安徽績溪抽水蓄能電站機組性能驗收試驗及分析

陳善貴，李 兵，周 葉，曹登峰

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245300；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)，靠近皖江城市帶，鄰近江蘇省，距合肥、南京、上海直線距離分別為240 km、210 km、280 km。電站安裝6 臺單機容量300 MW 的立軸單級混流式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，裝機總?cè)萘? 800 MW，年平均發(fā)電量30.15 億kW·h，年抽水用電量40.2 億kW·h。電站以500 kV 電壓等級出線接入華東電網(wǎng)，主要承擔調(diào)峰、填谷，調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動和事故備用等任務(wù)[1]?？兿娬臼侵袊樗钅軝C組國產(chǎn)化自主設(shè)計制造首次向600 m 高水頭段、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)起挑戰(zhàn)的依托項目，建設(shè)、設(shè)計、研發(fā)制造、試驗等多個單位參與了該型機組國產(chǎn)化的工作[2]。

2020 年12 月20 日，績溪電站最后一臺機組并網(wǎng)發(fā)電，標志著中國首次完全自主研發(fā)、設(shè)計、制造的超高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量可逆混流式抽水蓄能機組順利投產(chǎn)[3]。績溪電站機組是我國自主研發(fā)的長短葉片技術(shù)首次在抽蓄機組中應(yīng)用，其運行性能受到多方關(guān)注[4]。機組由東方電機有限公司研發(fā)制造，其主要參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 水泵水輪機主要參數(shù)

表2 發(fā)電電動機主要參數(shù)

2 試驗概述

根據(jù)合同規(guī)定，需對績溪電站機組開展性能驗收試驗，將試驗結(jié)果與合同保證值進行比較，檢驗其是否滿足要求。合同規(guī)定的試驗項目如表3 所示。

表3 性能驗收試驗項目一覽表

對水泵水輪機效率試驗，根據(jù)GB/T 20043 的規(guī)定，指數(shù)法（相對效率法）不能用于任何涉及合同保證值內(nèi)容的考核；而對于水頭在100 m 以上的水輪機，適用熱力學法開展效率試驗[5]。熱力學法在國內(nèi)水輪機效率試驗中應(yīng)用較少，僅在廣州、天荒坪、張河灣等抽水蓄能電站進行過實踐，但均以國外水輪機制造商為主體，缺少自主研究和實踐的經(jīng)驗[6-8]?？兿娬緳C組性能驗收試驗采用熱力學法開展水泵水輪機效率試驗，為熱力學法在國內(nèi)首次自主實施。

對發(fā)電電動機損耗及效率試驗，績溪電站機組推力軸承設(shè)計首創(chuàng)開發(fā)了全新的低損耗熱邊界層隔離重載滑動軸承，相較于傳統(tǒng)的推力軸承，該技術(shù)將原油箱內(nèi)較高的油位降低至鏡板工作面附近甚至以下運行，通過供油環(huán)管向瓦間鏡板面噴油，從根源上減少了油霧的產(chǎn)生，可顯著降低軸承損耗[2]。因此，投運后的推力軸承實測損耗值得特別關(guān)注。此外，在確定電機效率時，勵磁損耗常采用設(shè)計值，其與實際值往往存在明顯偏差，本次性能驗收試驗利用勵磁系統(tǒng)的輸入和輸出功率差評定勵磁損耗。

隨著國產(chǎn)抽水蓄能機組的持續(xù)投運，機組運行穩(wěn)定性問題日益嚴峻，國內(nèi)已發(fā)生多起水泵水輪機運行穩(wěn)定性導(dǎo)致的運行安全問題，引發(fā)普遍關(guān)注[3]。隨著抽水蓄能機組向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量的方向發(fā)展，對機組的振動、擺度、壓力脈動提出了更高的要求。為準確評定績溪電站機組的運行穩(wěn)定性，本次性能驗收試驗采用位移和速度2 種低頻振動傳感器測量機組振動，壓力脈動傳感器采用流道齊平的方式安裝。

本次性能驗收試驗由中國水利水電科學研究院下屬北京中水科水電科技開發(fā)有限公司實施，為國內(nèi)抽水蓄能電站首次由中立第三方單位開展機組的全部性能驗收試驗。受篇幅所限，本文僅對水泵水輪機效率試驗、發(fā)電電動機效率試驗、機組穩(wěn)定性試驗（振動、擺度、壓力脈動測量）作分析，其余試驗項目不一一論述。

3 水泵水輪機效率試驗

3.1 熱力學法

根據(jù)熱力學第一定律（能量守恒原理），水泵水輪機運行時，水流對轉(zhuǎn)輪做功，由于水流與轉(zhuǎn)輪間存在一些摩擦、漩渦、脫流等現(xiàn)象，產(chǎn)生能量損失，這些損失將轉(zhuǎn)化為熱能，使水流在水泵水輪機高低壓側(cè)斷面間產(chǎn)生一個溫差，通過測量這個溫差實現(xiàn)對水泵水輪機效率的測定方法即熱力學法[9]。具體而言，熱力學法是通過對水泵水輪機能量轉(zhuǎn)換中單位能量的測定來確定流量和效率，無需直接測量流量。熱力學法測量水泵水輪機的原理如圖1 所示。

圖1 熱力學法測定水泵水輪機效率原理圖

水流在流入轉(zhuǎn)輪前的單位水體的能量稱為單位水能：

式中：

ρ—水的密度，kg·m-3

g—重力加速度，m·s-2

Eh—水泵水輪機單位能，J·kg-1

p10，p20—高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20 的相對壓力，kPa

v10，v20—高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20 的水體流速，m·s-1

z10，z20—水輪機高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20的中心高程，m

轉(zhuǎn)輪獲得的單位水體的能量稱為單位機械能，由能量轉(zhuǎn)換前后的壓力、溫度、高程、流速等參數(shù)決定。實際測試中，由于在水泵水輪機高壓側(cè)流道中進行直接測量存在一定困難，通常采用絕熱導(dǎo)管將流道中的水樣引入容器進行測量，即圖1 中的斷面11，此時按式（2）進行計算單位機械能。

式中：

a—水的等溫系數(shù)，10-3·m3·kg-1

Cp—水的比熱，J·kg-1·K-1

pabs11，pabs20—高壓側(cè)測量斷面11、低壓側(cè)斷面20 的絕對壓力，kPa

θ11，θ20—高壓側(cè)斷面11、低壓側(cè)斷面20 的水體溫度，K

v11，v20—水輪機高壓側(cè)斷面11、低壓側(cè)斷面20的水體流速，m·s-1

z11，z20—高壓側(cè)測量斷面11、低壓側(cè)斷面20 的中心高程，m

δEm—由于溫度波動、外部熱交換等產(chǎn)生的單位機械能的修正項，J·kg-1

最終，水泵水輪機的水力效率ηh由單位機械能和單位水能計算得出：

3.2 設(shè)備安裝

在高壓側(cè)測量時，需將蝸殼內(nèi)的水流引入測量容器中測量。根據(jù)GB/T 20043 的規(guī)定，熱力學法測水泵效率需至少設(shè)置2 個采樣點，而壓力鋼管未預(yù)留相應(yīng)的安裝接口。考慮到臨時開孔的安全風險，在蝸殼排水管的起始位置，焊接一尺寸匹配的法蘭，安裝取水探針，探針末端通過高壓軟管引至混凝土墻壁外側(cè)，在蝸殼排水管上打孔引出。采樣探針取水口正對來流方向，與水流方向平行。測量容器尾端安裝有高精度溫度傳感器，側(cè)面安裝有壓力傳感器和電磁流量計，分別用來測量高壓側(cè)溫度、高壓側(cè)容器內(nèi)壓力和采樣容器流量，通過調(diào)節(jié)電磁流量計后端的膨脹閥來調(diào)節(jié)流經(jīng)容器的流量，從而調(diào)節(jié)高壓側(cè)容器內(nèi)的溫度。高壓側(cè)取水和測量設(shè)備如圖2 所示。

圖2 高壓側(cè)取水測量示意圖

對于低壓側(cè)單位水能則采用直接法進行測量。試驗前，將測量支架布置在水泵水輪機低壓測量斷面，采用4 根鋼管、兩端開口和均布的方式來采集水樣，測量4 個引水位置的混合平均溫度。低壓側(cè)測量支架通過焊接固定在尾水管內(nèi)，信號線纜通過預(yù)埋的管路延伸至廠房試驗采集臺，如圖3 所示。

圖3 低壓側(cè)直接測量示意圖

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)合同規(guī)定，在發(fā)電工況下，須對9 個加權(quán)水頭的水輪機效率進行考核；在抽水工況下，須對8 個加權(quán)揚程的水泵效率進行考核。在有限的試驗時間里，在所有加權(quán)水頭（揚程）下各開展一次水泵水輪機效率試驗是不現(xiàn)實的。而按照GB/T 20043 的規(guī)定，各加權(quán)水頭（揚程）對應(yīng)的允許波動范圍如表4所示。

如表4 所示，在600.4 m～600.5 m 的范圍內(nèi)開展水輪機效率試驗，可涵蓋水輪機加權(quán)效率對應(yīng)的全部水頭；在613.6 m～622.8 m 的范圍內(nèi)開展水泵效率試驗，可涵蓋水泵加權(quán)效率對應(yīng)的全部水頭。故在以上水頭（揚程）范圍內(nèi)，可計算出所有加權(quán)水頭（揚程）下的水泵水輪機效率，符合相關(guān)標準的規(guī)定。最終，額定水頭600 m 下的水泵水輪機實測效率與模型試驗換算結(jié)果的對比如圖4 所示。

表4 各加權(quán)水頭（揚程）允許波動范圍一覽表

如圖4 所示，在200 MW 以上負荷區(qū)間運行時，水泵水輪機原型實測效率明顯優(yōu)于模型試驗換算預(yù)測的結(jié)果。試驗當時，同步采集了水泵水輪機蝸殼壓差數(shù)據(jù)，利用熱力學法計算出的過機流量，標定了水泵水輪機蝸殼壓差測流系數(shù)，如圖5 所示。

圖4 額定水頭600 m 下的水泵水輪機實測效率曲線

圖5 蝸殼壓差測流系數(shù)標定結(jié)果

4 發(fā)電電動機效率試驗

4.1 量熱法

采用量熱法測定發(fā)電電動機的損耗及效率，其基本原理為：在電機內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗，最終都將變成熱量，傳遞給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度上升，因此可通過測量電機所產(chǎn)生的熱量來推算電機的損耗，從而計算電機的效率[10]。量熱法實施時，須劃定一個參考基準面，如圖6 所示。

圖6 量熱法中電機各項損耗示意圖

圖6 中電機的各項損耗依次為：

（1）集電環(huán)裝置的損耗；

（2）上導(dǎo)軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（3）電機上蓋板外表面向廠房散出的損耗；

（4）電機下蓋板外表面向水輪機頂蓋散出的損耗；

（5）空氣冷卻器冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（6）電機外圍墻散出的損耗；

（7）應(yīng)計入發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)損耗；

（8）下導(dǎo)軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（9）推力軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗。

參數(shù)測量時，冷卻介質(zhì)流量須采用經(jīng)過檢定的流量計進行測量，根據(jù)IEC 60034-2-2 規(guī)程要求，流量計要求安裝于較長的直管段，以保證水流平順和測量準確性。理想的直管段為流量計上游側(cè)具備10D、下游側(cè)具備5D距離；而通常流量計制造商的安裝要求為上游側(cè)至少5D、下游側(cè)至少3D距離；故冷卻介質(zhì)流量的測量至少應(yīng)滿足前5D后3D的安裝要求（D為管路內(nèi)徑）。

為了增加冷卻管路的進出口溫差，通過調(diào)節(jié)排水管閥門開度，來減小冷卻水流量。為避免閥門對水流測量的影響，在冷卻管路改造中移除原有閥門。同時，試驗過程中監(jiān)視冷卻管路壓力儀表數(shù)據(jù)，以保證調(diào)小流量后，冷卻管路的水壓不會超過技術(shù)供水泵的壓力要求。

4.2 勵磁損耗

在測定電機效率時，勵磁損耗由于數(shù)值較小，常受到忽視。發(fā)電電動機在設(shè)計時，勵磁損耗常按照轉(zhuǎn)子銅損的一定比例取值，但發(fā)電電動機和勵磁系統(tǒng)通常由不同制造商供貨，而勵磁系統(tǒng)的實際損耗同機組安裝、勵磁系統(tǒng)運行狀態(tài)直接相關(guān)，不可避免地同設(shè)計值存在一定偏差。本次試驗中，采用勵磁系統(tǒng)的輸入和輸出功率差評定勵磁損耗，如式（5）所示。

式中：

Pe—勵磁系統(tǒng)損耗，kW

Peh—勵磁變高壓側(cè)輸入功率，kW

Pel—勵磁系統(tǒng)輸出功率，kW

If—轉(zhuǎn)子電流，A

Uf—轉(zhuǎn)子電壓，V

4.3 結(jié)果與分析

試驗后，實測勵磁系統(tǒng)輸入與輸出功率同勵磁電流的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 不同勵磁電流下勵磁損耗的確定

最終，發(fā)電電動機在額定工況下實測各項損耗同設(shè)計損耗的對比如表5 所示。

表5 發(fā)電電動機各項損耗實測值同設(shè)計值對比一覽表

如表5 所示，在發(fā)電機額定工況下，勵磁系統(tǒng)實測損耗值顯著高于設(shè)計值，達到了設(shè)計值的160%；推力軸承實測損耗值則明顯低于初期設(shè)計值，在電動機額定工況下，只有設(shè)計值的52.3%。表明績溪電站首創(chuàng)的低損耗熱邊界層隔離重載滑動軸承，相較于傳統(tǒng)的推力軸承，顯著降低了軸承損耗，提高了發(fā)電電動機的能量轉(zhuǎn)換效率。

5 機組穩(wěn)定性試驗

5.1 設(shè)備安裝

機組穩(wěn)定性試驗內(nèi)容包括振動、擺度、壓力脈動的測量。為保證壓力脈動測量的準確性，壓力脈動傳感器測頭與流道內(nèi)壁齊平安裝，其中蝸殼進口壓力脈動傳感器安裝于主閥后伸縮節(jié)外壁，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間壓力脈動傳感器安裝于頂蓋上表面，尾水進口壓力脈動傳感器安裝于尾水進人門外側(cè)混凝土表面，如圖8 所示。

圖8 壓力脈動傳感器的安裝

對機組振動，考慮到位移輸出型的低頻振動傳感器易受1 Hz 以下的水力激振成分擾動，故同時安裝低頻位移和低頻速度兩種振動傳感器測量頂蓋振動。

圖10 頂蓋振動隨有功的變化趨勢曲線

5.2 結(jié)果與分析

試驗水頭630 m、發(fā)電工況下，機組擺度、頂蓋振動、壓力脈動隨機組有功的變化趨勢曲線如圖9～圖11 所示。

圖9 機組擺度隨有功的變化趨勢曲線

圖11 壓力脈動隨有功的變化趨勢曲線

從圖9～圖11 可以看出，當前試驗水頭下，機組擺度大致隨機組有功的增大而逐漸減小，在150 MW以上負荷運行時，機組擺度均小于140 μm；頂蓋振動隨機組有功的增大而顯著減小，且振動位移和振動速度變化趨勢基本一致，在150 MW 以上負荷運行時，頂蓋振動位移均小于30 μm，頂蓋振動速度均小于0.8 mm/s；壓力脈動大致隨機組有功的增大而逐漸減小，在150 MW 以上負荷運行時，壓力脈動相對值低于8%，在150 MW～200 MW 負荷區(qū)間轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動有小幅上升。

6 結(jié)論

本文對績溪抽水蓄能電站機組性能驗收試驗的實施情況做了介紹，重點闡述并分析了水泵水輪機效率試驗、發(fā)電電動機效率試驗、機組穩(wěn)定性試驗的試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）作為國產(chǎn)長短葉片在抽蓄機組上的首例應(yīng)用，績溪電站水泵水輪機實測效率優(yōu)于模型試驗換算和預(yù)測的結(jié)果，而熱力學法是開展水泵水輪機效率試驗的有效方法，值得行業(yè)內(nèi)借鑒；

（2）績溪電站機組首創(chuàng)開發(fā)的低損耗熱邊界層隔離重載滑動軸承，可顯著減低推力軸承損耗，降低了發(fā)電電動機的能量損失，提高了電機能量轉(zhuǎn)換效率，值得行業(yè)內(nèi)推廣；

（3）試驗水頭下，績溪電站機組在150 MW 以上負荷區(qū)間運行時，機組擺度、振動、壓力脈動指標優(yōu)異，機組運行穩(wěn)定，能夠滿足當前電站運行調(diào)度的需要。