调相压水系统设计时应考虑的因素

胡浩 姜红伟

摘 要：水轮发电机组调相运行时，为消耗较小的有功功率，常采用压低水位使转轮在空气中旋转的方式。该文借鉴国内已投产抽水蓄能电站机组调相运行的经验，介绍了给气压力、流量、位置等多方面因素对机组调相运行的影响，另外对机组调相运行所产生的问题及相应的解决办法进行了概述，为调相压水系统的设计提供了参考依据。

关键词：调相 压低水位 抽水蓄能 设计 参考

中图分类号：TK734 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-00-02

1 调相运行的意义

抽水蓄能机组可作为调相机运行，调节无功功率，为电网提供电压支持；同时其反应速度非常快，可在重大电网事故中避免电压崩溃和热过载的现象。

2 调相压水的方式

4.2 储气罐容积

给气压水时，需短时间内由储气罐供给大量的压缩空气。由式（1）可知，起始给气流量与储气罐容积无关，但若储气罐容积过小，可能导致压水失败或无法补气。

4.3 给气位置

抽水蓄能机组给气位置一般有：①顶盖中央；②尾水管进口的管壁上。实际运行中，位置①和②给气均有成功的案例。现多倾向于从①处给气，②处备用，当采用①处供气时，每两个转轮叶片之间设一个进气孔以保证供气速度；同时，为防止压力冲击过大导致主轴密封抬起，应考虑主压气阀控制回路的改进，延缓阀门从全关到全开的时间。

4.4 水环

水环的形成：①打开球阀旁通阀，压力水通过导叶间隙形成水环（广蓄采用）；②利用转轮旋转的离心力将迷宫环、主轴密封（部分）冷却水等甩向导叶，形成水环（天荒坪、宜兴）。水环可以防止大量压缩空气经导叶间隙进入蜗壳，同时冷却转轮。但水环过厚会增大转轮阻力矩造成有功损耗的增加，也会导致迷宫环温度升高并产生有害的振动。可在底环上设置通道将水环水排至尾水管（天荒坪、宜兴）；或利用转轮高速旋转产生的离心力将水环水通过导叶间隙排向蜗壳，通过蜗壳排气阀排入尾水（广蓄Ⅱ期）。

4.5 蜗壳排气阀

蜗壳排气阀又称蜗壳平压阀，在调相运行时将转轮室逸向蜗壳的高压气排到下库，避免机组由抽水调相转抽水时蜗壳内还存有大量气体，保证机组的稳定性。在天荒坪曾发生过蜗壳排气回路堵塞的事件，明显影响是在机组由抽水调相转抽水运行时，急剧上行的水流夹杂蜗壳中未排尽的气体通过压力钢管充向上库，由此产生间断气爆的声音，并给机组带来一定的轴系振动，直至气体完全排向上库，一般在1 min左右稳定。

4.6 尾水水位

在水体脱离转轮后，水面离转轮越远，水体旋转受转轮影响就越小，国内一些设计院推荐压低水位距离转轮下环1～2 m，转轮直径越大、转速越高的机组可以取较大值。

4.7 给气开始时间

为防止抽水调相起动时发电电动机的起动电流过大，一般在低转速时（10%～15%额定转速）即开始给气压水。发电调相的启动是先发电并网再转发电调相，故在额定转速下给气压水，此时要防止机组进入深度反水泵而导致机组逆功率保护动作出口，通常需要快速压气和适时闭锁逆功率保护。

4.8 补气

漏气点：主轴密封处漏气至水车室；竖向回流与水平回流引起的尾水管逸气；水环排水阀夹杂气、水至尾水管肘段。从天荒坪、宜兴实际运行情况观察，主轴密封处的漏气很少，但在机组调相运行时，尾闸处确有大量的气体排出，证明后两种漏气确实存在。补气方式有：连续补气：需要补气阀保持一个合适的开度，将补气阀常开，但此开度很难找到。根据尾水管水位控制补气：一般在尾水管设水位测量装置，在调相时投入。这种方法的主要影响在于尾水管肘管处振动大，环境湿度大，对水位测量装置的技术要求高。根据吸收功率控制补气：据试验证明，转轮在空气中旋转所消耗的功率仅为相同条件下在水中旋转消耗功率的10%-35%，故可利用功率继电器来控制补气，该法的缺点在于，补气只能在水淹没了转轮后开始，会造成不必要的能量损失，增大机组的振动。

4.9 排气结束的判据

广蓄是利用安装在排气管上的一个流量传感器进行判断，当探测到水流量后延时结束排气。天荒坪、宜兴则是通过测量机组的吸收功率判断排气是否结束。因为相同转速下，转轮从部分淹没在水中到全部淹没，吸收功率激增，根据宜兴的运行经验，吸收功率从16-17 mW激增到40 mW。

4.10 上下迷宫环冷却

调相运行时，转轮在空气中旋转摩擦会产生热量，使转轮和上下迷宫环发热，因此，必须向上下迷宫环提供冷却水。

4.11 冷却水取水口

调相时需要对冷却水的水温进行限制。现在一般将取水口和排水口分别布置在尾水管靠尾水事故闸门侧和靠转轮侧，避免造成冷却水死循环。

4.12 尾水管高度

当机组转速达到额定值时，转轮下方会产生强烈的气旋，引起尾水管中水体旋转。在高水头机组中水体的倾斜可以达到45 °，若尾水管高度不够，被压下来的空气可由肘管上部逸出，或者旋转水体的上部会撞击转轮。因此在尾水管的设计中必须考虑到压水起动的特殊现象。

4.13 导叶小开度

4.14 保护配制

为了提高调相的启动成功率与运行可靠性，需对保护做特殊的配置，如：由于调相启动过程中的电流很小（宜興：调相启动过程中最大电流约0.76 kA；调相运行电流约0.3 kA；抽水运行电流约10 kA），需对差动保护、低压过流保护、定子接地保护（95%、100%）、过电压等整定特殊的定值；由于抽水蓄能机组具有发电与抽水两个方向，需对方向性保护如负序过流、失磁保护、相序监视等配置不同方向的保护并选择性投入。

5 结语

调相运行是抽水蓄能机组重要的运行方式，有利于电网的稳定运行，调相压水系统是保证调相运行的关键因素之一，设计时需综合考虑多方面因素，该文结合国内部分已投产电站实际运行情况，简要介绍了调相系统在设计时应关注的一些因素，希望为抽水蓄能电站的设计提供思考点。

参考文献

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