抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗分析

汪志強，陳泓宇，李華，程振宇，呂志鵬

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853）

抽水蓄能電站一洞多機同時甩負荷試驗分析

汪志強，陳泓宇，李華，程振宇，呂志鵬

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853）

近年來，抽水蓄能電站工程建設(shè)進入高速發(fā)展期，為減少投資，往往采用一洞多機的輸水系統(tǒng)布置方案。清遠抽水蓄能電站是國內(nèi)抽水蓄能電站第一次開展同一輸水系統(tǒng)四機同時甩負荷試驗，在模擬線路跳閘的情況下，進行了四臺機組帶25%、50%、75%、100%負荷甩負荷試驗和四臺機組水泵工況同時斷電試驗。本文對清遠抽水蓄能電站四機同時甩負荷結(jié)果進行分析，并分析了一洞四機單甩、雙甩、三甩、四甩過程中壓力隧道壓力、機組轉(zhuǎn)速、振動擺度等關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)類似工程提供了參考。

抽水蓄能機組；一洞多機；四臺機同時甩負荷；壓力、轉(zhuǎn)速、振動擺度

0 引言

近年來，抽水蓄能電站工程建設(shè)進入高速發(fā)展期，為減少投資，往往采用一洞多機的輸水系統(tǒng)布置方案，即一條輸水管道通過岔管連接幾臺機組，在已建成的抽水蓄能電站中，國內(nèi)只有廣州、惠州、清遠抽水蓄能電站（以下簡稱廣蓄、惠蓄、清蓄）采用一洞四機的布置模式。多機甩負荷是抽水蓄能機組調(diào)試過程中最重要和最具危險性的試驗項目之一，廣蓄、惠蓄有至少兩條出線冗余方式接入電網(wǎng)，發(fā)生四甩的概率極低，四機同時甩負荷屬于校核工況（兩重故障同時發(fā)生的跳機）或特殊工況（三重故障同時發(fā)生的跳機），設(shè)計時只需要進行調(diào)保計算，而不要求進行真機試驗，故這兩個電站一直沒有進行四機同時甩負荷試驗。清蓄目前僅以一回500kV 線路接入花都站，線路跳閘將有可能造成全廠四臺機組同時甩負荷或甩入力，為常規(guī)工況（發(fā)生一重故障造成的跳機），必須保證相關(guān)參數(shù)滿足調(diào)保保證值，真機試驗有較大必要性。

文獻[1]對單機、雙甩和三甩甩負荷試驗的方法、安全控制及試驗結(jié)果進行了比較詳細分析，本文主要對四機同時甩負荷結(jié)果進行分析，并詳細對比一洞四機的單甩、雙甩、三甩、四甩過程壓力、轉(zhuǎn)速、振動擺度等關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù)不同，用來說明一洞多機甩負荷的影響程度。

2016年8月23～25日，清蓄四機同時甩負荷試驗在模擬線路跳閘的情況下，先后完成了廠用電自動切換以及四臺機組分別同時帶25%、50%、75%、100%負荷甩負荷試驗和四臺機組水泵工況同時斷電試驗。此次試驗是國內(nèi)抽水蓄能電站第一次開展四機同時甩負荷試驗，各項實測值均處于調(diào)節(jié)保證計算預想值范圍以內(nèi)，為清蓄電站機組實現(xiàn)全水頭、滿負荷方式運行創(chuàng)造條件、提供了技術(shù)支撐，為一洞多機布置形式提供了安全實證和為將來機組結(jié)構(gòu)設(shè)計和一洞多機選型提供了實踐依據(jù)。

1 概述

1.1 輸水系統(tǒng)總體布置

圖1 輸水系統(tǒng)縱剖面布置示意圖Fig.1 Arrangement of longitudinal section of water conveyance system

廣東已建成的廣蓄、惠蓄和清蓄電站均采用一洞四機的方式，即一條引水隧洞和尾水隧洞控制4臺機組，引水隧洞通過高壓岔管和4條引水鋼支管與地下廠房連接，尾水隧洞通過尾水岔管和4 條尾水支管與地下廠房連接。引水隧洞和尾水隧洞長度一般在2000～5000m之間，直徑在8.5～9.5m 之間，一般設(shè)置上游調(diào)壓井和尾水調(diào)壓井，或僅設(shè)置上游調(diào)壓井或尾水調(diào)壓井，調(diào)壓井高度在120～150m 之間，包括直徑9m 左右的升管和直徑20m 左右的大井。清蓄電站引水系統(tǒng)長1765.158m，直徑為9.2m，引水水道不設(shè)調(diào)壓井，尾水調(diào)壓井為帶上室阻抗式，大井內(nèi)直徑18m，連接管內(nèi)直徑9.2m，圖1為清蓄電站輸水系統(tǒng)縱剖面布置示意圖。[3]

1.2 機組主要參數(shù)

清蓄電站主機設(shè)備由東芝水電（杭州）設(shè)備有限公司提供，其主要參數(shù)詳見表1。調(diào)保保證參數(shù)要求蝸殼進口最大相對壓力Hmax＜780m，尾水管進口處最小絕對壓力Hmin＞12m，機組轉(zhuǎn)速最大上升率＜621.5r/min。

水錘的產(chǎn)生來自流量變化，對于水輪發(fā)電機組其流量的變化取決于開度、轉(zhuǎn)速的變化情況。機組甩負荷導葉關(guān)閉初始，機組特性曲線（詳見圖6）較為平緩，轉(zhuǎn)速對流量影響較小，水錘壓力主要來自導葉關(guān)閉引起的流量變化，但隨著轉(zhuǎn)速加大，機組的工況接近飛逸線，到達“倒S”區(qū)域附近，轉(zhuǎn)速對流量變化影響加大，為限制水錘壓力，導葉關(guān)閉規(guī)律應盡可能的使開度與轉(zhuǎn)速的綜合作用最小，按此原則，清蓄電站導葉關(guān)閉采用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律，水輪機導葉最大相對開度為94.07%，第一段為快速關(guān)閉（約2.4s）至76%折點位置；第二段為慢關(guān)，總關(guān)閉時間約70s[4]。導葉與進水球閥同時進行關(guān)閉，進水閥關(guān)閉設(shè)計時間為70.5s，詳見圖2。

2 四機甩負荷試驗實測與計算預測值對比

2016年8月23～24日進行了一洞四機25%、50%、75%和100%四機同時甩負荷試驗，試驗值與原計算預想相比，各指標比較接近，蝸殼最大壓力、尾水最小壓力、轉(zhuǎn)速對比分析詳見表2。100%四機同時甩負荷試驗情況如下：

（1）在線路跳閘的情況下，機組導葉的關(guān)閉規(guī)律和機組ESD緊急停機導葉關(guān)閉規(guī)律一致。

表1 機組參數(shù)Tab.1 Unit parameter list

圖2 導葉和進水閥的關(guān)閉規(guī)律Fig.2 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

（2）4臺機組均第一波轉(zhuǎn)速達到最大值附近后，蝸殼最大壓力和尾水管進口最小壓力也分別達到第一波的極值，然后蝸殼壓力開始下降，當轉(zhuǎn)速開始第二波上升時，蝸殼壓力也隨之升高，第二波轉(zhuǎn)速達到最大值時，蝸殼壓力和尾水管進口壓力也分別達到第二波的極值。

（3）4臺機組蝸殼最大壓力值基本一樣，相差小于0.25MPa，趨勢一致，詳見表2，各臺機組壓力最大試驗值均小于預想值。

（4）4臺機組尾水最小壓力值基本一樣，各值除2號機組甩75%測值異常，后查明實為管路干擾所至，壓力趨勢一致，詳見圖4，各臺機組最大壓力相差小于0.23MPa，各臺機組壓力最小試驗值均大于預想值，特別是100%甩負荷試驗，4臺機組尾水壓力最小值47m遠大于預想值的33.3m。

（5）4臺機組轉(zhuǎn)速上升最大值基本一樣，各最大轉(zhuǎn)速上升值相差小于5r/min，各臺機組轉(zhuǎn)速最大試驗值均小于預想值606r/min，轉(zhuǎn)速趨勢一致，詳見圖4。

（6）4臺機組雖然導葉關(guān)閉折點略有不同，1 號機組折點位置76.15%，2號機組75.64%，3 號機組75.44%，4號機組75.78%，但各項過渡過程參數(shù)趨勢基本一樣，指標均滿足要求，說明清蓄電站導葉關(guān)閉規(guī)律具有良好魯棒性。4臺機組蝸殼最大壓力、尾水最小壓力、轉(zhuǎn)速試驗值結(jié)果均好于計算預想值，特別在100%甩負荷試驗過程中，4臺機組尾水壓力最小值47m遠大于預想值的33.3m，表明廠家尾水壓力預想值偏保守[5]。

3 單甩、雙甩、三甩、四甩試驗主要參數(shù)對比

同一輸水系統(tǒng)單機甩負荷一般通過直接作用緊急停機按鈕跳機實現(xiàn)，雙機甩負荷通過人為觸發(fā)主變保護實現(xiàn)兩臺機組同時跳機，這兩種方式均同時觸發(fā)機組緊急停機流程，即關(guān)閉導葉和進水閥的同時跳開出口開關(guān)，而清遠電站的同一輸水系統(tǒng)三機、四機同時甩負荷試驗是在模擬線路跳閘的情況下實現(xiàn)，其甩負荷過程振動擺度、壓力、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律，現(xiàn)以100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷過程2機組的參數(shù)來說明此情況，詳見表3，括號的數(shù)值為極值出現(xiàn)的時間[6]。

3.1 試驗基本情況

清遠抽水蓄能電站單機、雙機、三甩、四甩100%負荷試驗，均在額定水頭70m之上480m附近進行的試驗，上下庫水位除雙甩上庫水位略高4m，其他上庫水位均在604m附近，下庫在124m附近。

3.2 轉(zhuǎn)速

四甩100%負荷1號機組最大轉(zhuǎn)速上升值137.1%比單甩100%負荷高5.2%，離調(diào)保證值145%還有較大裕度。東芝水電計算出的特殊工況下的最大轉(zhuǎn)速上升為51.4%Nr（最大轉(zhuǎn)速為649r/min），發(fā)電電動機飛逸轉(zhuǎn)速為690r/min。為了提高安全裕度，要求廠家驗算飛逸轉(zhuǎn)速提高到715r/min 時的機組轉(zhuǎn)動部件剛、強度。經(jīng)過計算，廠家確認轉(zhuǎn)速為715r/min 時，水泵水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子等相關(guān)部件的剛度、強度均可滿足要求，機組轉(zhuǎn)動部件有較大的安全裕度，詳見表4。

圖3 1、2、3、4號機組甩100%負荷蝸殼壓力波形Fig.3 1，2，3，4 unit load rejection 100% spiral case pressure waveform

圖4 1、2、3、4號機組甩100%負荷尾水壓力波形Fig.4 1，2，3，4 unit load rejection 100% tail water pressure waveform

圖5 1、2、3、4號機組甩100%負荷轉(zhuǎn)速波形Fig.5 1，2，3，4 unit load rejection 100% speed waveform

表3 單機、多機甩100%負荷對比分析（1號機）Tab.3 Single and multi machine rejetion 100% load comparative analysis（1＃）

3.3 蝸殼壓力

雙甩100%負荷1號機組蝸殼壓力最大值比單甩100%負荷高94m（雙甩水頭高約9m），但三甩僅比雙甩1號機組蝸殼壓力最大值高8.5m，四甩僅比三甩1號機組蝸殼壓力最大值高12.9m，離調(diào)保證值780m有較大裕度。

對于引水鋼支管，設(shè)計最大內(nèi)水壓力標準值采用的是786.5m，略大于蝸殼進口處最大動水壓力（含脈動壓力）的合同保證值780m。對于埋管段，鋼板壁厚受外水壓力工況控制，經(jīng)反算，達到允許應力287MPa對應的內(nèi)水壓力為1050m，即引水鋼支管最大可承擔1050m 的內(nèi)水壓力，相對合同保證值有約34%的裕度。對于廠房上游明鋼管段，經(jīng)反算，偶然狀況下達到允許應力263MPa 對應的內(nèi)水壓力為950m，相對合同保證值有25%的裕度。引水系統(tǒng)有較大的安全裕度。

表4 校核機組轉(zhuǎn)動部件強度Tab.4 Check the strength of rotating parts

3.4 尾水壓力

雙甩100%負荷1號機組尾水壓力最小值比單甩100%負荷低4.2m（雙甩水頭高約9m），三甩僅比雙甩1號機組尾水壓力最小值低4.8m，但四甩卻比三甩1號機組高1.6m。

對于尾水鋼支管，與引水鋼支管相似，鋼板壁厚受外水壓力工況控制，內(nèi)壓工況鋼管應力有較大的安全裕度，經(jīng)反算，尾水鋼支管最大可承擔460m 的內(nèi)水壓力，相對設(shè)計值有非常大的裕度。就外壓工況而言，經(jīng)反算，圓管段鋼管抗外壓穩(wěn)定臨界壓力為67m 水頭，圓變方漸變段段鋼管抗外壓穩(wěn)定臨界壓力為89m水頭，因此，即使尾水鋼支管發(fā)生輕度水柱分離，也不會發(fā)生抗外壓失穩(wěn)，尾水鋼支管有較大的安全裕度。

3.5 振動擺度

四臺機組振動擺度趨勢一致，下面以2號機組為例。表5為2號機組在單甩、雙甩、三甩、四甩100%負荷時在線監(jiān)測系統(tǒng)的振動擺度對比數(shù)據(jù)，從趨勢看單甩、雙甩、三甩、四甩甩時振動擺度最大值有增大趨勢，四甩時2號機組振動擺度最大值較單甩有較大的增加約為1倍。說明同一輸水系統(tǒng)多機同時甩負荷，雖然轉(zhuǎn)速、蝸殼壓力、尾水最小壓力相差不是很大，但機組的各部振動擺度卻有較大增加，多次多機同時甩負荷對機組不利。

3.6 壓力脈動

100%四甩過程試驗人員站在發(fā)電機層，明顯感覺地板振動較以往甩負荷加激不少，比較機組壓力脈動，表6為2號機組在單甩、雙甩、三甩、四甩時華科同安在線監(jiān)測系統(tǒng)的壓力脈動對比數(shù)據(jù)，從趨勢看單甩、雙甩、三甩、四甩甩時壓力脈動逐步增大，四甩時2號機組尾水管進口壓力最大值較雙甩有較大的增加約為1倍，轉(zhuǎn)輪與導葉間壓力脈動（無葉區(qū)脈動）四甩較雙甩增大約25%，說明同一輸水系統(tǒng)多機同時甩負荷機組臺數(shù)越多，水力脈動越大[2][7][8]。

表5 多機甩負荷振動擺度對比表（2號機）Tab.5 Vibration and swing of multi unit load rejection（2#）

3.7 100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷相似點

無論單甩、雙甩、三甩、四甩，機組的水泵水輪機完全特性曲線上的軌跡相似，導葉第一段關(guān)閉較快的速度關(guān)到導葉開度76%位置以控制轉(zhuǎn)速，然后導葉第二段關(guān)閉較慢快的速度將導葉全關(guān)以控制壓力，從圖6、圖7可見，流量過零點大約在10s，導葉開度在65%左右，進入反水泵工況約5s，從四甩振動趨勢圖看，發(fā)生劇烈振動在甩負荷后5～10s之間，即流量第一次即將過零這段時間，參見圖8[10][11]。

4 一洞多機的輸水系統(tǒng)布置方案思考與討論

國內(nèi)近年來抽水蓄電站發(fā)展迅速，水道引水方式大多為一洞二機或一洞四機方式，清蓄電站四機同時甩負荷試驗的順利完成，為一洞四機方式提供了實踐數(shù)據(jù)。一洞多機不僅僅與投資有關(guān)，與出線方式、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、機組特性、機組和球閥大修方式、地質(zhì)條件與洞徑等都有關(guān)。

圖6 機組甩負荷后的水輪機完全特性曲線上的軌跡Fig.6 Track of complete characteristic curve of turbine after load rejection

圖7 1號機甩100%負荷的計算結(jié)果趨勢圖（四甩）Fig.7 The caculationresulttrend diagram of uint 1 in 100%load rejection test

從清蓄電站水工布置及投資分析，一洞四機方案結(jié)構(gòu)布置相對簡單，施工條件可簡化，投資較省，一洞四機方案較兩洞四機方案減少投資約6000多萬元。從清蓄電站水力過渡過程計算及四機同時甩負荷試驗結(jié)果看，四甩較雙甩轉(zhuǎn)速最大上升值、蝸殼壓力最大值、尾水壓力最小值略有差別但并不大，振動擺度趨勢一致。一洞四機的缺點是一旦引水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要全廠停機檢修，電站損失較大，根據(jù)廣蓄、惠蓄輸水系統(tǒng)采用一洞四機的運行經(jīng)驗，只要保證進水閥有足夠的安全性，同時充分利用電站每年在枯水期一個月的大修期進行維護檢修，保證電站安全運行是可行的。從施工條件方面，兩方案均能滿足工期要求，一洞四機方案的洞室尺寸相對較大，有利于充分發(fā)揮施工效率。一洞四機方案，主輸水洞徑更大，壓力鋼管及其分岔管的設(shè)計、制造和安裝難度更大，水力干擾比較大，但已有多個電站的實施和運行經(jīng)驗。

在運行管理方面，如遇隧洞、進水閥等部分需要檢修或事故處理，對一洞四機來說，需要全部停機，迫使全部容量退出電網(wǎng)，但目前電網(wǎng)容量很大，影響不大。對一洞兩機來說，則可以保持一半容量工作，對電網(wǎng)影響較小，運行調(diào)度較靈活。參考中電聯(lián)網(wǎng)站統(tǒng)計的可靠性數(shù)據(jù)，清花甲線約7 年會發(fā)生一次跳閘事故，一旦跳閘電站所有運行機組全部跳閘，廠用電如果故障不能正常切換至地區(qū)后備電源，機組冷卻系統(tǒng)將全部中斷，很有可能導致?lián)p機事件。目前站內(nèi)高壓電氣設(shè)備已按兩回出線配置，如果能提前建設(shè)預留至花都變電站的第二回輸電線路，可減小調(diào)保計算中校核工況和極端工況出現(xiàn)的概率，利于機組長期、安全穩(wěn)定運行。在極端工況下，最大水頭、三臺機組甩負荷、1號機延時6s 甩負荷、導葉和進水閥正常關(guān)閉時，尾水管最小壓力計算值為-6.86m，低于控制值12m的要求，從一洞多機多次甩負荷情況分析，尾水最小壓力均比預想值高，此計算結(jié)論還需要進一步復核。即便這樣非常小的概率發(fā)生，清蓄電站也采取了規(guī)避措施，即三臺機組同時甩負荷后、第四臺機組延時1s 強制甩負荷，此工況下機組最大轉(zhuǎn)速上升滿足要求，尾水管最小水壓基本滿足要求[9]。

5 結(jié)束語

圖8 1號機甩100%負荷的振動趨勢圖（四甩）Fig.8 The vibrationtrend diagram of uint1 in 100% load rejection test（At the same time four load rejection）

（1）清遠蓄能電站“一洞四機”多機同時甩負荷試驗多甩試驗的成功為清蓄電站機組實現(xiàn)全水頭、滿負荷方式運行創(chuàng)造條件、提供了實踐依據(jù)，驗證了廠家用于水力過渡過程先快后慢導葉兩段關(guān)閉規(guī)律是可行的，但對控制折點的液壓閥質(zhì)量要求很高，特別是在檢修以后，務必保證導葉關(guān)閉折點與調(diào)保要求一致。

（2）清蓄電站輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒了廣蓄、惠蓄工程的經(jīng)驗，在水力過渡過程計算中輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，機組轉(zhuǎn)動部件的剛強度按飛逸轉(zhuǎn)速提高到715 r/min計算，并留有一定的裕度。

（3）清蓄電站100%單甩、雙甩、三甩、四甩負荷，雖然轉(zhuǎn)速從31%～37%一直在增加、蝸殼壓力雙甩之后變化不明顯、尾水最小壓力與幾甩相關(guān)度不高，但機組的各部振動擺度、水力脈動卻隨機組甩的臺數(shù)增加而增加較大，但在可接受范圍。

（4）從理論上“一洞多機”布置形式機組相繼甩負荷尾水管真空度比較難滿足要求，對比多次多機同甩負荷情況分析，試驗測量的主要參數(shù)的數(shù)值略好于預測結(jié)果，尾水最小壓力從試驗結(jié)果看要樂觀，調(diào)保計算還有優(yōu)化空間，如尾調(diào)的計算模型（比如流入流出系數(shù)）是不是可以再優(yōu)化？清蓄電站已要求廠家根據(jù)試驗情況復核極端情況：如在最大水頭、三臺機組甩負荷、1號機延時6s 甩負荷、導葉和進水閥正常關(guān)閉時，尾水管最小壓力計算值為-6.86m，低于控制值12m的要求等，進行誤差分析，校核第四臺機是否還要在前三臺機甩負荷后1s之內(nèi)強制甩負荷。

（5）預留至花都變電站的第二回輸電線路如能建設(shè)完成，可減小調(diào)保計算中校核工況和極端工況出現(xiàn)的概率，利于機組長期、安全穩(wěn)定運行。

（6）一洞幾機的選擇應綜合地質(zhì)、洞徑、接線方式、機組和進水閥制造水平等有關(guān)因素，需要技術(shù)經(jīng)濟權(quán)衡考慮。

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Analysis of a Multi Holemulti Unit Load Rejection Test of Pumped Storage Power Station

WANG Zhiqiang, CHEN Hongyu, LI Hua, CHENG Zhenyu, LV Zhipeng
(CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co,. Ltd., Qingyuan, 511853, China)

In recent years， the construction of pumped storage power station has entered a period of rapid development， in order to reduce the investment， often using a hole and multi machine layout scheme. Qingyuan pumped storage power station is the first station to carry out the same conveyance system and four load rejection test of Baoquan Pumped Storage Power， in the simulation of line trip under the condition of four units with 25%， 50%， 75%，100% and four load rejection test units and test of power pump operation. The Qingyuan pumped storage power plant four and load rejection results analysis of energy storage， compared with a single double hole four rejection ， rejection of three four pressure， speed，vibration test of key parameters， and provides reference for other similar engineering.

pumped storage units； four units at the same time load rejection ； test； pressure， speed， vibration

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.009

國家重點工程項目（發(fā)改能源〔2009〕731號）；南方電網(wǎng)電力建設(shè)重點項目（南方電網(wǎng)計〔2010〕19號）。

2016-10-13

2016-12-27汪志強（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設(shè)計與設(shè)備管理等。E-mail：1295512324@qq.com

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail：542120791@qq.com

李華（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產(chǎn)維護工作。E-mail：li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，學士，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail： 359028830@qq.com

呂志鵬（1983—），男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)運行檢修和基建工作等。E-mail：254223354@qq.com