唐擁軍,喻 冉

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350）

0 引言

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，電站安裝4臺單機容量為300MW的混流式抽水蓄能機組，為周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，擔(dān)負(fù)江西電網(wǎng)和華中電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等運行方式。電站1～4號機組在調(diào)試期間進行的水泵斷電試驗，均出現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，最高反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了100%水輪機方向額定轉(zhuǎn)速。這在國內(nèi)的抽水蓄能機組中是首次出現(xiàn)。目前國內(nèi)大部分抽水蓄能機組采用兩段關(guān)閉策略來避免機組的反轉(zhuǎn)，而洪屏抽水蓄能電站機組水泵斷電時采用的仍是水泵方向正常停機的一段關(guān)閉規(guī)律，這是造成水泵斷電時反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高的根源，這將引發(fā)劇烈的水力瞬變，對機組及其壓力管道系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]?？紤]到水泵工況正常停機時過渡過程性能滿足合同要求，于是增設(shè)一條水泵斷電時的緊急關(guān)閉回路來降低機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。基于此思路啟動了水泵工況下導(dǎo)葉關(guān)閉控制的優(yōu)化改造處理。

1 機組基本參數(shù)

機組基本參數(shù)如表1和表2所示。該機組過渡過程參數(shù)蝸殼進口壓力與尾水管進口壓力設(shè)計值中，蝸殼進口中心線處最大壓力值不大于850m水柱，尾水管進口最小壓力不小于0m水柱。

表1 水泵水輪機基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of pump turbine

表2 發(fā)電電動機基本參數(shù)表Table 2 Basic parameters of generator-motor

2 改造前情況

1～4號機組水泵斷電試驗時均出現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，部分試驗參數(shù)統(tǒng)計如表3所示，1號機組水泵斷電試驗時，部分測點時域波形圖如圖1與圖2所示。

水泵斷電后機組失去了動力，在上庫與壓力管道中水體壓力作用下，水體出現(xiàn)倒流，轉(zhuǎn)輪承受很大的阻力矩，從而使得機組轉(zhuǎn)速快速降低。與此同時，導(dǎo)葉逐步關(guān)閉，由于導(dǎo)葉關(guān)閉時間相對較長，在機組轉(zhuǎn)速降低到零后，仍在關(guān)閉過程中，此后，在水流作用下，機組出現(xiàn)反轉(zhuǎn)（即向水輪機方向旋轉(zhuǎn)），再后來，隨著導(dǎo)葉的繼續(xù)關(guān)閉，機組轉(zhuǎn)速降低停機[2]。

表3 1號至4號機組水泵斷電參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Parameter statistics of unit 1 to unit 4 in load rejection test in pump mode

圖1 水泵斷電過程有功功率、導(dǎo)葉接力器行程與機組轉(zhuǎn)速時域波形圖Figure 1 Time wave of active power，guide vane opening and rotating speed in load rejection test in pump mode

圖2 水泵斷電過程蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力、尾水管出口壓力時域波形圖Figure 2 Time wave of spiralcase inlet pressure，draft tube intlet pressure and draft tube outlet pressure in load rejection test in pump mode

由表3及上述分析可知，毛水頭較小時，機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最高，這是因為毛水頭較小時初始導(dǎo)葉開度大，停機關(guān)閉導(dǎo)葉用時相對較長，從而使得機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最高。1號機組水泵斷電試驗中，反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為100%水輪機方向額定轉(zhuǎn)速；蝸殼進口壓力最大值為6.376MPa，尾水管進口與出口壓力最大值分別為1.565MPa與1.091MPa，過渡過程參數(shù)壓力值均滿足設(shè)計要求。然而，機組反轉(zhuǎn)時，導(dǎo)葉開度較小，轉(zhuǎn)輪過流流態(tài)較差，出現(xiàn)了各種水流撞擊和脫流，機組出現(xiàn)了較大的壓力脈動與振動，且時間較長，給機組帶來了安全隱患。此外，壓力管道系統(tǒng)也將承受劇烈的水力瞬變，威脅其安全運行。

3 改造處理方法

改造處理方法是增設(shè)一條水泵斷電時的緊急關(guān)閉回路來降低機組的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，改造要求是反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不超過50%水輪機方向額定轉(zhuǎn)速。改造內(nèi)容可分為三個部分即過渡過程仿真計算、液壓回路改造和控制邏輯修改。

3.1 仿真計算

1號與2號機組的管路系統(tǒng)如圖3所示，仿真計算采用有壓管道非恒定流偏微分方程來描述整個過水系統(tǒng)，對過流部件建立相應(yīng)的差分方程，然后構(gòu)建特征線方程組，利用有限差分法來進行求解[3]。對多個導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進行了仿真計算，當(dāng)采用25s實現(xiàn)導(dǎo)葉全關(guān)時，最惡劣水泵斷電工況（低揚程抽水時導(dǎo)葉100%全開）仿真計算結(jié)果如圖4所示。最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上升63.7%，過渡過程壓力指標(biāo)滿足設(shè)計要求。因為洪屏抽水蓄能電站為周調(diào)節(jié)電站，上下庫具有自然來流，可以說不會在最惡劣水泵斷電工況運行。當(dāng)水泵工況導(dǎo)葉開度小于90%時，仿真結(jié)果顯示反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上升小于50%。因此，水泵斷電時采用25s實現(xiàn)全關(guān)的關(guān)閉規(guī)律。

圖3 1號與2號機組管路系統(tǒng)圖Figure 3 Piping system diagram of unit 1 and unit 2

圖4 水泵斷電工況25s全關(guān)導(dǎo)葉仿真計算圖Figure 4 Simulation calculation result in load rejection test in pump mode with guide vane full closed at 25s

3.2 液壓回路改造

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律確定后，對調(diào)速器液壓系統(tǒng)進行相應(yīng)的改造來實現(xiàn)，最后采用方案為：

在調(diào)速器液壓系統(tǒng)中增設(shè)一個快速關(guān)閉閥，安裝在配壓閥與導(dǎo)葉接力器之間的開啟腔主操作油管路（關(guān)導(dǎo)葉時的回油管路）上，通過三通進行連接，其回油直接連接到調(diào)速器回油箱。如圖5所示，快速關(guān)閉閥的作用是加快開啟腔的排油速度，從而加快導(dǎo)葉的關(guān)閉速度。具體實現(xiàn)過程如下：先導(dǎo)電磁閥MFX20 AA092得電時，電磁閥處于“a”閥位，主閥MFX20 AA091打開（該閥芯開度可調(diào)整），導(dǎo)葉實現(xiàn)快速關(guān)閉。電磁閥失電時，由于彈簧作用，電磁閥處于b 位，MFX20 AA091關(guān)閉，此時，導(dǎo)葉按改造前速度關(guān)閉（約40s）。

3.3 控制邏輯修改

除液壓回路改造外，還對控制邏輯進行相應(yīng)修改。快速關(guān)閉閥動作的條件為機組處于水泵工況、水泵工況下電氣事故停機和水泵工況下GCB分閘。上述三個條件邏輯與為真時，先導(dǎo)電磁閥MFX20 AA092得電切換至“a”位，從而實現(xiàn)導(dǎo)葉快關(guān)功能。為避免監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作的可能性，在控制回路中額外串聯(lián)導(dǎo)葉開啟狀態(tài)和換相刀抽水方向合閘這兩個硬連接節(jié)點，作為雙保險的閉鎖條件。

4 改造后效果

4號機組最先實施改造處理，改造后進行了水泵斷電試驗，試驗相關(guān)參數(shù)時域波形如圖6與圖7所示。改造前后相關(guān)參數(shù)對比見表4。

由試驗結(jié)果可知，機組反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為35%額定轉(zhuǎn)速，比改造前大幅降低（改造前上庫水位730.6m、下庫水位168.0m時，反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為96.3%水輪機方向額定轉(zhuǎn)速），導(dǎo)葉關(guān)閉用時約21s，符合設(shè)計要求；各部位壓力值也滿足設(shè)計要求。此外，監(jiān)控流程執(zhí)行正確，可見改造成功。

表4 4號機組改造前后相關(guān)參數(shù)對比表Table 4 Comparison of parameters of unit 4 before and after reform

圖5 快速關(guān)閉實現(xiàn)液壓原理圖Figure 5 Hydraulic schematic diagram for realization of guide vane fast closed

圖6 改造后水泵斷電過程有功功率、導(dǎo)葉接力器行程與機組轉(zhuǎn)速時域波形圖Figure 6 Time wave of active power，guide vane opening and rotating speed in load rejection test in pump mode after unit’s reform

圖7 改造后水泵斷電過程蝸殼進口、尾水管進口、尾水管出口壓力時域波形圖Figure 7 Time wave of spiral case inlet pressure，draft tube inlet pressure and draft tube outlet pressure in load rejection test in pump mode after unit’s reform

5 結(jié)束語

抽水蓄能機組具有運行水頭高和轉(zhuǎn)速快的特點，水泵方向?qū)~關(guān)閉時長將使得機組水泵斷電時出現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而威脅機組及其壓力管道系統(tǒng)的安全運行。洪屏抽水蓄能電站通過增設(shè)快速關(guān)閉閥和修改相關(guān)控制邏輯對水泵方向的導(dǎo)葉關(guān)閉進行了優(yōu)化改造，機組水泵方向反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高的問題得到成功解決。該電站成功改造經(jīng)驗可為別的有類似問題的電站提供改造處理的經(jīng)驗借鑒，也可為新建電站防止出現(xiàn)此現(xiàn)象的設(shè)計提供技術(shù)參考。