高水頭下機組抽水啟動振動大原因分析

賈 巍，賈 鑫，孫 永

（1.國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山064309；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 承德068350）

1 情況簡介

潘家口水利樞紐位于距河北省唐山市遷西縣灑河橋鎮(zhèn)約10km處的灤河流域，以供水為主，結合發(fā)電，兼顧防洪和旅游等綜合任務。潘家口水利樞紐工程分兩期施工，一期工程主要包括上水庫大壩、壩后式主廠房、1臺150MW常規(guī)機組及220kV高壓開關站；二期工程包括3臺90MW抽水蓄能機組，1座下水庫閘壩，及下水庫2臺常規(guī)機組。上水庫大壩由1座混凝土主壩及兩座副壩組成。下水庫樞紐位于距上水庫大壩下游6km處，由下水庫閘壩和河床式電站組成。下水庫河床式電站安裝有2臺燈泡貫流轉槳式機組，單機容量5MW。下水庫反調節(jié)水庫總庫容為3168萬m3，有效庫容1000萬m3，沒有防洪庫容，屬日調節(jié)水庫。潘家口水庫承擔向天津等地供水的任務，根據每日的放水任務，上水庫常規(guī)機組向下水庫放水，由下水庫2臺常規(guī)機組向下游放出相應的水量，通過這個過程，可以調節(jié)下水庫水位，同時達到調節(jié)各個機組的水頭參數的目的。

2 事故經過

2018年4月13 日03：00時左右，上級調度機構令潘家口電廠2臺機組抽水。值守人員當即執(zhí)行2號機組、3號機組開機抽水。當時的水庫水位條件為：上水庫水位223.73m，下水庫水位141.05m，對應機組水頭為82.68m。

圖1 潘家口電廠上水庫大壩及廠房剖面圖

2號機組抽水啟動成功，帶負荷后在-75MW左右階段停留震蕩運行了約2min后自動越過該負荷區(qū)，負荷升至-86MW后平穩(wěn)運行；3號機組帶負荷至-73MW后震蕩運行約19min，機組振動情況沒有得到明顯改善，值守人員向上級調度申請停機，經調度同意后停機。3號機組運行期間，當負荷在-73MW附近震蕩時機組各部振動數值較大，蝸殼壓力劇烈波動。針對3號機組水導軸承振動曲線及蝸殼壓力曲線分析，發(fā)現3號機組水導軸承在抽水過程中振動值偏大，多次越過400μm的報警值。如圖2、圖3所示。

圖2 3號機組水導軸承振動曲線

圖3 3號機組蝸殼壓力曲線

3 原因分析

潘家口電廠水泵水輪機及其輔助設備為蘇爾壽（現安德里茨）公司生產，水泵水輪機型號為HLN80-LJ-553，轉輪標稱直徑為5600mm，吸出高度為-9m，導葉全開時機械角度為41.6°，工作水頭范圍為85.70～43.00m。該機組為可變速機組，在水泵工況時，根據水頭高度不同，有2個額定轉速可選，分別為 142.8r/min和125r/min。

經過查看事故發(fā)生前后監(jiān)控系統(tǒng)歷史數據可知，2018年4月13日3號機組抽水啟動時，水頭高度約為82.98m，已經接近最大水頭；導葉開度為66.75%左右，此時導葉機械角度為27.8°。事故發(fā)生前數日3號機組抽水啟動時水頭及導葉角度數據對比如表1所示。

由水泵水輪機的水泵工況揚程特性曲線可知，水泵水輪機抽水啟動時，在高揚程、小流量范圍內有1個駝峰區(qū)，在駝峰區(qū)內運行，機組的水力性能不穩(wěn)定，容易出現蝸殼壓力波動大，機組振動大的情況。由3號機組泵工況揚程特性曲線可知，此次事故發(fā)生時，3號機組在駝峰區(qū)內運行，從而導致事故的發(fā)生。3號機組泵工況揚程特性曲線如圖4所示。

表1 3號機組抽水啟動水頭及導葉角度統(tǒng)計

圖4 3號機組泵工況揚程特性曲線

4 問題處理與預防

從揚程特性曲線圖中可看出，駝峰區(qū)處于高水頭、低流量的情況下，故在水輪機的設計與選型時，應特別注意留取水泵水輪機最高揚程對應的點與駝峰區(qū)開始點之間的安全裕度，其值不應小于最大揚程的3%。

潘家口電廠所設置的抽水蓄能機組在設計選型時，駝峰區(qū)安全裕度選取量不足，導致在水頭接近最高設計水頭時，機組可能進入駝峰區(qū)運行，影響機組水力性能的穩(wěn)定性。在不考慮抽蓄機組進行全方面改造的情況下，應調整調速器參數，控制導葉開度，以防止機組進入駝峰區(qū)內運行?？紤]到潘家口電廠所處潘家口水利樞紐兼顧防洪任務，上水庫水位較高時，機組主要承擔泄洪任務，高水頭抽水啟動的次數有限，故潘家口電廠暫時未修改調速器參數，而是通過上、下水庫常規(guī)機組的配合運行，提高下水庫水位，以降低機組的水頭高度，使機組抽水啟動時避開駝峰區(qū)運行，避免了此類事故再次發(fā)生。

5 結束語

近年來，隨著電網的進一步加大，核電、風電機組的容量增多，抽水蓄能機組在電網中的重要性也與日俱增。抽水工況是抽水蓄能機組一個重要的運行工況，機組抽水啟動、運行的穩(wěn)定性也引起人們的極大關注。

本文通過對潘家口電廠3號機組抽水啟動時發(fā)生的一起事故進行詳細的分析研究，找到了事故發(fā)生的原因，并且提出了避免此類事故再次發(fā)生的預防措施。希望通過本文，能夠引起人們對駝峰區(qū)安全裕度這一重要參數的重視，也能夠給存在相似問題的水電廠提供一個解決問題的思路，根據理論和實踐，找出相應的規(guī)律，避免機組進入駝峰區(qū)，以保證機組的安全穩(wěn)定運行，從而發(fā)揮出抽水蓄能機組在電網中應有的作用。