十三陵抽水蓄能電廠單臺機(jī)組甩負(fù)荷試驗分析

孫銘君，劉 揚(yáng)，姜明利

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

隨著我國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，抽水蓄能電站配置由過去單一側(cè)重于用電負(fù)荷中心逐步向用電負(fù)荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發(fā)展[1]。當(dāng)前我國電網(wǎng)系統(tǒng)中，抽水蓄能電站在能源結(jié)構(gòu)中扮演緊急備用電源的重要角色，承擔(dān)電網(wǎng)中峰谷調(diào)節(jié)、調(diào)頻等一系列重要作用。電廠作為運營方，負(fù)責(zé)抽水蓄能機(jī)組定期檢修與日常生產(chǎn)維護(hù)，從根本上確保蓄能機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運行。

十三陵抽水蓄能電廠地處北京市昌平區(qū)莽山森林公園，結(jié)合已建成的十三陵水庫為下庫區(qū)，綜合開發(fā)而成。作為我國最早一批投運的抽水蓄能機(jī)組，裝設(shè)有4 臺單機(jī)200 MW 的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組，1995 年首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。本次甩負(fù)荷試驗同該電站一臺機(jī)組完成A 修后的穩(wěn)定性試驗同期進(jìn)行[2]。在甩負(fù)荷試驗過程中，該機(jī)組的各項保護(hù)裝置全部正常投入使用。通過甩負(fù)荷試驗，考驗機(jī)組在指定調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性、速動性和動態(tài)調(diào)節(jié)質(zhì)量，同時對機(jī)組的A 修效果做出評價[3]。此次甩負(fù)荷試驗過程中，電廠機(jī)組原有的在線監(jiān)測（華科同安提供）同時對試驗過程進(jìn)行了錄波及數(shù)據(jù)采集，中國水利水電科學(xué)研究院利用穩(wěn)定性離線測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對兩種系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。根據(jù)甩負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)，分別計算甩負(fù)荷過程中的轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口水壓上升率和尾水管進(jìn)口水壓下降，以此為依據(jù)驗證調(diào)節(jié)保證計算的正確性[4]。根據(jù)調(diào)速器錄波數(shù)據(jù)，檢驗機(jī)組甩負(fù)荷過程中導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉規(guī)律，確定接力器不動時間，同時檢驗過速保護(hù)的靈敏度。

2 試驗測點及內(nèi)容

2.1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 試驗機(jī)組參數(shù)

2.2 試驗?zāi)康?/h3>

開展甩負(fù)荷試驗，主要用于檢驗機(jī)組及輸水系統(tǒng)的耐受能力，主要表現(xiàn)為：

（1）檢驗壓力鋼管、球閥等壓力管道系統(tǒng)的抗沖擊能力；

（2）檢驗水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸承等故障情況下的振動擺度情況；

（3）檢驗調(diào)速器的動作響應(yīng)情況；

（4）檢驗機(jī)組在緊急狀態(tài)下，機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升情況；

（5）檢驗當(dāng)前導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律；

（6）檢查機(jī)組在非正常狀態(tài)下的相關(guān)質(zhì)量問題。

2.3 試驗內(nèi)容

甩負(fù)荷試驗過程中，通過預(yù)先在機(jī)組各個監(jiān)測點布置的穩(wěn)定性離線測試系統(tǒng)，對整個甩負(fù)荷過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。各工況甩負(fù)荷試驗前，機(jī)組處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，離線測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常。試驗標(biāo)準(zhǔn)參考GB 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》[5]、NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》[6]。

試驗過程中，水輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置全部投入工作，從25%Pr、50%Pr、75%Pr、100%Pr[7]逐次進(jìn)行。每次甩負(fù)荷試驗后均開展機(jī)組停機(jī)檢查及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，無異常后開展后續(xù)試驗，最終順利完成4 個工況點的甩負(fù)荷試驗。

2.4 測點布置

此次甩負(fù)荷試驗過程中的數(shù)據(jù)采集分為在線及離線兩種方式。其中在線監(jiān)測系統(tǒng)選用的是華科同安數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，負(fù)責(zé)機(jī)組各主要測點的實時動態(tài)監(jiān)測；離線測試系統(tǒng)的測點包括：蝸殼進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與泄流環(huán)間、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪與頂蓋外側(cè)、轉(zhuǎn)輪與頂蓋內(nèi)側(cè)、尾水管進(jìn)口以及尾水肘管外側(cè)等壓力測點，同時分別安裝上導(dǎo)擺度X 方向及Y 方向、下導(dǎo)擺度X 方向及Y 方向、水導(dǎo)擺度X 方向及Y 方向的擺度傳感器，在上機(jī)架水平X 方向及Y 方向、垂直Z 方向，下機(jī)架的水平X 方向及垂直Z 方向，頂蓋水平X 方向及水平Y(jié) 方向分別安裝振動傳感器，對機(jī)組的運行穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。此外，引入轉(zhuǎn)速信號作為離線測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)測量量。本次甩負(fù)荷試驗同時運用兩種監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并對部分測點的數(shù)據(jù)對比分析。

3 甩負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 電站調(diào)速器錄波數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電站調(diào)速器錄波，判別甩負(fù)荷過程中導(dǎo)葉接力器不動時間和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率，各工況數(shù)據(jù)如表2 及圖1～圖6 所示。

表2 甩負(fù)荷過程調(diào)速器錄波數(shù)據(jù)

由圖1、圖2 得知：進(jìn)行甩25%負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉接力器不動時間為203 ms，轉(zhuǎn)速上升率為5.5%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》中關(guān)于“機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉時，混流可逆式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于45%”的規(guī)定。甩后經(jīng)現(xiàn)場試驗人員檢查判定：各監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，未發(fā)生破壞性損傷，各項檢查正常，可以開展下一工況的試驗。

圖1 甩25%負(fù)荷導(dǎo)葉接力器不動時間

圖2 甩25%負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升率

由圖3、圖4 得知：進(jìn)行甩75%負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉接力器不動時間為195.3 ms，轉(zhuǎn)速上升率為22.50%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》中關(guān)于“機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉時，混流可逆式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于45%”的規(guī)定。甩后經(jīng)現(xiàn)場試驗人員檢查判定：各監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，未發(fā)生破壞性損傷，各項檢查正常，可以開展下一工況的試驗。

圖3 甩75%負(fù)荷導(dǎo)葉接力器不動時間

圖4 甩75%負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升率

由圖5、圖6 得知：進(jìn)行甩100%負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉接力器不動時間為181.4 ms，轉(zhuǎn)速上升率為32.5%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》中關(guān)于“機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉正常關(guān)閉時，混流可逆式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于45%”的規(guī)定。甩后經(jīng)現(xiàn)場試驗人員檢查判定：各監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，未發(fā)生破壞性損傷，各項檢查正常，甩負(fù)荷試驗順利完成。

圖5 甩100%負(fù)荷導(dǎo)葉接力器不動時間

圖6 甩100%負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升率

3.2 甩負(fù)荷離線測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 振擺數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出結(jié)果得出：上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度在全部各個工況下均未發(fā)生明顯變化；水導(dǎo)擺度在甩負(fù)荷各工況都有明顯增加，甩負(fù)荷后恢復(fù)到初始狀態(tài)，總體情況良好；上機(jī)架振動、下機(jī)架振動以及頂蓋振動的數(shù)值基本都在規(guī)定的范圍內(nèi)，過程結(jié)束后，全部恢復(fù)到初始狀態(tài)。

表3 振動擺度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2.2 壓力變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計

蝸殼進(jìn)口壓力在各甩負(fù)荷工況下均有明顯增加，最大壓力值出現(xiàn)在甩75%負(fù)荷階段，采集最大尖峰值達(dá)到6 450.0 kPa，由于“水錘效應(yīng)”的作用，蝸殼進(jìn)口壓力測得的試驗曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。尾水管處的壓力值則相反，壓力出現(xiàn)先降低又升高的變化趨勢，尾水管進(jìn)口測點的數(shù)據(jù)在甩負(fù)荷各工況的最低壓力值均為正值（大于-0.08 MPa）。

表4 甩負(fù)荷測點壓力值

3.2.3 蝸殼壓力上升率

蝸殼壓力變化數(shù)據(jù)見表5、圖7。

表5 甩負(fù)荷蝸殼進(jìn)口壓力上升率

圖7 甩75%負(fù)荷工況蝸殼進(jìn)口壓力時域圖

3.2.4 尾水水壓下降率

尾水水壓變化數(shù)據(jù)見表6、圖8。

表6 甩負(fù)荷尾水管進(jìn)口壓力變化

圖8 甩75%負(fù)荷工況尾水管進(jìn)口壓力時域圖

全部甩負(fù)荷試驗過程中，蝸殼進(jìn)口的最大壓力值出現(xiàn)在甩75%負(fù)荷階段，經(jīng)計算：其最大壓力上升率為26.41%，滿足NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》中“混流可逆式蓄能機(jī)組，最大壓力上升率不宜大于30%”的規(guī)定；尾水管進(jìn)口測點的數(shù)據(jù)在甩負(fù)荷各工況的最低壓力值均為正值，滿足NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計導(dǎo)則》中“尾水管進(jìn)口最小壓力不宜小于-0.08 MPa”的規(guī)范要求。

4 結(jié)論

甩負(fù)荷期間機(jī)組各部位振動幅值雖較穩(wěn)態(tài)工況有所增大，但并未發(fā)生異常振動，導(dǎo)葉關(guān)閉動作良好，甩負(fù)荷過程中管道內(nèi)壓力的震蕩處于設(shè)計范圍內(nèi)。各試驗工況后，機(jī)組重新開機(jī)至穩(wěn)態(tài)工況，各部位振動擺度幅值正常。甩負(fù)荷試驗中，轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼壓力上升率、尾水管壓力下降均未超過規(guī)范允許值，符合設(shè)計規(guī)定，說明該機(jī)組此次A 修工作效果良好，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

本次試驗過程表明，該機(jī)組具有緊急甩負(fù)荷能力。由于甩負(fù)荷過程為瞬態(tài)過程，在試驗過程中所產(chǎn)生的振動沒有對設(shè)備產(chǎn)生較大的永久性破壞，經(jīng)停機(jī)檢查，未發(fā)現(xiàn)損壞現(xiàn)象，可以投入運行。