陳泓宇，汪志強，李 華，程振宇

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853）

清遠抽水蓄能電站三臺機組同時甩負荷試驗關(guān)鍵技術(shù)研究

陳泓宇，汪志強，李 華，程振宇

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853）

本文以清遠抽水蓄能電站為例，從試驗條件、試驗程序控制等方面論述了抽水蓄能機組三機同時甩負荷試驗的方法、安全控制及有關(guān)試驗技術(shù)問題，并對試驗結(jié)果進行分析，為四機甩負荷試驗提供經(jīng)驗和打下基礎(chǔ)，對其他電廠進行類似試驗具有一定參考價值。

清遠；抽水蓄能機組；三臺機組同時甩負荷試驗

0 引言

同一高壓輸水系統(tǒng)內(nèi)的3臺機同時甩負荷試驗在國內(nèi)抽水蓄能電站極為罕見，國家電網(wǎng)公司的抽水蓄能電站一般為一洞兩機布置形式，如：寶泉、白蓮河、仙游、仙居等抽水蓄能電站，更早期的天荒坪抽水蓄能電站上游輸水系統(tǒng)為一洞三機布置，下游尾水系統(tǒng)卻為一管一機布置，1999年同一輸水管內(nèi)的1、2號機組進行了同時甩300MW負荷試驗，但沒有再進行3臺機同時甩負荷試驗；中國南方電網(wǎng)公司的廣州、惠州及清遠抽水蓄能電站上游輸水系統(tǒng)、下游尾水系統(tǒng)均為一洞四機布置形式，惠州抽水蓄能電站5號和6號機組在2011年進行了雙機甩負荷試驗，但未進行過三機同時甩負荷試驗；國外日本今市一洞三機360MW抽水蓄能電站做過三機同甩試驗，但其輸水管和尾水管均有調(diào)壓井；清遠抽水蓄能電站3臺機組同時甩負荷試驗有重大的意義。

進行三機同時甩負荷試驗的目的主要是檢測三機甩負荷時壓力鋼管和每臺機組蝸殼最大壓力上升值、每臺機組尾水管真空度、每臺機組最高轉(zhuǎn)速上升值及導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律，評價機組能否滿足調(diào)保計算及設(shè)備生產(chǎn)廠家關(guān)于壓力上升率、轉(zhuǎn)速上升率的設(shè)計要求，現(xiàn)階段需要對已投運的3臺機組進行同時甩負荷試驗。電站1、2、3號機組于2016年6月20～24日進行了三機同時25%、50%、75%和100%甩負荷試驗。

1 基本參數(shù)

清遠抽水蓄能電站裝有4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機機組，單機容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機容量1280MW。上水庫正常蓄水位612.5m，死水位587.0m，設(shè)計洪水位613.13m。下水庫正常蓄水位137.7m，死水位108.0m，設(shè)計洪水位141.84m。電站最大毛水頭504.5m，最小毛水頭449.3m，水輪機工況額定凈水頭470m。機組安裝高程42m，吸出高度為–66m。引水系統(tǒng)布置方式為一洞四機、4臺機組共用一個下游尾水調(diào)壓室。地下廠房布置另有4臺主變壓器，每兩臺發(fā)電機—變壓器組單元在高壓側(cè)連接，形成兩組連合單元接線，經(jīng)由兩路高壓電纜連接500kV地面開關(guān)站。500kV地面開關(guān)站目前只設(shè)置一回500kV清花甲線。在線路跳閘的情況下，清遠抽水蓄能電站所有運行機組將甩負荷停機。

在各種組合工況過渡過程中，活動導(dǎo)葉采用2段關(guān)閉模式，進水球閥采用1 段關(guān)閉模式，且關(guān)閉時間慢于活動導(dǎo)葉的關(guān)閉時間。機組最大轉(zhuǎn)速（含計算誤差）不大于1.45倍額定轉(zhuǎn)速，蝸殼進口中心線處的最大壓力值（含壓力脈動和計算誤差）不大于780mH2O，轉(zhuǎn)輪出口處最大壓力值不超過165mH2O，轉(zhuǎn)輪出口處最低水壓值不少于12mH2O（絕對壓力）。

2 甩負荷條件及安全控制確認

2.1 試驗前須滿足的工作要求

試驗前須滿足以下各項工作要求：

（1）1號機組、2號機組、3號機組均正常可用。

（2）1～3號機組保護已按設(shè)計要求完成保護定值設(shè)置，保護已投入運行；準備相關(guān)測量儀器，完成3臺機組監(jiān)測回路接線，試驗錄波和監(jiān)測設(shè)備安裝調(diào)試完畢，并確保各測量數(shù)據(jù)時間同步；試驗采集數(shù)據(jù)或濾波信號主要有球閥上游側(cè)壓力、蝸殼進口、尾水管進口壓力、導(dǎo)葉接力器行程、機組出力/入力和機組轉(zhuǎn)速等。

（3）水淹廠房保護動作回路試驗已完成且結(jié)果正常。

（4）廠房通風排煙、消防等公用系統(tǒng)已投入使用。

（5）廠房事故照明功能正常。

（6）廠用電切換試驗完成正常。

（7）上下庫閘門能正常關(guān)閉開啟。

（8）上、下庫水位滿足試驗要求。

（9）聯(lián)系供電所對地區(qū)備用電源蓄能一、二干10kV 線路用戶進行清理，確保地區(qū)電源可靠；對蓄能一、二干10kV 線路進線開關(guān)保護定值進行校核調(diào)整，以滿足3臺機組廠用電負荷同時切換的要求。

（10）3臺機組在線監(jiān)測系統(tǒng)工作及數(shù)據(jù)記錄正常。

2.2 水輪機甩負荷時導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律確認

導(dǎo)葉關(guān)閉采用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律，水輪機導(dǎo)葉最大相對開度為94.07%，第一段為快速關(guān)閉（約2.4s）至76%折點位置；第二段為慢關(guān)，總關(guān)閉時間約70s。導(dǎo)葉與進水球閥同時進行關(guān)閉，進水閥關(guān)閉設(shè)計時間為70.5s，詳見圖1。

圖1 導(dǎo)葉和進水閥的關(guān)閉規(guī)律Fig.1 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

經(jīng)調(diào)保計算分析導(dǎo)葉關(guān)閉時，球閥是否關(guān)閉對機組調(diào)保參數(shù)的影響不大，因此機組正常甩負荷時的關(guān)機過程可僅由機組導(dǎo)水機構(gòu)完成，將球閥作為在機組甩負荷且導(dǎo)葉拒動時，機組防飛逸的后備保護措施。

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律折點取不同時間、不同開度敏感性分析計算，根據(jù)調(diào)保計算，參數(shù)極值結(jié)果對折點位置的敏感度不高，魯棒性較好，但當折點A取為（2.4s,76%）時，對調(diào)保參數(shù)有一定優(yōu)化作用，應(yīng)盡可能調(diào)整折點，使折點位置盡可能靠近76%。為保證現(xiàn)場關(guān)閉規(guī)律能最大限度地與理論計算一致和試驗安全，三甩前對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進行了專項檢查，1號機組折點位置76.15%，2號機組75.64%，3號機組75.44%，關(guān)閉斜率與理論計算基本一致，見圖2。

圖2 1號機組導(dǎo)葉關(guān)閉折點Fig.2 The closing turning point of unit 1 wicket gate

2.3 甩負荷時廠用電丟失風險確認

甩負荷試驗是通過線路跳閘模擬真實情況進行，試驗過程中存在廠用電丟失造成機組損壞風險，在甩負荷試驗前做專項廠用電切換試驗，確保甩負荷試驗過程中廠用電切換功能正常，聯(lián)系供電所落實蓄能一、二干10kV 線路保供電事宜，試驗應(yīng)避開不利天氣的影響。試驗時，安排運行人員在廠用電控制盤柜旁，一旦廠用電未能正常倒換，手動操作將廠用電倒換至地區(qū)電源供電。同時，要求廠家復(fù)核推力軸承斷水運行情況，計算結(jié)果表明，當冷卻水中斷15min后，在最惡劣的假設(shè)之下，推力軸承油溫從額定的45℃升至61℃，推力軸承瓦溫從額定69.2℃增加到79.9℃，兩者溫度均處于可接受的范圍之內(nèi)。其他上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承和主軸密封也經(jīng)計算確認，可以保證機組無損運行15min并安全停機。

同時，廠用電倒換造成監(jiān)測設(shè)備失電無法記錄數(shù)據(jù)風險，將試驗監(jiān)測設(shè)備電源全部連接到UPS 裝置上由UPS 供電。

3 單機甩負荷試驗

2016年1月3日，清遠抽水蓄能電站2號機組單機進行甩100%負荷試驗，當時的上庫水位604.74m、下庫水位125.02m，毛水頭479.72m，導(dǎo)葉接力器行程286mm（92.0%），2號機組試驗結(jié)果中，壓力鋼管水壓的峰6.305MPa（約為642.9m）出現(xiàn)在7s 左右，計算結(jié)果最大值為634.9m（約6.23MPa），出現(xiàn)在6.9s左右，與實測結(jié)果在發(fā)生時間和數(shù)值上基本趨于一致；尾水管水壓在計算結(jié)果最小值約為0.49MPa，試驗結(jié)果中，尾水管最小水壓最小值大概為0.5MPa左右，與計算結(jié)果在數(shù)值上幾乎一致；轉(zhuǎn)速上升的峰值557.8r/min（約為30.1%）出現(xiàn)在5.4s，解析結(jié)果的峰值564.3r/min（約為31.7%）出現(xiàn)在5.4s，與實測結(jié)果在發(fā)生時間上趨于一致。

同時，通過1、2、3號機組單機甩負荷的試驗結(jié)果對比，在和現(xiàn)場試驗同樣的條件下，通過解析計算捕捉到的模擬波形和現(xiàn)場測定的波形相當接近，均滿足合同調(diào)節(jié)保證值，且有較大的裕度，甩負荷工況的模擬計算使用同一個計算程序，根據(jù)單臺機解析對現(xiàn)場試驗結(jié)果的準確再現(xiàn)，可以預(yù)測雙機甩負荷的計算結(jié)果是沒有問題。

圖3 2號機組單機甩100%負荷試驗實測波形Fig.3 The wave of 100% load rejection test unit 2

4 雙機甩負荷試驗

2016年2月18～19日，清遠抽水蓄能電站1、2號機組雙機同時甩負荷試驗，按25%、50%、75%、100%順序進行，逐級確認無誤后再進行下一步試驗。著重介紹一下雙機甩100%負荷現(xiàn)場試驗結(jié)果情況，甩前上庫存水位608.84m、下庫水位119.24m，毛水頭489.6m，導(dǎo)葉接力器行程的275mm（88.4%）。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，1號機組蝸殼水壓的峰值6.842MPa（約為697.7m）出現(xiàn)在8.5s左右，2號機組蝸殼水壓的峰值6.761MPa（約為689.4m）出現(xiàn)在8.6s左右，兩臺機組的實測值均在未超過理論最大值的范圍內(nèi)，因此兩臺機組計算結(jié)果與實測結(jié)果在發(fā)生時間和數(shù)值上均基本趨于一致。同樣，尾水管水壓1、2號機組實測值與計算結(jié)果在數(shù)值上幾乎一致。1號機組轉(zhuǎn)速上升的峰值572.1r/min（約為33.4%）出現(xiàn)在6.9s，解析結(jié)果的峰值579.2r/min（約為35.1%）出現(xiàn)在5.9s；2號機組轉(zhuǎn)速上升的峰值573.3r/min（約為33.7%）出現(xiàn)在6.9s，解析結(jié)果的峰值580.9r/min（約為35.5%）出現(xiàn)在5.8s。兩臺機組計算結(jié)果與實測結(jié)果在發(fā)生時間上均趨于一致。

從以上的試驗結(jié)果與計算值的對比來看，蝸殼壓力、尾水管壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)值均在模擬計算所控制的理論極限區(qū)間之內(nèi)?？梢灶A(yù)測三機甩負荷的計算結(jié)果也在控制范圍內(nèi)。

圖4 2號機組單機甩100%負荷試驗計算波形Fig.4 The caculated wave of 100% load rejection test unit 2

5 三機甩負荷試驗

試驗日期從2016年6月20日開始，具體計劃詳見表2，每個試驗完成后，應(yīng)得到各方的報告，確認運行系統(tǒng)及試驗正常，試驗總指揮下令并經(jīng)總調(diào)批準后方能進行下一個試驗的工作。

5.1 1號機組發(fā)電帶50%負荷甩負荷試驗（線路斷路器跳閘）

500kV 地面開關(guān)站目前只設(shè)置一回500kV 清花甲線，在線路跳閘的情況下，清遠抽水蓄能電站所有運行機組將甩負荷跳機，清花甲線因保護動作跳開，此時清蓄側(cè)線路保護會動作跳開500kV斷路器，并由機組LCU根據(jù)500kV斷路器位置和機組轉(zhuǎn)速變化情況判斷后ESD跳閘。從調(diào)速器一次調(diào)頻功能分析，線路跳開后，即使機組沒有立即ESD，機組頻率上升，導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律依然和ESD停機導(dǎo)葉關(guān)閉斜率一致，為驗證此規(guī)律，2016年6月20日21時18分，1號機組發(fā)電帶50%負荷線路跳閘甩負荷，試驗波形如圖6所示。

試驗結(jié)論分析為：調(diào)速器一次調(diào)頻作用明顯，線路一跳，導(dǎo)葉立即關(guān)（0.149s），再過1.071s監(jiān)控動作ESD，1.6s后高頻保護動作，3.1s后電氣過速110%動作，與機組ESD導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律一致。

同時線路跳閘后，廠用高壓變壓器切換至地區(qū)電源邏輯正常，機組各軸承溫度穩(wěn)定，為下一步安全三甩奠定了基礎(chǔ)。

5.2 3臺機組發(fā)電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗

2016年6月21～22日，3臺機組發(fā)電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗，三機同時甩25%、50%、75%均滿足合同調(diào)節(jié)保證要求，且與計算值基本一致。線路跳閘后導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律與ESD一致，各機組軸承溫升正常，機組各部件檢查無異常，可以繼續(xù)100%甩負荷試驗。甩后數(shù)據(jù)見表3。

圖5 1、2號機組雙機甩100%負荷試驗波形Fig.5 The dual 100% load rejection test wave of unit 1&2

表1 1、2號機組雙機甩100%負荷試驗記錄對比表Tab.1 The dual 100% load rejection test contrast Tab.of unit 1&2

表2 三機甩負荷試驗計劃及時間安排Tab.2 The load rejection test plan and schedule of triad units together

5.3 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷試驗

（1）2016年6月23日 11:51:58，三機同時甩試驗結(jié)果中，3臺機組蝸殼水壓的峰值比較接近，約為7.02MPa（716.7m）出現(xiàn)在9s左右，3臺機組的尾水水壓也比較接近，最小值約為0.407MPa（41.5m），與計算結(jié)果在數(shù)值上相當，趨勢一致。轉(zhuǎn)速上升峰值與計算值接近，較預(yù)想還有一點裕度，均在模擬計算所控制的理論極限區(qū)間之內(nèi),見表4。

（2）3臺機組導(dǎo)葉關(guān)閉折點均在76%附近，快關(guān)與慢關(guān)斜率與理論趨勢一致，說明調(diào)速器的一次調(diào)頻在線路跳閘機組甩負荷過程作用明顯，3臺機組相當于線路一跳閘，立即同步關(guān)閉導(dǎo)葉。

（3）3臺機組蝸殼壓力、峰值趨勢一致，1號和3號機組尾水壓力趨勢一致，峰值接近，但2號機組尾水壓力波形趨勢與1、3號機組略有不同，在四機同時甩前需對其管路和傳感器進行檢查確認；3臺機組轉(zhuǎn)速趨勢一致，峰值基本接近，與理論計算趨勢一致。

（4）三甩負荷過程，振動擺度特征數(shù)據(jù)較單甩、雙甩時，數(shù)據(jù)略大一點，但趨勢一致，說明三甩時轉(zhuǎn)速略較單甩、雙甩時大，甩后檢查機組振動擺度等數(shù)據(jù)均和三甩前數(shù)據(jù)一致，說明三甩后機組結(jié)構(gòu)沒有受到破壞。

（5）三甩負荷過程中，各軸承溫度穩(wěn)定。

圖6 1號機組發(fā)電帶50%負荷甩負荷試驗（線路斷路器跳閘)Fig.6 The 50% load rejection test of unit 1 in generation mode（the circuit breaker trip)

表3 三臺機組發(fā)電帶25%、50%、75%負荷甩負荷試驗Tab.3 The 25%,50%,75% Parf load rejection test of three units in generation mode

6 結(jié)束語

（1）通過清遠抽水蓄能電站“一洞四機”三機同時甩負荷試驗，試驗測量的主要參數(shù)的數(shù)值與計算結(jié)果較為接近，蝸殼最大壓力、尾水壓力誤差在5%以內(nèi)、最大轉(zhuǎn)速上升率的誤差在3% 以內(nèi)，驗證了廠家用于水力過渡過程先快后慢導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律是可行的，各振動擺度及軸承溫度變化趨勢穩(wěn)定，為電站長期安全穩(wěn)定運行提供了試驗依據(jù)。

表4 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷試驗記錄Tab.4 The triple 100% load rejection test records of three units in generation

圖7 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷蝸殼壓力趨勢圖Fig.7 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖8 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷尾水壓力趨勢圖Fig.8 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖9 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)速趨勢圖Fig.9 The wicket gate and unit speed trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

圖10 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷計算趨勢圖Fig.10 The caculation trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

表5 3臺機組發(fā)電帶100%負荷甩負荷振動擺度特征數(shù)據(jù)表Tab.5 The vibration and shaft displacement characteristics data Table of triple unit 100% load test in generation mode

續(xù)表

（2）在電站甩負荷試驗過程中,根據(jù)前一階段的實測結(jié)果實時進行計算對比分析，可以為下一階段的試驗提供相應(yīng)參考，從而一定程度上降低了試驗過程中的風險，先快后慢導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律因折點在76%，有必要在甩100%負荷前確認，有利于現(xiàn)場試驗的安全、順利進行。

（3）可根據(jù)試驗結(jié)果推斷相關(guān)修正方法和修正值及3臺機組的試驗結(jié)果和4臺機仿真計算結(jié)果，推斷4臺機組同時甩的可能達到的值，復(fù)核一開始選擇的設(shè)計值是否滿足安全。

（4）目前一洞多機布置形式機組相繼甩負荷尾水管真空度比較難滿足要求，三機甩負荷試驗還有個目的，就是復(fù)核廠家調(diào)保計算中的極端情況：如3臺機組滿發(fā)2臺機組甩負荷第三臺延時6s甩，會出現(xiàn)尾水負壓的結(jié)論等，通過三機甩負荷數(shù)據(jù)與理論三機甩荷計算成果作對比，進行誤差分析。

（5）同一高壓輸水系統(tǒng)內(nèi)的3臺機組同時甩負荷試驗在國內(nèi)抽水蓄能電站極為罕見，三機同甩試驗為一洞多機布置形式提供了提供安全實證，并驗證和推導(dǎo)了甩負荷工況，為將來機組結(jié)構(gòu)設(shè)計和一洞多機選型提供實踐依據(jù)，對今后工程建設(shè)產(chǎn)生一定影響。

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陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail:542120791@qq.com

李 華（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產(chǎn)維護工作。E-mail:li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，學士，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail:359028830@qq.com

Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station

CHEN Hongyu,WANG Zhiqiang,LI Hua,CHENG Zhenyu
(Qingyuan Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Qingyuan 511853,China)

The paper,Qingyuan Pumped Storage Power Plant as an example,from the aspects of test conditions,test program control discusses the load rejection test method of the pumped storage 3 units together,safety control and test technical problems,and the test results are analyzed,for four units load rejection test to provide experience and establish foundation.It is a certain reference value for other plants doing the similar test.

Qingyuan; the pumped storage units; the load rejection test of the pumped storage 3 units together

TV734.2

A 學科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.004