洪屏抽水蓄能電站水泵方向?qū)~關(guān)閉優(yōu)化處理

唐擁軍,喻 冉

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350）

0 引言

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流式抽水蓄能機(jī)組，為周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，擔(dān)負(fù)江西電網(wǎng)和華中電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等運(yùn)行方式。電站1～4號(hào)機(jī)組在調(diào)試期間進(jìn)行的水泵斷電試驗(yàn)，均出現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，最高反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了100%水輪機(jī)方向額定轉(zhuǎn)速。這在國(guó)內(nèi)的抽水蓄能機(jī)組中是首次出現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)大部分抽水蓄能機(jī)組采用兩段關(guān)閉策略來(lái)避免機(jī)組的反轉(zhuǎn)，而洪屏抽水蓄能電站機(jī)組水泵斷電時(shí)采用的仍是水泵方向正常停機(jī)的一段關(guān)閉規(guī)律，這是造成水泵斷電時(shí)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高的根源，這將引發(fā)劇烈的水力瞬變，對(duì)機(jī)組及其壓力管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]?？紤]到水泵工況正常停機(jī)時(shí)過(guò)渡過(guò)程性能滿足合同要求，于是增設(shè)一條水泵斷電時(shí)的緊急關(guān)閉回路來(lái)降低機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速?；诖怂悸穯?dòng)了水泵工況下導(dǎo)葉關(guān)閉控制的優(yōu)化改造處理。

1 機(jī)組基本參數(shù)

機(jī)組基本參數(shù)如表1和表2所示。該機(jī)組過(guò)渡過(guò)程參數(shù)蝸殼進(jìn)口壓力與尾水管進(jìn)口壓力設(shè)計(jì)值中，蝸殼進(jìn)口中心線處最大壓力值不大于850m水柱，尾水管進(jìn)口最小壓力不小于0m水柱。

表1 水泵水輪機(jī)基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of pump turbine

表2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)表Table 2 Basic parameters of generator-motor

2 改造前情況

1～4號(hào)機(jī)組水泵斷電試驗(yàn)時(shí)均出現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，部分試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示，1號(hào)機(jī)組水泵斷電試驗(yàn)時(shí)，部分測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖1與圖2所示。

水泵斷電后機(jī)組失去了動(dòng)力，在上庫(kù)與壓力管道中水體壓力作用下，水體出現(xiàn)倒流，轉(zhuǎn)輪承受很大的阻力矩，從而使得機(jī)組轉(zhuǎn)速快速降低。與此同時(shí)，導(dǎo)葉逐步關(guān)閉，由于導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在機(jī)組轉(zhuǎn)速降低到零后，仍在關(guān)閉過(guò)程中，此后，在水流作用下，機(jī)組出現(xiàn)反轉(zhuǎn)（即向水輪機(jī)方向旋轉(zhuǎn)），再后來(lái)，隨著導(dǎo)葉的繼續(xù)關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低停機(jī)[2]。

表3 1號(hào)至4號(hào)機(jī)組水泵斷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Parameter statistics of unit 1 to unit 4 in load rejection test in pump mode

圖1 水泵斷電過(guò)程有功功率、導(dǎo)葉接力器行程與機(jī)組轉(zhuǎn)速時(shí)域波形圖Figure 1 Time wave of active power，guide vane opening and rotating speed in load rejection test in pump mode

圖2 水泵斷電過(guò)程蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力時(shí)域波形圖Figure 2 Time wave of spiralcase inlet pressure，draft tube intlet pressure and draft tube outlet pressure in load rejection test in pump mode

由表3及上述分析可知，毛水頭較小時(shí)，機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最高，這是因?yàn)槊^較小時(shí)初始導(dǎo)葉開(kāi)度大，停機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，從而使得機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最高。1號(hào)機(jī)組水泵斷電試驗(yàn)中，反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為100%水輪機(jī)方向額定轉(zhuǎn)速；蝸殼進(jìn)口壓力最大值為6.376MPa，尾水管進(jìn)口與出口壓力最大值分別為1.565MPa與1.091MPa，過(guò)渡過(guò)程參數(shù)壓力值均滿足設(shè)計(jì)要求。然而，機(jī)組反轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度較小，轉(zhuǎn)輪過(guò)流流態(tài)較差，出現(xiàn)了各種水流撞擊和脫流，機(jī)組出現(xiàn)了較大的壓力脈動(dòng)與振動(dòng)，且時(shí)間較長(zhǎng)，給機(jī)組帶來(lái)了安全隱患。此外，壓力管道系統(tǒng)也將承受劇烈的水力瞬變，威脅其安全運(yùn)行。

3 改造處理方法

改造處理方法是增設(shè)一條水泵斷電時(shí)的緊急關(guān)閉回路來(lái)降低機(jī)組的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，改造要求是反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不超過(guò)50%水輪機(jī)方向額定轉(zhuǎn)速。改造內(nèi)容可分為三個(gè)部分即過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算、液壓回路改造和控制邏輯修改。

3.1 仿真計(jì)算

1號(hào)與2號(hào)機(jī)組的管路系統(tǒng)如圖3所示，仿真計(jì)算采用有壓管道非恒定流偏微分方程來(lái)描述整個(gè)過(guò)水系統(tǒng)，對(duì)過(guò)流部件建立相應(yīng)的差分方程，然后構(gòu)建特征線方程組，利用有限差分法來(lái)進(jìn)行求解[3]。對(duì)多個(gè)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了仿真計(jì)算，當(dāng)采用25s實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)，最惡劣水泵斷電工況（低揚(yáng)程抽水時(shí)導(dǎo)葉100%全開(kāi)）仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上升63.7%，過(guò)渡過(guò)程壓力指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。因?yàn)楹槠脸樗钅茈娬緸橹苷{(diào)節(jié)電站，上下庫(kù)具有自然來(lái)流，可以說(shuō)不會(huì)在最惡劣水泵斷電工況運(yùn)行。當(dāng)水泵工況導(dǎo)葉開(kāi)度小于90%時(shí)，仿真結(jié)果顯示反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上升小于50%。因此，水泵斷電時(shí)采用25s實(shí)現(xiàn)全關(guān)的關(guān)閉規(guī)律。

圖3 1號(hào)與2號(hào)機(jī)組管路系統(tǒng)圖Figure 3 Piping system diagram of unit 1 and unit 2

圖4 水泵斷電工況25s全關(guān)導(dǎo)葉仿真計(jì)算圖Figure 4 Simulation calculation result in load rejection test in pump mode with guide vane full closed at 25s

3.2 液壓回路改造

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律確定后，對(duì)調(diào)速器液壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后采用方案為：

在調(diào)速器液壓系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)快速關(guān)閉閥，安裝在配壓閥與導(dǎo)葉接力器之間的開(kāi)啟腔主操作油管路（關(guān)導(dǎo)葉時(shí)的回油管路）上，通過(guò)三通進(jìn)行連接，其回油直接連接到調(diào)速器回油箱。如圖5所示，快速關(guān)閉閥的作用是加快開(kāi)啟腔的排油速度，從而加快導(dǎo)葉的關(guān)閉速度。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：先導(dǎo)電磁閥MFX20 AA092得電時(shí)，電磁閥處于“a”閥位，主閥MFX20 AA091打開(kāi)（該閥芯開(kāi)度可調(diào)整），導(dǎo)葉實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉。電磁閥失電時(shí)，由于彈簧作用，電磁閥處于b 位，MFX20 AA091關(guān)閉，此時(shí)，導(dǎo)葉按改造前速度關(guān)閉（約40s）。

3.3 控制邏輯修改

除液壓回路改造外，還對(duì)控制邏輯進(jìn)行相應(yīng)修改?？焖訇P(guān)閉閥動(dòng)作的條件為機(jī)組處于水泵工況、水泵工況下電氣事故停機(jī)和水泵工況下GCB分閘。上述三個(gè)條件邏輯與為真時(shí)，先導(dǎo)電磁閥MFX20 AA092得電切換至“a”位，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉快關(guān)功能。為避免監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作的可能性，在控制回路中額外串聯(lián)導(dǎo)葉開(kāi)啟狀態(tài)和換相刀抽水方向合閘這兩個(gè)硬連接節(jié)點(diǎn)，作為雙保險(xiǎn)的閉鎖條件。

4 改造后效果

4號(hào)機(jī)組最先實(shí)施改造處理，改造后進(jìn)行了水泵斷電試驗(yàn)，試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)時(shí)域波形如圖6與圖7所示。改造前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)組反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為35%額定轉(zhuǎn)速，比改造前大幅降低（改造前上庫(kù)水位730.6m、下庫(kù)水位168.0m時(shí)，反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為96.3%水輪機(jī)方向額定轉(zhuǎn)速），導(dǎo)葉關(guān)閉用時(shí)約21s，符合設(shè)計(jì)要求；各部位壓力值也滿足設(shè)計(jì)要求。此外，監(jiān)控流程執(zhí)行正確，可見(jiàn)改造成功。

表4 4號(hào)機(jī)組改造前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比表Table 4 Comparison of parameters of unit 4 before and after reform

圖5 快速關(guān)閉實(shí)現(xiàn)液壓原理圖Figure 5 Hydraulic schematic diagram for realization of guide vane fast closed

圖6 改造后水泵斷電過(guò)程有功功率、導(dǎo)葉接力器行程與機(jī)組轉(zhuǎn)速時(shí)域波形圖Figure 6 Time wave of active power，guide vane opening and rotating speed in load rejection test in pump mode after unit’s reform

圖7 改造后水泵斷電過(guò)程蝸殼進(jìn)口、尾水管進(jìn)口、尾水管出口壓力時(shí)域波形圖Figure 7 Time wave of spiral case inlet pressure，draft tube inlet pressure and draft tube outlet pressure in load rejection test in pump mode after unit’s reform

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能機(jī)組具有運(yùn)行水頭高和轉(zhuǎn)速快的特點(diǎn)，水泵方向?qū)~關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)將使得機(jī)組水泵斷電時(shí)出現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而威脅機(jī)組及其壓力管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。洪屏抽水蓄能電站通過(guò)增設(shè)快速關(guān)閉閥和修改相關(guān)控制邏輯對(duì)水泵方向的導(dǎo)葉關(guān)閉進(jìn)行了優(yōu)化改造，機(jī)組水泵方向反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高的問(wèn)題得到成功解決。該電站成功改造經(jīng)驗(yàn)可為別的有類似問(wèn)題的電站提供改造處理的經(jīng)驗(yàn)借鑒，也可為新建電站防止出現(xiàn)此現(xiàn)象的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。