓄水量約220萬m3，下庫水位為96.19m，導(dǎo)葉開度為34%，水泵流量134m3/s，電動機吸收功率304.6MW，穩(wěn)定運行約3h 15min，推力軸承瓦溫穩(wěn)定，最高74.17℃，定子繞組最高溫度為84℃；停機過程中模擬機械故障停機試驗；上庫蓄水至284.7m。8月8日，機組泵工況運行約1h 30min，停機過程中進(jìn)行電氣故障停機試驗，上庫蓄水至286.05m，蓄水量約435萬m3。

（6）8月9日至18日，主要進(jìn)行了水泵工況正常揚程抽水及熱穩(wěn)定試驗、水泵工況突然斷電試驗（緊急按鈕停機）、電氣事故（低功率保護(hù)動作停機）、機械事故（調(diào)速器低油位停機）和正常停機試驗。至此，水泵工況調(diào)試基本完成。

（7）8月18日，上庫水位蓄水接近296.0m，開始水輪機工況起動調(diào)試，在機組發(fā)電工況調(diào)試期間，結(jié)合水泵工況運行給上庫充水，其間上庫水位最高達(dá)到約304.0m。

（8）在完成發(fā)電工況試驗后，9月13日至17日，進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換試驗。

（9）在完成機組整組起動調(diào)試工作和消缺處理后，機組于2009年10月23日0：00進(jìn)入30天試運行。在30天試運行期間，累計購網(wǎng)電量2359.5萬kW·h，上網(wǎng)電量1460.7萬kW·h，累計發(fā)電運行時間60h4min，抽水運行時間76h24min。發(fā)電工況起動23次，成功23次；水泵工況起動21次，成功21次，起動成功率均為100%，均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

GB/T18482-2001《可逆式抽水蓄能機組起動試驗規(guī)程》和DL/T5208-2005《抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則》均推薦先完成水輪機工況起動試驗后，方可進(jìn)行首次水泵工況起動。但在上水庫未提前充(蓄)水的情況下，允許機組以水泵工況起動。白蓮河抽水蓄能電站在死庫容較大、上庫基本無徑流的條件下，經(jīng)過參建各方的努力，通過科學(xué)縝密的論證和精心細(xì)致的組織，成功地實現(xiàn)了首臺機首次泵工況起動，既節(jié)約了投資，又縮短了工期，為我國抽水蓄能電站建設(shè)提供了首臺機首次泵工況起動的成功經(jīng)驗。

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1672-5387（2010）04-0013-03

2010-04-20

伍志軍（1978-），男，工程師，從事水力機械設(shè)計。