抽水蓄能電站一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)問題探討與實(shí)踐

趙常偉，趙曉宇，李珊珊

(1.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂 273400；2.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

0 引 言

現(xiàn)代大型抽水蓄能電站普遍設(shè)計(jì)為多臺機(jī)組共用同一輸水系統(tǒng)，俗稱“一管多機(jī)”或“一洞多機(jī)”，大多為一管雙機(jī)，也有一管三機(jī)的，甚至還有一管四機(jī)的。一管多機(jī)布置的抽水蓄能電站機(jī)組甩負(fù)荷是一個多物理場耦合的復(fù)雜過渡過程，該試驗(yàn)具有風(fēng)險高、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)。

針對機(jī)組為非單元引水輸水方式布置的電站，同一引水系統(tǒng)中各臺機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)和對輸水系統(tǒng)的考核應(yīng)綜合考慮，多臺機(jī)組同時甩負(fù)荷試驗(yàn)方式應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行[1]。按以往經(jīng)驗(yàn)來看，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)可大致分為單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)、一管多機(jī)均發(fā)電運(yùn)行同時甩負(fù)荷試驗(yàn)、一管多機(jī)均發(fā)電運(yùn)行其中一臺機(jī)組或一個聯(lián)合送出單元的機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)(俗稱“干擾甩”)。對于一管多機(jī)同時甩負(fù)荷試驗(yàn)，當(dāng)前沒有任何設(shè)計(jì)方提出過“設(shè)計(jì)要求”，也沒有建設(shè)單位對制造廠家或設(shè)計(jì)院提出此項(xiàng)“設(shè)計(jì)要求”。以往試驗(yàn)成功的電站都進(jìn)行了一管多機(jī)同時甩100%N(N為額定荷載)試驗(yàn)，但各家做法不盡相同：有一管n臺機(jī)組同時甩50%N、75%N、100%N試驗(yàn)的[2-3]；也有一管n臺機(jī)組同時甩25%N、50%N、75%N、100%N試驗(yàn)的[4- 6]；還有的電站僅“干擾甩”就做了多次，而且還存在相互“干擾甩”；甚至有的電站一臺機(jī)組共經(jīng)歷了幾十次甩負(fù)荷試驗(yàn)。一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)方案為什么差別這么大？歸根結(jié)底是各家對一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)康睦斫獠灰恢?，意見分歧也大?/p>

本文綜合分析了抽水蓄能電站一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的目的，并通過山東沂蒙抽水蓄能電站同一流道2臺機(jī)組單機(jī)和雙機(jī)同時甩負(fù)荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的對比分析，得出極端工況下的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議在完成多機(jī)同時甩50%N、75%N的試驗(yàn)后，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度相似時，可取消一管多機(jī)同時甩100%N試驗(yàn)。

1 一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)康奶接?/h2>

一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的目的，業(yè)界有觀點(diǎn)認(rèn)為是為了檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝缺陷，有觀點(diǎn)認(rèn)為是為了檢驗(yàn)調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是否滿足調(diào)保計(jì)算的，還有認(rèn)為是為了檢驗(yàn)機(jī)組和流道設(shè)計(jì)是否有安全冗余的[2，7]。

對于機(jī)組首次甩負(fù)荷試驗(yàn)，確實(shí)能發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)件的安裝缺陷，但其實(shí)通過單機(jī)甩25%N～100%N試驗(yàn)也能達(dá)到這一目的。機(jī)組的轉(zhuǎn)動部件是按照承受“飛逸轉(zhuǎn)速”來設(shè)計(jì)的，但這并不意味著必須用接近產(chǎn)生“飛逸轉(zhuǎn)速”的甩負(fù)荷試驗(yàn)來驗(yàn)證。相反，我們要通過試驗(yàn)證明機(jī)組不會達(dá)到“飛逸轉(zhuǎn)速”，由此來確認(rèn)機(jī)組運(yùn)行是有安全冗余的。由于甩負(fù)荷試驗(yàn)的高風(fēng)險性與破壞性，通過一管多機(jī)甩100%N試驗(yàn)，依靠更高的轉(zhuǎn)速來發(fā)現(xiàn)安裝缺陷的做法可能弊大于利。因此，“檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝缺陷”不是一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的主要目的。

對于“檢驗(yàn)調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是否滿足調(diào)保計(jì)算”與“檢驗(yàn)機(jī)組和流道設(shè)計(jì)是否有安全冗余”，兩種說法并不矛盾。甩負(fù)荷形成的過渡過程，無論是蝸殼壓力上升還是轉(zhuǎn)速上升都會對機(jī)組的機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，流道壓力突變也會影響流道的安全。而過渡過程參數(shù)與調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律有非常直接的關(guān)系，所以上述兩種說法實(shí)際上是一致的。只要甩負(fù)荷的過渡過程參數(shù)均不超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以判斷調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律是符合調(diào)保計(jì)算的，也可以說機(jī)組和流道是安全的。

假如水道系統(tǒng)是一個無窮大系統(tǒng)，理論上可以驗(yàn)證一管多機(jī)甩負(fù)荷與單機(jī)甩負(fù)荷結(jié)果是一樣的。正因?yàn)樗老到y(tǒng)是有限的，其流量大小對過渡過程參數(shù)有顯著影響。通過單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)足以驗(yàn)證機(jī)組設(shè)計(jì)制造與安裝是否滿足調(diào)保計(jì)算，但還不足以驗(yàn)證流道設(shè)計(jì)是否滿足。所以，一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)還是必要的。

對于“干擾甩”試驗(yàn)，主要目的是驗(yàn)證發(fā)電電動機(jī)過負(fù)荷保護(hù)整定值的可靠性。一管多機(jī)同時發(fā)電運(yùn)行，一臺機(jī)組突然甩負(fù)荷，引水流道壓力迅速上升、尾水壓力迅速下降，仍在運(yùn)行的機(jī)組會迅速過載，最大過載達(dá)30%左右。如果此時在運(yùn)機(jī)組因過負(fù)荷保護(hù)動作而甩負(fù)荷，其過渡過程對機(jī)組和流道的破壞力是最大的。但“干擾甩”的試驗(yàn)?zāi)康牟⒉皇且〉眠@種“最大破壞力”的真機(jī)數(shù)據(jù)，而恰恰是要防止在運(yùn)機(jī)組因“干擾甩”而甩負(fù)荷，通過錄取運(yùn)行機(jī)組在“干擾甩”情況下的過載曲線，可以檢驗(yàn)機(jī)組過負(fù)荷保護(hù)定值是否具有足夠的可靠系數(shù)。

2 一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)方案的探討

一管多機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)機(jī)組和流道設(shè)計(jì)是否有安全冗余，鑒于甩負(fù)荷試驗(yàn)的破壞性，只要能達(dá)到目的，試驗(yàn)負(fù)荷應(yīng)越小越好，試驗(yàn)次數(shù)越少越好，因此沒有必要像單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)菢舆M(jìn)行一管多機(jī)甩25%N、50%N、75%N、100%N試驗(yàn)。

一般而言，25%N的流量對過渡過程參數(shù)的影響，在單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)中已獲取類似數(shù)據(jù)，這個當(dāng)量的試驗(yàn)可以不做；如果通過甩50%N、75%N試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算，能夠判斷機(jī)組和流道在極端工況過渡過程影響下是安全可靠的，則甩100%N試驗(yàn)就不必要進(jìn)行。

如果只單一進(jìn)行甩50%N或者是甩75%N試驗(yàn)，就憑其數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算得出結(jié)論說機(jī)組和流道在極端工況下仍有安全冗余，往往不能服眾。所以一管多機(jī)的布置形式，宜進(jìn)行甩50%N和75%N兩次試驗(yàn)。

如果計(jì)算出極端工況下一管多機(jī)同時甩100%N后的過渡過程參數(shù)超過設(shè)計(jì)限值，將對機(jī)組或流道安全可靠運(yùn)行構(gòu)成危脅，此時更不應(yīng)進(jìn)行一管多機(jī)同時甩100%N試驗(yàn)，而是必須做出一些改變。首先應(yīng)考慮調(diào)整調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，要么改變流道、要么改變轉(zhuǎn)輪、或者是都改變，然后重新進(jìn)行相關(guān)甩負(fù)荷試驗(yàn)。

3 沂蒙抽水蓄能電站一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)

沂蒙抽水蓄能電站位于山東省臨沂市費(fèi)縣，共安裝4臺單機(jī)容量300 MW機(jī)組，設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速543.75 r/min，機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量GD2為8 000 t·m2，調(diào)速器型號為SAFR-2000H，發(fā)電電動機(jī)與水泵水輪機(jī)均由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司(以下簡稱“東方電機(jī)”)設(shè)計(jì)制造，整個電站樞紐工程由中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡稱“北京院”)承擔(dān)設(shè)計(jì)。

沂蒙電站根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求完成了單臺機(jī)組從25%N到100%N的4次甩負(fù)荷試驗(yàn)。在每次甩負(fù)荷試驗(yàn)之前，東方電機(jī)會根據(jù)甩負(fù)荷試驗(yàn)的計(jì)劃水頭，對甩負(fù)荷的結(jié)果進(jìn)行預(yù)算，然后用真機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)計(jì)算成果的準(zhǔn)確性。在甩負(fù)荷試驗(yàn)后，再根據(jù)甩負(fù)荷的實(shí)際水頭進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。表1為單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對比。在此基礎(chǔ)上，東方電機(jī)和北京院均提出一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)可以只進(jìn)行2×50%N和2×75%N兩組。雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)與計(jì)算數(shù)據(jù)對比

表2 雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)與計(jì)算數(shù)據(jù)對比

從表1、2的數(shù)據(jù)可以看出，沂蒙電站2臺機(jī)組單機(jī)甩負(fù)荷的8組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)值與計(jì)算值有高度的一致性。

東方電機(jī)還分別計(jì)算了最高水頭和額定水頭下同時甩2×100%N的結(jié)果。額定水頭下2×100%N先后相繼甩負(fù)荷是最惡劣的工況，東方電機(jī)也進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并有足夠的安全裕度，詳見表3。

通過10組真機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算成果對比，我們完全有理由認(rèn)為東方電機(jī)對極端工況下甩2×100%N的計(jì)算結(jié)果是可信的，雙機(jī)同時甩100%N的試驗(yàn)是沒有必要的。

另外，通過計(jì)算并與類似試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，沂蒙電站發(fā)電電動機(jī)的熱穩(wěn)定能力遠(yuǎn)高于“干擾甩”下在運(yùn)機(jī)組的最大過載水平，發(fā)電電動機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)定值具有足夠的可靠系數(shù)。沂蒙電站模擬了“干擾甩”下在運(yùn)機(jī)組的動態(tài)過載電流并注入保護(hù)裝置，繼電保護(hù)動作正確(只報警未跳閘)，上述判斷得到了驗(yàn)證。因此，沂蒙電站未進(jìn)行“干擾甩”試驗(yàn)。

表3 極端工況下雙機(jī)甩負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

經(jīng)過同一流道的2臺機(jī)組全面單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)和雙機(jī)同時甩50%N、75%N試驗(yàn)后，如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)高度一致，且計(jì)算的極端工況下雙機(jī)甩100%N結(jié)果滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，足以證明流道和機(jī)組設(shè)計(jì)是有安全冗余的，雙機(jī)同時甩100%N試驗(yàn)及“干擾甩”試驗(yàn)沒有必要進(jìn)行。

機(jī)組A修后如何進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，同樣應(yīng)堅(jiān)持低負(fù)荷少次數(shù)的原則。在轉(zhuǎn)動部件結(jié)構(gòu)未變、調(diào)速器關(guān)閉規(guī)律未變和流道未變的情況下，機(jī)組A修后不宜做甩負(fù)荷試驗(yàn)。若確有必要，宜進(jìn)行甩50%N和75%N試驗(yàn)并與啟動試運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。