調(diào)相壓水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素

胡浩 姜紅偉

摘 要：水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)，為消耗較小的有功功率，常采用壓低水位使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)的方式。該文借鑒國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)相運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，介紹了給氣壓力、流量、位置等多方面因素對(duì)機(jī)組調(diào)相運(yùn)行的影響，另外對(duì)機(jī)組調(diào)相運(yùn)行所產(chǎn)生的問(wèn)題及相應(yīng)的解決辦法進(jìn)行了概述，為調(diào)相壓水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：調(diào)相 壓低水位 抽水蓄能 設(shè)計(jì) 參考

中圖分類號(hào)：TK734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-00-02

1 調(diào)相運(yùn)行的意義

抽水蓄能機(jī)組可作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行，調(diào)節(jié)無(wú)功功率，為電網(wǎng)提供電壓支持；同時(shí)其反應(yīng)速度非?？欤稍谥卮箅娋W(wǎng)事故中避免電壓崩潰和熱過(guò)載的現(xiàn)象。

2 調(diào)相壓水的方式

4.2 儲(chǔ)氣罐容積

給氣壓水時(shí)，需短時(shí)間內(nèi)由儲(chǔ)氣罐供給大量的壓縮空氣。由式（1）可知，起始給氣流量與儲(chǔ)氣罐容積無(wú)關(guān)，但若儲(chǔ)氣罐容積過(guò)小，可能導(dǎo)致壓水失敗或無(wú)法補(bǔ)氣。

4.3 給氣位置

抽水蓄能機(jī)組給氣位置一般有：①頂蓋中央；②尾水管進(jìn)口的管壁上。實(shí)際運(yùn)行中，位置①和②給氣均有成功的案例?，F(xiàn)多傾向于從①處給氣，②處備用，當(dāng)采用①處供氣時(shí)，每?jī)蓚€(gè)轉(zhuǎn)輪葉片之間設(shè)一個(gè)進(jìn)氣孔以保證供氣速度；同時(shí)，為防止壓力沖擊過(guò)大導(dǎo)致主軸密封抬起，應(yīng)考慮主壓氣閥控制回路的改進(jìn)，延緩閥門從全關(guān)到全開(kāi)的時(shí)間。

4.4 水環(huán)

水環(huán)的形成：①打開(kāi)球閥旁通閥，壓力水通過(guò)導(dǎo)葉間隙形成水環(huán)（廣蓄采用）；②利用轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的離心力將迷宮環(huán)、主軸密封（部分）冷卻水等甩向?qū)~，形成水環(huán)（天荒坪、宜興）。水環(huán)可以防止大量壓縮空氣經(jīng)導(dǎo)葉間隙進(jìn)入蝸殼，同時(shí)冷卻轉(zhuǎn)輪。但水環(huán)過(guò)厚會(huì)增大轉(zhuǎn)輪阻力矩造成有功損耗的增加，也會(huì)導(dǎo)致迷宮環(huán)溫度升高并產(chǎn)生有害的振動(dòng)?？稍诘篆h(huán)上設(shè)置通道將水環(huán)水排至尾水管（天荒坪、宜興）；或利用轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將水環(huán)水通過(guò)導(dǎo)葉間隙排向蝸殼，通過(guò)蝸殼排氣閥排入尾水（廣蓄Ⅱ期）。

4.5 蝸殼排氣閥

蝸殼排氣閥又稱蝸殼平壓閥，在調(diào)相運(yùn)行時(shí)將轉(zhuǎn)輪室逸向蝸殼的高壓氣排到下庫(kù)，避免機(jī)組由抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水時(shí)蝸殼內(nèi)還存有大量氣體，保證機(jī)組的穩(wěn)定性。在天荒坪曾發(fā)生過(guò)蝸殼排氣回路堵塞的事件，明顯影響是在機(jī)組由抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水運(yùn)行時(shí)，急劇上行的水流夾雜蝸殼中未排盡的氣體通過(guò)壓力鋼管充向上庫(kù)，由此產(chǎn)生間斷氣爆的聲音，并給機(jī)組帶來(lái)一定的軸系振動(dòng)，直至氣體完全排向上庫(kù)，一般在1 min左右穩(wěn)定。

4.6 尾水水位

在水體脫離轉(zhuǎn)輪后，水面離轉(zhuǎn)輪越遠(yuǎn)，水體旋轉(zhuǎn)受轉(zhuǎn)輪影響就越小，國(guó)內(nèi)一些設(shè)計(jì)院推薦壓低水位距離轉(zhuǎn)輪下環(huán)1～2 m，轉(zhuǎn)輪直徑越大、轉(zhuǎn)速越高的機(jī)組可以取較大值。

4.7 給氣開(kāi)始時(shí)間

為防止抽水調(diào)相起動(dòng)時(shí)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流過(guò)大，一般在低轉(zhuǎn)速時(shí)（10%～15%額定轉(zhuǎn)速）即開(kāi)始給氣壓水。發(fā)電調(diào)相的啟動(dòng)是先發(fā)電并網(wǎng)再轉(zhuǎn)發(fā)電調(diào)相，故在額定轉(zhuǎn)速下給氣壓水，此時(shí)要防止機(jī)組進(jìn)入深度反水泵而導(dǎo)致機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作出口，通常需要快速壓氣和適時(shí)閉鎖逆功率保護(hù)。

4.8 補(bǔ)氣

漏氣點(diǎn)：主軸密封處漏氣至水車室；豎向回流與水平回流引起的尾水管逸氣；水環(huán)排水閥夾雜氣、水至尾水管肘段。從天荒坪、宜興實(shí)際運(yùn)行情況觀察，主軸密封處的漏氣很少，但在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)，尾閘處確有大量的氣體排出，證明后兩種漏氣確實(shí)存在。補(bǔ)氣方式有：連續(xù)補(bǔ)氣：需要補(bǔ)氣閥保持一個(gè)合適的開(kāi)度，將補(bǔ)氣閥常開(kāi)，但此開(kāi)度很難找到。根據(jù)尾水管水位控制補(bǔ)氣：一般在尾水管設(shè)水位測(cè)量裝置，在調(diào)相時(shí)投入。這種方法的主要影響在于尾水管肘管處振動(dòng)大，環(huán)境濕度大，對(duì)水位測(cè)量裝置的技術(shù)要求高。根據(jù)吸收功率控制補(bǔ)氣：據(jù)試驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)所消耗的功率僅為相同條件下在水中旋轉(zhuǎn)消耗功率的10%-35%，故可利用功率繼電器來(lái)控制補(bǔ)氣，該法的缺點(diǎn)在于，補(bǔ)氣只能在水淹沒(méi)了轉(zhuǎn)輪后開(kāi)始，會(huì)造成不必要的能量損失，增大機(jī)組的振動(dòng)。

4.9 排氣結(jié)束的判據(jù)

廣蓄是利用安裝在排氣管上的一個(gè)流量傳感器進(jìn)行判斷，當(dāng)探測(cè)到水流量后延時(shí)結(jié)束排氣。天荒坪、宜興則是通過(guò)測(cè)量機(jī)組的吸收功率判斷排氣是否結(jié)束。因?yàn)橄嗤D(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)輪從部分淹沒(méi)在水中到全部淹沒(méi)，吸收功率激增，根據(jù)宜興的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，吸收功率從16-17 mW激增到40 mW。

4.10 上下迷宮環(huán)冷卻

調(diào)相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，使轉(zhuǎn)輪和上下迷宮環(huán)發(fā)熱，因此，必須向上下迷宮環(huán)提供冷卻水。

4.11 冷卻水取水口

調(diào)相時(shí)需要對(duì)冷卻水的水溫進(jìn)行限制。現(xiàn)在一般將取水口和排水口分別布置在尾水管靠尾水事故閘門側(cè)和靠轉(zhuǎn)輪側(cè)，避免造成冷卻水死循環(huán)。

4.12 尾水管高度

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)，轉(zhuǎn)輪下方會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣旋，引起尾水管中水體旋轉(zhuǎn)。在高水頭機(jī)組中水體的傾斜可以達(dá)到45 °，若尾水管高度不夠，被壓下來(lái)的空氣可由肘管上部逸出，或者旋轉(zhuǎn)水體的上部會(huì)撞擊轉(zhuǎn)輪。因此在尾水管的設(shè)計(jì)中必須考慮到壓水起動(dòng)的特殊現(xiàn)象。

4.13 導(dǎo)葉小開(kāi)度

4.14 保護(hù)配制

為了提高調(diào)相的啟動(dòng)成功率與運(yùn)行可靠性，需對(duì)保護(hù)做特殊的配置，如：由于調(diào)相啟動(dòng)過(guò)程中的電流很小（宜興：調(diào)相啟動(dòng)過(guò)程中最大電流約0.76 kA；調(diào)相運(yùn)行電流約0.3 kA；抽水運(yùn)行電流約10 kA），需對(duì)差動(dòng)保護(hù)、低壓過(guò)流保護(hù)、定子接地保護(hù)（95%、100%）、過(guò)電壓等整定特殊的定值；由于抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電與抽水兩個(gè)方向，需對(duì)方向性保護(hù)如負(fù)序過(guò)流、失磁保護(hù)、相序監(jiān)視等配置不同方向的保護(hù)并選擇性投入。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)相運(yùn)行是抽水蓄能機(jī)組重要的運(yùn)行方式，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)相壓水系統(tǒng)是保證調(diào)相運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多方面因素，該文結(jié)合國(guó)內(nèi)部分已投產(chǎn)電站實(shí)際運(yùn)行情況，簡(jiǎn)要介紹了調(diào)相系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注的一些因素，希望為抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)提供思考點(diǎn)。

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