奥地利科普斯Ⅱ期抽水蓄能电站的试运行

[奥地利] G.格勒 等

2004年 9月,沃拉尔贝尔格尔韦尔科股份有限公司(I l lw e r k e)开始其最大的抽水蓄能电站的施工,该电站装机容量 450MW(3×150MW)。2008年 4月,经过约3.5 a的施工,完成了首台机组的安装,3号机组并网发电,从该工程的复杂性看,施工期是短的。其他 2台机组,1号与 2号机组在 6月底发电。在这几个月期间,成功地进行了辅助设备和下级控制的详细试验。随后,进行了起动和停机控制试验,包括机械保护系统的试验。

2008年 7月 15日,在完成塔法梦特上部调压室的施工以后,于同年 8月开始试运行。

在所有的电气和机械设备开始试验之前,必须对结构系统进行大量的调查和试验。

在 2008年 11月的试运行期间,通过控制所有3台机组的并联、循环和同时运行,对科普斯Ⅱ期抽水蓄能电站(以下简称“科普斯Ⅱ期电站”)的整个水力系统进行了详细试验。水泵和水轮机两种模式的循环变化时长,保证了引水渠和尾水渠水力系统固有频率谐振时能使试运行平稳进行。在试运行期间,每个水力元件以及电站所有机组的运行均与预料的情况一致。

1 调查与试验阶段

在施工期,由于各种原因,致使工程经常出现停工的现象。因此,为了完成所有的结构工程和开始蓄水的方案,必须不断调整预计的时间表。

最初计划在水工建筑物全部完成时开始蓄水。但是,由于工期延后,2007年初,I l l w e r k e公司决定采取与以往不同的蓄水方案,以节约时间。这种新的概念是:对于每个结构部件,只要有可能,就各自独立开始其试验阶段,以进行当时可以开展的所有试验和调查。其中,地下隧洞系统可首先通过精确蓄水计划进行试验。

2007年 11月,尾水系统充水。尾水系统包括 3个压缩空气调压室、一个双室尾水调压室、一个至平衡库的长 300 m的尾水渠和一根至水泵的分开叉管。首次充水时,充水量约为 26000 m3,是非常仔细与缓慢地从平衡库抽水,因此花了 29 h。

但是,充水试验并不顺利。通过细小的裂缝和施工缝直接渗漏进发电厂房洞穴的渗水多达 6 L/s。安装在岩石和开挖之间过渡区的排水系统不能按计划收集漏水。因为在调压室和发电厂房洞穴之间意外地形成了直通水道,所以,必须再次放空尾水隧洞系统。采取了谨慎的灌浆结构措施,以改进调压室的水密性,同时,还采取了附加的排水系统措施。2008年 3月,第 2次充水试验证明,尾水系统的特性良好,排水系统也按计划收集所有漏水(1.5 L/s)。2008年 1月,在继续施工尾水系统附加工程的同时,完成了钢衬压力竖井(长1.2 k m,内径3.8 m)和具有 3个球形阀的高水头歧管。这些结构的所有压力和抗渗试验证明是成功的,阻力达到 70 b a r。在这种情况下,在 6 d的试验期内,从现有科普斯Ⅱ期抽水蓄能电站的上部调压室,通过一根消防软管实施输水。

2008年 3月,成功完成了长5.5 k m的引水系统压力隧洞的施工,与此同时,还完成了尾水系统的施工。通过打开 2个串联蝶阀中的 1个阀,从科普斯上库进行首次蓄水,所有的试验表明,结果良好,首次达到并网发电的所有要求。仍将继续进行上部调压室的收尾工作,余下的时间将用于试验与监测。

最后,对上部调压室充水,并首次对所有的机组进行试验。

科普斯Ⅱ期电站的另一个特点是,冲击式水轮机是在背压下运行。对此,在压力调压室中,必须加入压缩空气。必须试验和测量压缩机布置的效率、溶解和不溶解空气的实际空气要量,以及调压室的任何泄漏。这些调查结果表明,由系统吸收的空气量主要由水中气体溶解度和悬浮气泡所组成,而不是由系统布置本身或调压室所引起。

2 模型试验、计算和测量结果比较

科普斯 I I期电站完整的水力系统设计具有完全自由运行的先决条件,对运行模式的重复变化没有任何限制。在任何时间,都可执行任意一种运行模式以及可以在两种模式之间任意变化。水轮机喷嘴和水泵球形阀的开启与关闭持续约 20 s,能同步进行。因此,通过起动水泵模式、水轮机模式或受控的水泵模式,机组可在 20 s内向电网输出要求的±3×150MW范围内的功率。

2.1 模型试验

在水力系统设计过程中,考虑了各种布置方案。尤其是,研究了由 3个压缩空气调压室、一个大气调压室以及具有 R i fa平衡库和水泵叉管的尾水隧洞所组成的尾水系统。在奥地利格拉茨技术大学做了尾水系统 1∶22.5比尺的物理模型试验。研究了完整系统的水动力特性,还分析了尾水系统压缩空气调压室的掺气与脱气过程。

以前,切拉沃拉和诺赛达已经调查了冲击式水轮机转轮在背压运行期间的空气损失量。他们发现,水中的实际空气溶解度约为理论溶解度的 50%～60%。水中的最大理论空气溶解度决定于绝对压力。它可用本生发现的吸收定律描述。与这些研究相反,凯勒(K e l le r)等人在慕尼黑技术大学的物理模型试验中发现,在冲击式水轮机转轮中,由于水轮机喷嘴的强烈喷溅,流体已经完全饱和。因此,他们指出,在通过水轮机转轮的一个流道中,水中空气的溶解度几乎可达到 100%。

福尔卡特(V o l k a r t)等人在瑞士苏黎世瑞士联邦技术研究院(F T H)做了一个模型试验,研究明渠的脱气过程。作为这些试验的成果,可大大降低科普斯 I I期电站压缩空气调压室的长度,因此,也可减少充入的空气体积。

在冲击式水轮机的尾水渠中,空气泡的输送主要受水流紊流的影响。在湍流涡旋中,冲击式水轮机转轮下面泡沫中的水珠夹带气泡之后,不能重新上升回到水面。因此,通过适当的顺流器(fl o w s t r a i g h t eNEr)来破碎这些涡旋结构,将大大降低渠道的长度。分散的微气泡几乎不能获得任何浮力,即使已经安装了顺流器,仍将由水流带出空气室。但这些分散的微气泡只占总额定流量 Qnom体积的0.1%。

根据模型试验经验,建议在压缩空气室的出口处安装墙壁,以防止涡旋水流从调压室进到装入的压缩空气室。这样可以降低压缩空气室的空气损失量。

除了这些试验以外,对冲击式水轮机转轮以下流道内泡沫的产生原理也进行了大量研究。通过开展模型试验和对原型机进行测量的方式来进行这些调查。阿奇(A r c h)发现,在有关的压力范围内,冲击式水轮机机壳内泡沫的生成,实际上与压缩空气室的压力水平无关。

2.2 压缩空气调压室

在确定压缩空气调压室的尺寸时,为了保证其可靠运行,还必须规定最有效的控制系统。马德尔(M a d e r)和格克莱尔(G o k l e r)指出,应当对 3个压缩空气调压室中的每一个调压室都能进行独立控制。在这种情况下,通过在 5个不同地方测量空气室的水位,可以计算出平均水位,因此,就能计算空气室中的平均空气体积。此外,测量压缩空气室中的绝对压力和温度,可以使采用理想气体定律计算系统中的空气质量成为可能。利用空压机的增加或抽取,使空气质量保持不变。

在 2008年11月的试运行期间,当 3台机组并联循环运行时,进行了水位测量,并绘出水位与空气室中的绝对压力与水位之间没有时间限制的关系图。曲线的循环形状十分显著。通过进一步的详细分析发现,曲线形状决定于进行评估的测量平面,是由水位波动的特性引起的。如果水面凹凸弯曲或倾斜,叠加在垂直的水位振荡上,周期性形状将在没有时间限制的图中生成。在试运行期间,除了该流量特性外,还测量了流过空气室全长的综合表面波。

从试运行测量的这些经验结果中可以推断出,就唯一的孤立测量平面而言,不能分析压缩空气调压室的热力过程。为了考虑一个倾斜的或凹凸不均匀的水面,至少需要 3个可靠的水位测量平面。这也给出了在空气体积中的热力过程极为详细的图像。

从压缩空气室的动态流动特性和监测结果来看,它主要决定了运行的可靠性,就整个气室设计的效率和经济性而言,压缩气室所需要的空气量是决定性的。虽然采用整流器可增加脱气的质量,分散的微空气泡可逃离压缩空气室,但是,在计算总空气损失时,必须加以考虑。另一方面,通过采取适当的措施,可将较大的空气泡保留在压缩空气室中。但是,压缩空气室的主要空气损失是由溶解空气组成,这是由系统本身决定的。水流的脱气,以及空气的恢复,只能在压力降低时才会发生。

然而,因为切拉沃拉和凯勒观察的角度和结果不同,使平衡压缩空气室损失的总实际空气量仍然是不确定的。图 1表示科普斯Ⅱ期电站压缩空气室实测空气量的分析,它决定于空气室中的绝对压力水平和水轮机流量。该分析从本质上证明了切拉沃拉和凯勒的叙述,因为给定的压缩空气室的有效空气量大约是最大理论溶解度的 70%。

图 1 由水轮机泄水引起的压缩空气调压室的空气损失

2.3 引水渠调压室

2008年 11月,试运行的目的是全面检验科普斯Ⅱ期电站整个水力系统的功能,同时,通过利用各种比尺的模型试验来对整个尾水系统进行优化。这些模型也证明了其功能,引水渠几乎完全符合分析的和数字的计算设计。

仅引水渠调压室的上部室的充水与放空过程是采用物理模型试验计算的。因为与发电厂房机组的外部快速调节有关的一些特定的要求,在起动时,下部调压室至引水隧洞的 2个连接都必须向水轮机提供足够的水流。2个连接中的每一个都配备一个节流孔口。因此,下部调压室可作为到这两个连接孔口之间的引水隧洞的旁路来工作。从大致处于 2个孔口之间的中心的一点,由一个分支线引到差动式调压室的反向流量节流阀。在掺气反向流量节流阀前面,倾斜竖井连接到差动调压室的上部室。首先,在下部调压室中,因为具有 2个至引水隧洞连接的水力设计,对自由表面和压力运行两者而言,预计了广泛的水力流量条件。因此,只能采用精心制作的模型来精确地进行数字计算。在进出上部调压室和进出至引水隧洞的连接节流阀的过渡处的水流,依据相应调压室中的水位计算,并在必要时考虑了自由溢流的流量限制。

图 2表示在倾斜调压竖井和掺气管道中的水位的数值计算与实测值之间的比较。图 2还示出了在负荷情况下科普斯电站水库和水轮机喷嘴及水泵球形阀的开度。当水轮机喷嘴关闭时,水泵的球形阀开启(反之亦然),可以看出,对于这种试验性负荷情况,循环运行是同步的。总体上,进行了 4个模拟循环,以达到在调压室竖井和上部调压室中的水位升幅最大。计算值与实测值的临时进度吻合很好。在第1次负荷循环期间,在比较运行顺序的最开始,只能看到某些小的差别,随后在计算与测量过程中消失。在比较过程结束时,在不同调压室中,计算水位与测量水位相等。

图2 引水渠调压室水位

对于计算与测量结果,由于不同的水轮机喷嘴开度、不同的开始条件以及不同的摩擦损失,会使其最终结果发生变化。

在从调压斜井到上部室的过渡点,对于不同的上部室斜度,在物理模型上进行了水流条件测试。调压室上部室的水位计算考虑了该模型试验的结果。但是,在数字模型中,假设上部室的水面是水平的。图 3表示在一个负荷循环期间上部调压室水位的实际进展,负荷循环由一个充水过程和一个放空过程组成。因此,上部室的充水特点是高潮现象,它穿过整个调压室,直到在紧靠后面的限制墙处反射。通过过渡点返回到斜井,叠加在充水的高潮上,最后结束于一个较短的放空高潮上。因为调压室的轴为倾斜状,使调压室后部的水位低于调压室入口处的水位,所以充水高潮不断增加其高度,尤其是当穿过调压室的后半部时,这一点从图 3可以清楚地看出。

图 3 上部调压室中的水位

2.4 阀门室和蝶阀室

在科普斯Ⅱ期电站的阀门室中,串联安装了 2个蝶阀:1个用于运行,一个用于维修。2个蝶阀是用于紧急关闭流量 Qmax=200 m3/s。该流量为额定流量QA=80 m3/s的2.5倍。在试运行期间,也对这些安全关闭装置的功能进行了测试。但是,为了防止引水隧洞承担不必要的负荷和避免受到破坏,阀门的关闭试验仅在电站的各种部分负荷下进行。这样,空气要通过排气竖井进入,从而可以避免产生引水隧洞的部分掺气。

图 4所示为 2台水轮机运行时并在蝶阀关闭的过程中,蝶阀执行机构中和管道中的压力变化情况。实测值与数字计算值再次证明其吻合情况非常好。根据多次部分负荷关闭时所做的测量,可校准一个数字模型,利用该校准的数字模型,可以对达到 Qmax=200 m3/s的蝶阀关闭流量,甚至是灾难性的破坏进行计算与分析。

因此,在考核了每一种负荷情况之后,结果证明,蝶阀执行机构和管道内的压力保持在可接受的低值范围。一个附加的敏感性分析表明,如果在执行机构中假设某些节流、蝶阀会产生压力,那么蝶阀轴承中的旋转力矩系数 k M和摩擦损失将强烈地影响计算的关闭速度。

图 4 蝶阀关闭

3 结 语

综上所述,可以得出结论,转变观念是绝对正确的,每个结构部分应尽快实施单独蓄水过程。

该决定提供了挽回失去的时间的机会,可以在不推迟工程工期的情况下,进行某些必要的附加测量工作。例如,可以在尾水系统中进行大量的灌浆。

实施整个蓄水计划比预期的时间长,且多次被迫中断,其原由非常复杂。因为不同寻常的新概念,I l lw e r k e公司大量缩减余下的试验阶段,以此降低费用。因此,在所有的结构工程完成后,从 2008年 4月到 11月,所有的 3台机组已全部投入运行。

科普斯Ⅱ期抽水蓄能电站的全部功能已通过最终测试。结果证明,甚至是在完全自由的运行模式中,该电站也能以最大的负荷变化和速度运行。正如在设计阶段中所计算的一样,每个水力参数都能保持在可接受与预计的范围内。因此,将来可以不受限制地运行。

发现在任何一种运行方式中,压缩空气调压室及其控制系统都具有一些典型的特性。利用在每个室中所有 5个可用的液体测量平面,对压缩空气调压室中的空气质量进行的计算,证明了其本身以及安装有控制系统的调压室中的空气质量为常数值。该控制系统压缩空气室所需要的空气量约为电站静态运行期间水中空气最大理论溶解度的 70%,小于设计阶段的假设值。

可从压缩空气室中逃逸的分散的微空气泡,在水力短循环中,并在进入蓄能水泵之前被溶解的可能性最大。因此,在该运行模式中,实际上我们检测不到水泵性能的任何下降。实测与计算水力值的比较结果却是惊人的一致。通常,在长的水平水工建筑物中,流量以低的总能量梯度为主,对于水力性能升级现象有决定作用,这在引水渠不同调压室上部室的测试过程中很明显。因此,为了提高水电站设计阶段数值计算的质量,将现有的模型扩展到具有自由面水流的明渠过渡过程中,似乎是合理的。