溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式研究與實(shí)踐

陳忠賓，杜大禹

（江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213334）

溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式研究與實(shí)踐

陳忠賓，杜大禹

（江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213334）

抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式對(duì)機(jī)組乃至整個(gè)電站初期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文結(jié)合溧陽(yáng)抽水蓄能電站工程實(shí)際，對(duì)各種啟動(dòng)方式進(jìn)行綜合比較分析，最終確定采用水輪機(jī)空載工況+水泵工況啟動(dòng)方式，確保了首臺(tái)機(jī)組首次啟動(dòng)順利并網(wǎng)。

首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式；水輪機(jī)空載工況+水泵工況

0 引言

溧陽(yáng)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱溧陽(yáng)電站）位于江蘇省蘇南地區(qū)溧陽(yáng)市境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，主要任務(wù)是為江蘇電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、填谷和緊急事故備用，同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)相等任務(wù)，是目前江蘇省在建的最大的抽水蓄能電站，裝有6臺(tái)單機(jī)容量為250 MW混流可逆式機(jī)組，第一臺(tái)機(jī)組已于2017年1月發(fā)電，2017年8月6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。電站上水庫(kù)正常蓄水位291m，死水位254m，下水庫(kù)正常蓄水位19 m，死水位0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 195.9×104m3。額定設(shè)計(jì)水頭259 m，機(jī)組安裝高程-57 m，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，水泵水輪機(jī)額定出力255 MW。

抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)是機(jī)組投入正式運(yùn)行前的重要環(huán)節(jié)，選擇合適的啟動(dòng)方式對(duì)機(jī)組乃至整個(gè)電站初期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。首臺(tái)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中一旦出現(xiàn)異常導(dǎo)致緊急停機(jī)不僅對(duì)機(jī)組本身造成損害，對(duì)流道結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定程度的沖擊，后果非常嚴(yán)重。本文旨在借鑒國(guó)內(nèi)已建同類型抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)成功啟動(dòng)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合溧陽(yáng)抽水蓄能電站自身特點(diǎn)和工程實(shí)際情況，以水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型驗(yàn)收結(jié)論為依據(jù)，選擇合適的首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式，為溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)組成功并網(wǎng)發(fā)電奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，相關(guān)工作和取得的成果可供其他抽水蓄能電站參考。

1 首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式

目前，國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式主要有以下三種[1]、[2]：

方式一：純水泵工況啟動(dòng)

利用外加充水泵向上庫(kù)充水或利用水庫(kù)天然蓄水，直至滿足機(jī)組以水泵工況異常低揚(yáng)程啟動(dòng)的水位，機(jī)組按照水泵工況方式啟動(dòng)調(diào)試，并以水泵工況直接向上庫(kù)充水；

方式二：水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)

利用外加充水泵向上庫(kù)充水或利用水庫(kù)天然蓄水，上庫(kù)水位及蓄水量?jī)H滿足首臺(tái)機(jī)首次按照水輪機(jī)空載工況啟動(dòng)并完成必要的調(diào)試項(xiàng)目，然后機(jī)組以水泵工況方式啟動(dòng)，向上庫(kù)充水；

方式三：水輪機(jī)工況啟動(dòng)

利用外加充水泵向上庫(kù)充水或利用水庫(kù)天然蓄水，充水至上庫(kù)死水位以上，蓄水量以滿足首臺(tái)機(jī)首次按照水輪機(jī)工況啟動(dòng)并網(wǎng)后完成全部調(diào)試項(xiàng)目的需要，然后機(jī)組以水泵工況/水輪機(jī)工況交替調(diào)試運(yùn)行。

目前我國(guó)已建抽水蓄能電站目前以選擇首次從水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式居多。各工程由于實(shí)際施工進(jìn)度與計(jì)劃工期會(huì)有所差別，降雨量和天然來(lái)水量也會(huì)由于天氣情況的變化有所不同，所以，首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

2 首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方案分析

2.1 水輪機(jī)/水泵啟動(dòng)方式對(duì)比分析

首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式選擇的核心內(nèi)容在于分析和衡量水輪機(jī)工況啟動(dòng)與水泵工況啟動(dòng)兩種基本方式各自的利弊，在綜合當(dāng)前電站的外部蓄水條件后，從機(jī)組技術(shù)環(huán)節(jié)和工程投資成本的角度出發(fā)，選擇合適的啟動(dòng)方式。

基于首臺(tái)機(jī)首次調(diào)試項(xiàng)目對(duì)水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式和水泵工況啟動(dòng)方式進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比和分析，如表1所示：

表1 首臺(tái)機(jī)首次調(diào)試項(xiàng)目對(duì)不同啟動(dòng)方式的要求對(duì)比分析表

2.2 溧陽(yáng)電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式分析

各種啟動(dòng)方式對(duì)上庫(kù)初期蓄水量要求各不相同，對(duì)機(jī)組性能的要求、調(diào)試影響和風(fēng)險(xiǎn)也各不相同?，F(xiàn)根據(jù)溧陽(yáng)抽水蓄能電站外部施工條件及機(jī)組特性對(duì)三種啟動(dòng)方式進(jìn)行具體分析：

（1）純水泵工況啟動(dòng)

純水泵工況啟動(dòng)方式對(duì)于上庫(kù)無(wú)天然來(lái)水的抽水蓄能電站而言是一種縮短工期和節(jié)省投資的啟動(dòng)方式。該方式僅需借助外來(lái)充水泵將上庫(kù)蓄水至水泵最低啟動(dòng)揚(yáng)程范圍內(nèi)即可以水泵工況啟動(dòng)機(jī)組向上庫(kù)充水，繼而進(jìn)行水輪機(jī)工況調(diào)試。以往蓄能電站相關(guān)資料顯示，首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式采用純水泵工況比水輪機(jī)工況將在一定程度上縮短工期，項(xiàng)目收益較明顯。然而從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及電站安全角度考慮，純水泵工況啟動(dòng)方式相對(duì)水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式無(wú)疑將承擔(dān)更大的風(fēng)險(xiǎn)。首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)采用純水泵工況啟動(dòng)方式，機(jī)組在最低啟動(dòng)揚(yáng)程下運(yùn)行受水流壓力脈動(dòng)影響振動(dòng)較為劇烈，空化特性條件惡劣，且動(dòng)平衡、軸承負(fù)荷及溫升等指標(biāo)將直接面臨接近正常運(yùn)行最大值的考驗(yàn)。對(duì)于剛安裝完畢的新機(jī)組，本身各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和穩(wěn)定性均未經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，在機(jī)械或電氣環(huán)節(jié)可能存在某種隱患沒(méi)有暴露，一旦在水泵抽水工況下出現(xiàn)重要指標(biāo)異?；蛘咄蝗粩嚯娗闆r，機(jī)組被迫突甩負(fù)荷，不僅對(duì)引水系統(tǒng)水工建筑物造成強(qiáng)烈沖擊，機(jī)組本身的安全性亦面臨考驗(yàn)。出現(xiàn)這種情況后機(jī)組復(fù)查修復(fù)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

溧陽(yáng)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)在50.5 Hz條件下，對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度17 mm和19 mm進(jìn)行了異常低揚(yáng)程啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

圖1 水泵異常低揚(yáng)程啟動(dòng)壓力脈動(dòng)結(jié)果圖

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：在水泵導(dǎo)葉開(kāi)度為19 mm，異常低揚(yáng)程223 m條件下啟動(dòng)機(jī)組，其最大輸入功率為265.5 MW（50.5 Hz時(shí)），導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間壓力脈動(dòng)值為5.2%（50.5 Hz時(shí)），尾水管壓力脈動(dòng)值為1.19%（50.5 Hz時(shí)），滿足合同中對(duì)水泵正常運(yùn)行范圍內(nèi)入力和壓力脈動(dòng)幅值的要求，模型試驗(yàn)確認(rèn)在此條件下運(yùn)行不發(fā)生有害振動(dòng)和空化破壞。但對(duì)于壓力脈動(dòng)來(lái)說(shuō)，真機(jī)運(yùn)行工況下脈動(dòng)值和模型試驗(yàn)下脈動(dòng)值是不相似的，有可能真機(jī)在異常低揚(yáng)程下運(yùn)行的穩(wěn)定性情況變得惡劣。

（2）水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)

水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)方式適合于上庫(kù)具備蓄水條件的抽水蓄能電站。只要保證上庫(kù)水位在水輪機(jī)空載調(diào)試運(yùn)行期間高于進(jìn)/出水口流道頂板高程1 m左右（扣除空載調(diào)試水量后相應(yīng)上庫(kù)水位），上下庫(kù)之間形成的水頭達(dá)到水輪機(jī)工況運(yùn)行的最小水頭，即可采用水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)方式，做完相關(guān)空載試驗(yàn)后隨即轉(zhuǎn)入水泵工況。

由于蓄能機(jī)組水輪機(jī)空載運(yùn)行工況下易出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行情況，即進(jìn)入所謂的“S”區(qū)反水泵工況，首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)過(guò)程中一旦出現(xiàn)這種情況將給調(diào)試帶來(lái)影響，嚴(yán)重情況甚至必須停機(jī)檢查。故在首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)采用水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式之前需對(duì)此現(xiàn)象做充分的研究分析。溧陽(yáng)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)表明（見(jiàn)圖2）：水輪機(jī)在最低水頭下的空載啟動(dòng)開(kāi)度A0=9 mm，運(yùn)行區(qū)處于不穩(wěn)定的“S”區(qū)之外，故水輪機(jī)空載工況下機(jī)組將不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 水泵水輪機(jī)“S”特性曲線圖

溧陽(yáng)抽水蓄能電站上下庫(kù)天然來(lái)水量很小，必須依靠外來(lái)泵從沙河水庫(kù)抽水以滿足初期蓄水的要求。若首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式考慮采用水泵工況啟動(dòng)，根據(jù)水泵最低起用揚(yáng)程要求上庫(kù)必須蓄水至高程242.00 m，相應(yīng)蓄水量為8.9萬(wàn)m3；而考慮采用水輪機(jī)空載工況啟動(dòng)，上庫(kù)水位需至少高出進(jìn)/出水口流道頂板高程（高程249.00 m）1m左右，綜合考慮空載調(diào)試用水量，上庫(kù)需蓄水至高程253.20 m，相應(yīng)蓄水量為180.1萬(wàn)m3。按外來(lái)泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h，則水輪機(jī)空載工況啟動(dòng)方式將比純水泵工況啟動(dòng)方式工期滯后約60 d。

（3）水輪機(jī)工況啟動(dòng)

水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式是目前具備上庫(kù)蓄水條件的抽水蓄能電站大多采用的首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式。該方式對(duì)機(jī)組首次啟動(dòng)最為有利，水輪機(jī)工況首次啟動(dòng)是在負(fù)荷逐級(jí)增加下進(jìn)行，對(duì)機(jī)組振動(dòng)、壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性指標(biāo)、動(dòng)平衡、軸承負(fù)荷、溫升等有一個(gè)逐步加大的、可調(diào)整的逐步考驗(yàn)過(guò)程。但是，溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)若采用此啟動(dòng)方式，根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的調(diào)試用水量（空載調(diào)試水量+并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)試水量），上庫(kù)需蓄水至257.00 m高程，相應(yīng)蓄水量為288.1萬(wàn)m3，相比水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)方式增加了近110萬(wàn)m3蓄水量。按外來(lái)泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h，則水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式比水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)方式工期滯后約42 d，比純水泵工況啟動(dòng)方式工期滯后約100 d。

3 溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式

抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)采用純水泵工況向上庫(kù)充水的方式，雖然在國(guó)內(nèi)已有一定工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但這種啟動(dòng)方式在機(jī)組調(diào)試過(guò)程中存在一定的弊端和風(fēng)險(xiǎn)。而水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式一般適用于上庫(kù)具有豐富天然來(lái)水或者為已建人工水庫(kù)的情況。本電站上庫(kù)為施工期挖填形成，天然集雨面積較小，初期蓄水需依靠外來(lái)水泵從沙河水庫(kù)抽水。若采用水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式上庫(kù)初期蓄水量較大，工期耗費(fèi)較長(zhǎng)，不利于項(xiàng)目成本控制。而水輪機(jī)空載工況+水泵工況啟動(dòng)方式相比純水泵工況啟動(dòng)方式更有利于機(jī)組的安全調(diào)試運(yùn)行，相比水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式對(duì)上庫(kù)初期蓄水量的要求大大減小，有利于節(jié)約工程投資成本。

溧陽(yáng)抽水蓄能電站上庫(kù)初期蓄水可實(shí)現(xiàn)在首臺(tái)機(jī)啟動(dòng)前達(dá)到水輪機(jī)空載調(diào)試運(yùn)行的要求。因此，電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)采用水輪機(jī)空載工況+水泵工況方式。

4 溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)情況

按照研究確定的啟動(dòng)方式，溧陽(yáng)電站首臺(tái)機(jī)組于2016年6月6日進(jìn)行首次啟動(dòng)，進(jìn)行水輪機(jī)方向滑動(dòng)摩擦及升速試驗(yàn)。升速至100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)如表2所示：

表2 首臺(tái)機(jī)首次升速至100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表 單位：μm

機(jī)組滑動(dòng)摩擦檢查及升速試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組各部位無(wú)異聲響，機(jī)組各部位振動(dòng)擺度基本正常，機(jī)組各部瓦溫、油溫、水壓均正常，各輔助設(shè)備運(yùn)行正常，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)方向正確。

水輪機(jī)空載試驗(yàn)完成后，機(jī)組進(jìn)行了首次水泵工況抽水試驗(yàn)，共抽水35 min，累計(jì)抽水18.5萬(wàn)m3。首次抽水試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)如表3所示：

首次水泵抽水試驗(yàn)正常，機(jī)組各部位運(yùn)行穩(wěn)定。

表3 首臺(tái)機(jī)首次水泵工況抽水時(shí)機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表 單位：μm

5 結(jié)論

（1）首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式研究工作從2012年啟動(dòng)至2015年5月結(jié)束，歷經(jīng)3年多的時(shí)間，整個(gè)研究工作緊密結(jié)合溧陽(yáng)電站上下庫(kù)天然條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分析了水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)結(jié)論，排除了水輪機(jī)空載并網(wǎng)運(yùn)行下進(jìn)入反水泵工況的情況，對(duì)純水泵啟動(dòng)方式、水輪機(jī)空載+水泵工況啟動(dòng)方式和水輪機(jī)工況啟動(dòng)方式三種方案，從機(jī)組自身穩(wěn)定性、外部工程投資等方面進(jìn)行了綜合比較，最終確定了水輪機(jī)空載工況+水泵工況方式，確保了首臺(tái)機(jī)組首次啟動(dòng)順利并網(wǎng)。

（2）抽水蓄能機(jī)組首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式牽涉面廣、研究?jī)?nèi)容多，水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)束后即可開(kāi)展相關(guān)工作，溧陽(yáng)抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)首次啟動(dòng)方式可供其他抽水蓄能電站參考。

[1]GB/T 18482-2010可逆式抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行規(guī)程[S].

[2]DL/T 507-2014水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程[S].

TV743

B

1672-5387（2017）08-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.003

2017-03-03

陳忠賓（1984—），男，工程師，從事機(jī)電設(shè)備管理工作。