伍志軍，楊洪濤

（1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410014；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田 438600）

白蓮河抽水蓄能電站首臺機(jī)首次起動(dòng)方式探討

伍志軍1，楊洪濤2

（1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410014；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田 438600）

白蓮河抽水蓄能電站首臺機(jī)首次起動(dòng)時(shí)，上水庫蓄水位遠(yuǎn)低于進(jìn)出水口頂面高程，不具備水輪機(jī)工況調(diào)試條件。為此，經(jīng)多次論證，其首臺機(jī)采用泵工況在異常低揚(yáng)程下進(jìn)行首次起動(dòng)，在泵工況調(diào)試完成后，再進(jìn)行水輪機(jī)工況的調(diào)試和工況轉(zhuǎn)換調(diào)試，第一次成功實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)抽水蓄能電站真正意義上的首臺機(jī)首次泵工況起動(dòng)。

白蓮河；抽水蓄能；水泵水輪機(jī)；泵工況，首次起動(dòng)

0 概述

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)，電站裝設(shè)4臺單機(jī)容量為300MW的單級混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，平均年發(fā)電量9.67億kW·h，年抽水耗用低谷電量12.89億kW·h，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站以一回500kV出線接入黃岡變，在華中電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑起動(dòng)的任務(wù)。

電站樞紐建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站、中控樓、副廠房等建筑物組成。上水庫沒有天然地表徑流補(bǔ)給，為日調(diào)節(jié)水庫。下水庫利用20世紀(jì)60年代初建成的白蓮河大型水庫，屬多年調(diào)節(jié)水庫。輸水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)均采用一洞兩機(jī)布置方式。電站的水能參數(shù)如下：

1 首臺機(jī)首次起動(dòng)方式

純抽水蓄能電站上水庫大多為人工成庫，集雨面積很小，沒有天然地表徑流補(bǔ)給。受自然條件、施工工期等因素影響，首臺機(jī)首次起動(dòng)時(shí)，上水庫一般不具備較大的蓄水量?？紤]上庫的蓄水時(shí)間以及機(jī)組發(fā)電進(jìn)度的要求，抽水蓄能電站首臺機(jī)首次起動(dòng)方式主要有以下三種：

方式一：利用外加充水泵向上庫充水，充水至上庫死水位以上，蓄水量以滿足首臺機(jī)首次按照水輪機(jī)工況起動(dòng)并完成全部調(diào)試項(xiàng)目的需要，然后機(jī)組以水泵工況起動(dòng)，向上庫充水；

方式二：利用外加充水泵向上庫充水，蓄水量僅滿足首臺機(jī)首次按照水輪機(jī)工況起動(dòng)并完成必要的空載調(diào)試項(xiàng)目的需要，然后機(jī)組以水泵工況起動(dòng)，向上庫充水，再交替進(jìn)行水泵抽水工況調(diào)試和水輪發(fā)電機(jī)工況調(diào)試；

方式三：利用外加充水泵向引水鋼管充水，充水至滿足機(jī)組水泵工況異常低揚(yáng)程起動(dòng)的水位（一般充水至上水庫進(jìn)出水口底板高程），機(jī)組按照水泵工況方式起動(dòng)調(diào)試，并以水泵工況向上庫充水，再交替進(jìn)行水泵抽水工況調(diào)試和水輪發(fā)電機(jī)工況調(diào)試。

其中，方式一和方式二的蓄水量為死庫容與調(diào)試水量之和，方式三僅需蓄水至首臺機(jī)引水系統(tǒng)進(jìn)水口底板高程。

2 三種起動(dòng)方式分析

上述三種充水方式中，方式一最為安全，水輪機(jī)工況調(diào)試負(fù)荷逐級增加，對機(jī)組振動(dòng)、壓力脈動(dòng)、軸承負(fù)荷、溫升等有一個(gè)逐步加大的、可調(diào)整的逐步考驗(yàn)過程。但是，此起動(dòng)方式因需上庫蓄水量太大、蓄水歷時(shí)太長、前期投入大而不易實(shí)現(xiàn)，除非是上庫本身具有天然徑流或上庫施工進(jìn)度領(lǐng)先于機(jī)電設(shè)備安裝進(jìn)度。

方式二采用水輪機(jī)工況首次起動(dòng)，但對上庫要求的蓄水量相對較小，僅需滿足機(jī)組初期以發(fā)電工況完成最基本的調(diào)試試驗(yàn)所需的水量即可，對工程進(jìn)展比較有利，是穩(wěn)妥而實(shí)用的首臺機(jī)首次起動(dòng)方式；但主機(jī)設(shè)備承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)相對較大。該方式也是國內(nèi)上庫無天然徑流的已投運(yùn)抽水蓄能電站主要采用的首臺機(jī)首次起動(dòng)方式。本電站上庫死庫容733萬m3，引水系統(tǒng)充水量約20萬m3，為保證首臺機(jī)組在死水位以上連續(xù)運(yùn)行5h并考慮一定裕度所需的調(diào)試水量約315萬m3，蓄水期間（15個(gè)月）75%保證率下的徑流量145萬m3，水量損失約104萬m3，抽水總量約1027萬m3，相應(yīng)上庫水位為293.50m。按抽水時(shí)間15個(gè)月計(jì)算，需選用7臺（其中2臺備用）揚(yáng)程290m，流量200m3/h的充水泵，相應(yīng)總投資約1600萬元。

方式三較多應(yīng)用于上庫放空檢修后對上水庫進(jìn)行充水，機(jī)組以泵工況運(yùn)行極限低揚(yáng)程至最低揚(yáng)程之間，會(huì)有較大的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)，但因歷時(shí)較短，振動(dòng)和壓力脈動(dòng)雖然有可能會(huì)超過正常運(yùn)行允許范圍，仍是可以接受的。由于上庫放空檢修前機(jī)組已經(jīng)正常商業(yè)運(yùn)行一段時(shí)間，本身的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和穩(wěn)定性指標(biāo)已經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)、各種運(yùn)行工況和工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)的實(shí)際考驗(yàn)，機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行時(shí)所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)得到妥善處理，故采用此種起動(dòng)方式技術(shù)上是可行的。廣蓄和天荒坪電站上水庫放空檢查后就是采用這種方式。但對于新建電站首臺機(jī)首次起動(dòng)，在國內(nèi)已投運(yùn)或在建的幾個(gè)抽水蓄能電站中尚無應(yīng)用實(shí)例，國外也很少應(yīng)用，需進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)論證。

3 起動(dòng)方式確定

白蓮河抽水蓄能電站首臺機(jī)首次起動(dòng)方式，在預(yù)可行性研究階段和可行性研究階段推薦采用小水泵充水至進(jìn)水口底板高程，使水泵初始揚(yáng)程達(dá)到80%～90%最低揚(yáng)程，然后利用水泵工況首次抽水方式；主機(jī)合同也規(guī)定首臺機(jī)首次起動(dòng)方式采用水泵工況起動(dòng)，并在模型試驗(yàn)中予以驗(yàn)證，主機(jī)廠家也提供了水泵水輪機(jī)首次泵工況起動(dòng)充水程序。

水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果顯示，在導(dǎo)葉開度達(dá)到13.5°至18°之間可滿足水泵165.00m低揚(yáng)程充水起動(dòng)的入力和壓力脈動(dòng)要求。其中水泵工況在超低揚(yáng)程起動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間壓力脈動(dòng)值為17.8%，小于合同要求25%，其它部位的壓力脈動(dòng)均小于3%，滿足合同要求，不會(huì)由此產(chǎn)生水力振動(dòng)問題；同時(shí)，針對導(dǎo)葉開度為18°進(jìn)行水泵異常低揚(yáng)程運(yùn)行的試驗(yàn)，起動(dòng)靜揚(yáng)程為160.00m，實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程為164.54m，相應(yīng)的原型流量約為155.58m3/s，電網(wǎng)頻率50Hz時(shí)的入力為302.5MW，最大入力為305.7MW，滿足機(jī)組合同對水泵正常運(yùn)行范圍內(nèi)入力的要求，模型試驗(yàn)確認(rèn)在此條件下運(yùn)行不發(fā)生有害振動(dòng)和空化破壞。但因壓力脈動(dòng)真機(jī)和模型是不相似的，有可能真機(jī)在異常低揚(yáng)程下運(yùn)行的穩(wěn)定性情況會(huì)變得惡劣。除此之外，機(jī)組在異常低揚(yáng)程下以水泵工況起動(dòng)對機(jī)組振動(dòng)、動(dòng)平衡、軸承負(fù)荷、溫升等也將是直接的接近正常運(yùn)行最大值的考驗(yàn)。

主機(jī)廠家提供的水泵水輪機(jī)首次泵工況起動(dòng)充水程序?yàn)椋菏紫壤孟聨鞂σ到y(tǒng)進(jìn)行平壓充水至下庫水位高程，然后利用小水泵充水至上庫進(jìn)出水口底板高程271.0m即進(jìn)行水輪機(jī)空載調(diào)試，運(yùn)行約9min，引水鋼管中的水位下降至256.0m，無異常后即可進(jìn)行泵工況起動(dòng)，此時(shí)泵的揚(yáng)程為極限低揚(yáng)程165.0m。

在電站建設(shè)過程中，項(xiàng)目業(yè)主也多次組織相關(guān)專題研究論證，并委托武漢大學(xué)水利水電學(xué)院對機(jī)組首次水泵起動(dòng)特殊過渡過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，首次水泵起動(dòng)特殊過渡過程各種工況調(diào)保參數(shù)均滿足要求，且有較大裕度。最后，綜合考慮施工進(jìn)度和技術(shù)及經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)后，決定采用泵工況首次起動(dòng)。

4 泵工況首次起動(dòng)及機(jī)組調(diào)試過程

白蓮河抽水蓄能電站泵工況首次起動(dòng)及機(jī)組調(diào)試過程主要分為：

（1）首臺機(jī)引水系統(tǒng)充水至上庫進(jìn)出水口底板高程271.0m。此時(shí)，上庫天然蓄水已至約高程275.0m，上庫進(jìn)/出水口為岸塔式(側(cè)式)結(jié)構(gòu)，進(jìn)/出水口底板高程為271.00m，進(jìn)水口前池底坎最高處高程為283.0m，受前池底坎阻擋，上庫蓄水不能自流入進(jìn)出水口，需臨時(shí)設(shè)置低揚(yáng)程大流量的排水泵，將上庫蓄水抽至首臺機(jī)引水壓力鋼管。

（2）首次水輪機(jī)工況滑動(dòng)試驗(yàn)。2009年3月10日，首次手動(dòng)開機(jī)，調(diào)速器切電氣手動(dòng)，慢慢開啟導(dǎo)葉至2%，機(jī)組開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持機(jī)組轉(zhuǎn)速在5%額定轉(zhuǎn)速左右，轉(zhuǎn)動(dòng)約5min，檢查主軸密封水壓、流量正常，機(jī)組聲音正常，機(jī)械部分無明顯摩擦與碰撞。

（3）2009年5月21日至8月5日，依次主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪室充氣壓水試驗(yàn)、SFC分步與自動(dòng)開停機(jī)試驗(yàn)、電制動(dòng)及動(dòng)平衡試驗(yàn)、手動(dòng)及自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)試驗(yàn)、水泵調(diào)相工況瓦溫穩(wěn)定試驗(yàn)及保護(hù)極性校驗(yàn)。

（4）8月6日成功完成水泵調(diào)相工況轉(zhuǎn)水泵工況試驗(yàn)，凈揚(yáng)程約185.5m（正常揚(yáng)程范圍：191m～222.7m），機(jī)組有功約308MW。

（5）8月7日，機(jī)組抽水試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行泵工況瓦溫穩(wěn)定試驗(yàn)及保護(hù)校驗(yàn)。水泵工況異常低揚(yáng)程起動(dòng)，上庫水位為281.5m，蓄水量約220萬m3，下庫水位為96.19m，導(dǎo)葉開度為34%，水泵流量134m3/s，電動(dòng)機(jī)吸收功率304.6MW，穩(wěn)定運(yùn)行約3h 15min，推力軸承瓦溫穩(wěn)定，最高74.17℃，定子繞組最高溫度為84℃；停機(jī)過程中模擬機(jī)械故障停機(jī)試驗(yàn)；上庫蓄水至284.7m。8月8日，機(jī)組泵工況運(yùn)行約1h 30min，停機(jī)過程中進(jìn)行電氣故障停機(jī)試驗(yàn)，上庫蓄水至286.05m，蓄水量約435萬m3。

（6）8月9日至18日，主要進(jìn)行了水泵工況正常揚(yáng)程抽水及熱穩(wěn)定試驗(yàn)、水泵工況突然斷電試驗(yàn)（緊急按鈕停機(jī)）、電氣事故（低功率保護(hù)動(dòng)作停機(jī)）、機(jī)械事故（調(diào)速器低油位停機(jī)）和正常停機(jī)試驗(yàn)。至此，水泵工況調(diào)試基本完成。

（7）8月18日，上庫水位蓄水接近296.0m，開始水輪機(jī)工況起動(dòng)調(diào)試，在機(jī)組發(fā)電工況調(diào)試期間，結(jié)合水泵工況運(yùn)行給上庫充水，其間上庫水位最高達(dá)到約304.0m。

（8）在完成發(fā)電工況試驗(yàn)后，9月13日至17日，進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

（9）在完成機(jī)組整組起動(dòng)調(diào)試工作和消缺處理后，機(jī)組于2009年10月23日0：00進(jìn)入30天試運(yùn)行。在30天試運(yùn)行期間，累計(jì)購網(wǎng)電量2359.5萬kW·h，上網(wǎng)電量1460.7萬kW·h，累計(jì)發(fā)電運(yùn)行時(shí)間60h4min，抽水運(yùn)行時(shí)間76h24min。發(fā)電工況起動(dòng)23次，成功23次；水泵工況起動(dòng)21次，成功21次，起動(dòng)成功率均為100%，均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

GB/T18482-2001《可逆式抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T5208-2005《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》均推薦先完成水輪機(jī)工況起動(dòng)試驗(yàn)后，方可進(jìn)行首次水泵工況起動(dòng)。但在上水庫未提前充(蓄)水的情況下，允許機(jī)組以水泵工況起動(dòng)。白蓮河抽水蓄能電站在死庫容較大、上庫基本無徑流的條件下，經(jīng)過參建各方的努力，通過科學(xué)縝密的論證和精心細(xì)致的組織，成功地實(shí)現(xiàn)了首臺機(jī)首次泵工況起動(dòng)，既節(jié)約了投資，又縮短了工期，為我國抽水蓄能電站建設(shè)提供了首臺機(jī)首次泵工況起動(dòng)的成功經(jīng)驗(yàn)。

TV743

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1672-5387（2010）04-0013-03

2010-04-20

伍志軍（1978-），男，工程師，從事水力機(jī)械設(shè)計(jì)。