某抽水蓄能機(jī)組不同水頭發(fā)電工況下的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

郭建強(qiáng)，羅國虎，王 熙，瞿 潔，李金偉

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能機(jī)組在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)利用系統(tǒng)富余電力將水從下水庫抽到上水庫儲存，在負(fù)荷高峰時(shí)將上水庫儲存的水放到下水庫進(jìn)行發(fā)電，將上、下庫中水的勢能變化轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)電能的充放和功率的調(diào)節(jié)，是電力系統(tǒng)最成熟的調(diào)節(jié)電源，在系統(tǒng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等“六大功能”[1-6]。

截至2020年底，我國抽水蓄能電站投運(yùn)總裝機(jī)規(guī)模3 249萬kW，在建總裝機(jī)規(guī)模5 393萬kW。2021年至今，已有39個(gè)總裝機(jī)4 770萬kW抽水蓄能電站獲得了簽約、核準(zhǔn)、開工等重要進(jìn)展，這一數(shù)字已經(jīng)超過世界最大的水電站-三峽水電站2 240萬kW總裝機(jī)規(guī)模的2倍[7]。

抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]，本文針對國內(nèi)某抽水蓄能機(jī)組在3個(gè)水頭、不同負(fù)荷工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和分析。

2 機(jī)組基本參數(shù)

水泵水輪機(jī)基本參數(shù)如表1：

表1 水泵水輪機(jī)基本參數(shù)

3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

（1）擺度：水導(dǎo)+X方向布置1個(gè)測點(diǎn)。

（2）振動：頂蓋+X、+Y、+Z方向各布置1個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)3個(gè)。

（3）壓力脈動：蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)（活動導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前）+X、尾水錐管、尾水肘管各布置1個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)。

現(xiàn)場傳感器安裝如圖1：

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)傳感器安裝圖

4 試驗(yàn)工況

本文著重分析3個(gè)水頭下的變負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)工況如下：

（1）靜水頭：上庫平均水位372.79 m，下庫平均水位65.02 m，靜水頭307.77 m；機(jī)組負(fù)荷：78.6 MW、106.3 MW、130.0 MW、150.5 MW、176.9 MW、201.6 MW、225.3 MW、251.3 MW、274.7 MW、291.7 MW。

（2）靜水頭：上庫平均水位381.81 m，下庫平均水位64.13 m，靜水頭317.68 m；機(jī)組負(fù)荷：77.8 MW、103.9 MW、128.9 MW、152.8 MW、180.0 MW、201.9 MW、227.4 MW、252.3 MW、276.2 MW、296.4 MW。

（3）靜水頭：上庫平均水位388.64 m，下庫平均水位63.18 m，靜水頭325.46m；機(jī)組負(fù)荷：73.8 MW、100.3 MW、126.5 MW、147.4 MW、172.0 MW、197.1 MW、222.3 MW、248.4 MW、272.3 MW、294.9 MW。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 變負(fù)荷試驗(yàn)1（靜水頭307.77 m）

不同負(fù)荷工況下的水導(dǎo)擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表2所示。

不同負(fù)荷工況下的壓力脈動相對幅值（Δp/ρgH，Δp為壓力脈動混頻峰峰值，H為靜水頭）如表3所示。

表2 水導(dǎo)擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表3 壓力脈動相對幅值

5.2 變負(fù)荷試驗(yàn)2（靜水頭317.68 m）

不同負(fù)荷工況下的水導(dǎo)擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表4所示。

不同負(fù)荷工況下的壓力脈動相對幅值如表5所示。

表4 水導(dǎo)擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表5 壓力脈動相對幅值

5.3 變負(fù)荷試驗(yàn)3（靜水頭325.46 m）

不同負(fù)荷工況下的水導(dǎo)擺度、頂蓋振動的混頻峰峰值如表6所示。

不同負(fù)荷工況下的壓力脈動相對幅值如表7所示。

表6 水導(dǎo)擺度、頂蓋振動混頻峰峰值

表7 壓力脈動相對幅值

5.4 變負(fù)荷試驗(yàn)綜合分析

圖2展示了3個(gè)水頭下的擺度混頻峰峰值、振動混頻峰峰值、壓力脈動相對幅值隨負(fù)荷的變化趨勢。

圖2 3個(gè)水頭下擺度、振動、壓力脈動隨負(fù)荷變化趨勢

由圖2可以看出：

（1）隨著負(fù)荷的增大，水導(dǎo)擺度混頻峰峰值先快速減小后趨于平緩；3個(gè)水頭下水導(dǎo)擺度變幅轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的負(fù)荷均為150 MW左右，且水導(dǎo)擺度混頻峰峰值隨負(fù)荷變化趨勢基本一致，表明水頭對水導(dǎo)擺度混頻峰峰值的影響很?。桓鶕?jù)ISO 7919-5：2005和GB/T 11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》[9]可知，除75 MW負(fù)荷工況外，水導(dǎo)擺度混頻峰峰值均不超過145 μm，轉(zhuǎn)軸的擺度水平位于A區(qū)（轉(zhuǎn)速為333.3 r/min時(shí)，A/B分界線約145 μm），認(rèn)為機(jī)組達(dá)到新交付使用時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)；

（2）隨著負(fù)荷的增大，頂蓋振動混頻峰峰值先減小后增大再減小，當(dāng)負(fù)荷位于100 MW~150 MW區(qū)間內(nèi)，頂蓋徑向振動混頻峰峰值小幅增大，符合抽水蓄能機(jī)組的典型特征；當(dāng)負(fù)荷小于100 MW時(shí)，隨著水頭的升高，頂蓋振動混頻峰峰值小幅下降；當(dāng)負(fù)荷大于150 MW時(shí)，3個(gè)水頭下的頂蓋振動混頻峰峰值基本一致，受水頭影響很小；根據(jù)ISO 10816-5：2000和GB/T 6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》[10]可知，除75 MW負(fù)荷工況外，頂蓋徑向振動混頻峰峰值均不超過50 μm，機(jī)組的振動水平位于B區(qū)（B/C分界線為50 μm），認(rèn)為機(jī)組可以無限制地長期運(yùn)行；

（3）隨著負(fù)荷的增大，3個(gè)水頭下的肘管壓力脈動相對幅值均不超過2.1%，處于較低水平；蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、錐管的壓力脈動相對幅值基本呈現(xiàn)出不斷減小后小幅上揚(yáng)的變化趨勢，靜水頭317.68 m、負(fù)荷152.8 MW工況下，蝸殼進(jìn)口和無葉區(qū)處的壓力脈動出現(xiàn)局部峰值，需要進(jìn)一步深入分析，但總體而言，3個(gè)水頭下蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、錐管的壓力脈動相對幅值隨負(fù)荷變化趨勢基本一致，吻合良好；當(dāng)負(fù)荷超過150 MW時(shí)，三處的壓力脈動相對幅值均小于5%，處于可接受水平，表明機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。

6 總結(jié)

本文分析了某抽水蓄能機(jī)組在3個(gè)水頭下水導(dǎo)擺度、頂蓋振動以及機(jī)組內(nèi)部壓力脈動隨負(fù)荷的變化趨勢，研究了水頭對上述穩(wěn)定性參數(shù)的影響，并參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評價(jià)，為了解抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特性提供了實(shí)例參考。