抽水蓄能电站一洞多机同时甩负荷试验分析

汪志强，陈泓宇，李华，程振宇，吕志鹏

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

抽水蓄能电站一洞多机同时甩负荷试验分析

汪志强，陈泓宇，李华，程振宇，吕志鹏

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

近年来，抽水蓄能电站工程建设进入高速发展期，为减少投资，往往采用一洞多机的输水系统布置方案。清远抽水蓄能电站是国内抽水蓄能电站第一次开展同一输水系统四机同时甩负荷试验，在模拟线路跳闸的情况下，进行了四台机组带25%、50%、75%、100%负荷甩负荷试验和四台机组水泵工况同时断电试验。本文对清远抽水蓄能电站四机同时甩负荷结果进行分析，并分析了一洞四机单甩、双甩、三甩、四甩过程中压力隧道压力、机组转速、振动摆度等关键试验数据，为后续类似工程提供了参考。

抽水蓄能机组；一洞多机；四台机同时甩负荷；压力、转速、振动摆度

0 引言

近年来，抽水蓄能电站工程建设进入高速发展期，为减少投资，往往采用一洞多机的输水系统布置方案，即一条输水管道通过岔管连接几台机组，在已建成的抽水蓄能电站中，国内只有广州、惠州、清远抽水蓄能电站（以下简称广蓄、惠蓄、清蓄）采用一洞四机的布置模式。多机甩负荷是抽水蓄能机组调试过程中最重要和最具危险性的试验项目之一，广蓄、惠蓄有至少两条出线冗余方式接入电网，发生四甩的概率极低，四机同时甩负荷属于校核工况（两重故障同时发生的跳机）或特殊工况（三重故障同时发生的跳机），设计时只需要进行调保计算，而不要求进行真机试验，故这两个电站一直没有进行四机同时甩负荷试验。清蓄目前仅以一回500kV 线路接入花都站，线路跳闸将有可能造成全厂四台机组同时甩负荷或甩入力，为常规工况（发生一重故障造成的跳机），必须保证相关参数满足调保保证值，真机试验有较大必要性。

文献[1]对单机、双甩和三甩甩负荷试验的方法、安全控制及试验结果进行了比较详细分析，本文主要对四机同时甩负荷结果进行分析，并详细对比一洞四机的单甩、双甩、三甩、四甩过程压力、转速、振动摆度等关键试验数据不同，用来说明一洞多机甩负荷的影响程度。

2016年8月23～25日，清蓄四机同时甩负荷试验在模拟线路跳闸的情况下，先后完成了厂用电自动切换以及四台机组分别同时带25%、50%、75%、100%负荷甩负荷试验和四台机组水泵工况同时断电试验。此次试验是国内抽水蓄能电站第一次开展四机同时甩负荷试验，各项实测值均处于调节保证计算预想值范围以内，为清蓄电站机组实现全水头、满负荷方式运行创造条件、提供了技术支撑，为一洞多机布置形式提供了安全实证和为将来机组结构设计和一洞多机选型提供了实践依据。

1 概述

1.1 输水系统总体布置

图1 输水系统纵剖面布置示意图Fig.1 Arrangement of longitudinal section of water conveyance system

广东已建成的广蓄、惠蓄和清蓄电站均采用一洞四机的方式，即一条引水隧洞和尾水隧洞控制4台机组，引水隧洞通过高压岔管和4条引水钢支管与地下厂房连接，尾水隧洞通过尾水岔管和4 条尾水支管与地下厂房连接。引水隧洞和尾水隧洞长度一般在2000～5000m之间，直径在8.5～9.5m 之间，一般设置上游调压井和尾水调压井，或仅设置上游调压井或尾水调压井，调压井高度在120～150m 之间，包括直径9m 左右的升管和直径20m 左右的大井。清蓄电站引水系统长1765.158m，直径为9.2m，引水水道不设调压井，尾水调压井为带上室阻抗式，大井内直径18m，连接管内直径9.2m，图1为清蓄电站输水系统纵剖面布置示意图。[3]

1.2 机组主要参数

清蓄电站主机设备由东芝水电（杭州）设备有限公司提供，其主要参数详见表1。调保保证参数要求蜗壳进口最大相对压力Hmax＜780m，尾水管进口处最小绝对压力Hmin＞12m，机组转速最大上升率＜621.5r/min。

水锤的产生来自流量变化，对于水轮发电机组其流量的变化取决于开度、转速的变化情况。机组甩负荷导叶关闭初始，机组特性曲线（详见图6）较为平缓，转速对流量影响较小，水锤压力主要来自导叶关闭引起的流量变化，但随着转速加大，机组的工况接近飞逸线，到达“倒S”区域附近，转速对流量变化影响加大，为限制水锤压力，导叶关闭规律应尽可能的使开度与转速的综合作用最小，按此原则，清蓄电站导叶关闭采用先快后慢两段折线关闭规律，水轮机导叶最大相对开度为94.07%，第一段为快速关闭（约2.4s）至76%折点位置；第二段为慢关，总关闭时间约70s[4]。导叶与进水球阀同时进行关闭，进水阀关闭设计时间为70.5s，详见图2。

2 四机甩负荷试验实测与计算预测值对比

2016年8月23～24日进行了一洞四机25%、50%、75%和100%四机同时甩负荷试验，试验值与原计算预想相比，各指标比较接近，蜗壳最大压力、尾水最小压力、转速对比分析详见表2。100%四机同时甩负荷试验情况如下：

（1）在线路跳闸的情况下，机组导叶的关闭规律和机组ESD紧急停机导叶关闭规律一致。

表1 机组参数Tab.1 Unit parameter list

图2 导叶和进水阀的关闭规律Fig.2 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

（2）4台机组均第一波转速达到最大值附近后，蜗壳最大压力和尾水管进口最小压力也分别达到第一波的极值，然后蜗壳压力开始下降，当转速开始第二波上升时，蜗壳压力也随之升高，第二波转速达到最大值时，蜗壳压力和尾水管进口压力也分别达到第二波的极值。

（3）4台机组蜗壳最大压力值基本一样，相差小于0.25MPa，趋势一致，详见表2，各台机组压力最大试验值均小于预想值。

（4）4台机组尾水最小压力值基本一样，各值除2号机组甩75%测值异常，后查明实为管路干扰所至，压力趋势一致，详见图4，各台机组最大压力相差小于0.23MPa，各台机组压力最小试验值均大于预想值，特别是100%甩负荷试验，4台机组尾水压力最小值47m远大于预想值的33.3m。

（5）4台机组转速上升最大值基本一样，各最大转速上升值相差小于5r/min，各台机组转速最大试验值均小于预想值606r/min，转速趋势一致，详见图4。

（6）4台机组虽然导叶关闭折点略有不同，1 号机组折点位置76.15%，2号机组75.64%，3 号机组75.44%，4号机组75.78%，但各项过渡过程参数趋势基本一样，指标均满足要求，说明清蓄电站导叶关闭规律具有良好鲁棒性。4台机组蜗壳最大压力、尾水最小压力、转速试验值结果均好于计算预想值，特别在100%甩负荷试验过程中，4台机组尾水压力最小值47m远大于预想值的33.3m，表明厂家尾水压力预想值偏保守[5]。

3 单甩、双甩、三甩、四甩试验主要参数对比

同一输水系统单机甩负荷一般通过直接作用紧急停机按钮跳机实现，双机甩负荷通过人为触发主变保护实现两台机组同时跳机，这两种方式均同时触发机组紧急停机流程，即关闭导叶和进水阀的同时跳开出口开关，而清远电站的同一输水系统三机、四机同时甩负荷试验是在模拟线路跳闸的情况下实现，其甩负荷过程振动摆度、压力、转速等关键参数变化规律，现以100%单甩、双甩、三甩、四甩负荷过程2机组的参数来说明此情况，详见表3，括号的数值为极值出现的时间[6]。

3.1 试验基本情况

清远抽水蓄能电站单机、双机、三甩、四甩100%负荷试验，均在额定水头70m之上480m附近进行的试验，上下库水位除双甩上库水位略高4m，其他上库水位均在604m附近，下库在124m附近。

3.2 转速

四甩100%负荷1号机组最大转速上升值137.1%比单甩100%负荷高5.2%，离调保证值145%还有较大裕度。东芝水电计算出的特殊工况下的最大转速上升为51.4%Nr（最大转速为649r/min），发电电动机飞逸转速为690r/min。为了提高安全裕度，要求厂家验算飞逸转速提高到715r/min 时的机组转动部件刚、强度。经过计算，厂家确认转速为715r/min 时，水泵水轮机转轮和发电电动机转子等相关部件的刚度、强度均可满足要求，机组转动部件有较大的安全裕度，详见表4。

图3 1、2、3、4号机组甩100%负荷蜗壳压力波形Fig.3 1，2，3，4 unit load rejection 100% spiral case pressure waveform

图4 1、2、3、4号机组甩100%负荷尾水压力波形Fig.4 1，2，3，4 unit load rejection 100% tail water pressure waveform

图5 1、2、3、4号机组甩100%负荷转速波形Fig.5 1，2，3，4 unit load rejection 100% speed waveform

表3 单机、多机甩100%负荷对比分析（1号机）Tab.3 Single and multi machine rejetion 100% load comparative analysis（1＃）

3.3 蜗壳压力

双甩100%负荷1号机组蜗壳压力最大值比单甩100%负荷高94m（双甩水头高约9m），但三甩仅比双甩1号机组蜗壳压力最大值高8.5m，四甩仅比三甩1号机组蜗壳压力最大值高12.9m，离调保证值780m有较大裕度。

对于引水钢支管，设计最大内水压力标准值采用的是786.5m，略大于蜗壳进口处最大动水压力（含脉动压力）的合同保证值780m。对于埋管段，钢板壁厚受外水压力工况控制，经反算，达到允许应力287MPa对应的内水压力为1050m，即引水钢支管最大可承担1050m 的内水压力，相对合同保证值有约34%的裕度。对于厂房上游明钢管段，经反算，偶然状况下达到允许应力263MPa 对应的内水压力为950m，相对合同保证值有25%的裕度。引水系统有较大的安全裕度。

表4 校核机组转动部件强度Tab.4 Check the strength of rotating parts

3.4 尾水压力

双甩100%负荷1号机组尾水压力最小值比单甩100%负荷低4.2m（双甩水头高约9m），三甩仅比双甩1号机组尾水压力最小值低4.8m，但四甩却比三甩1号机组高1.6m。

对于尾水钢支管，与引水钢支管相似，钢板壁厚受外水压力工况控制，内压工况钢管应力有较大的安全裕度，经反算，尾水钢支管最大可承担460m 的内水压力，相对设计值有非常大的裕度。就外压工况而言，经反算，圆管段钢管抗外压稳定临界压力为67m 水头，圆变方渐变段段钢管抗外压稳定临界压力为89m水头，因此，即使尾水钢支管发生轻度水柱分离，也不会发生抗外压失稳，尾水钢支管有较大的安全裕度。

3.5 振动摆度

四台机组振动摆度趋势一致，下面以2号机组为例。表5为2号机组在单甩、双甩、三甩、四甩100%负荷时在线监测系统的振动摆度对比数据，从趋势看单甩、双甩、三甩、四甩甩时振动摆度最大值有增大趋势，四甩时2号机组振动摆度最大值较单甩有较大的增加约为1倍。说明同一输水系统多机同时甩负荷，虽然转速、蜗壳压力、尾水最小压力相差不是很大，但机组的各部振动摆度却有较大增加，多次多机同时甩负荷对机组不利。

3.6 压力脉动

100%四甩过程试验人员站在发电机层，明显感觉地板振动较以往甩负荷加激不少，比较机组压力脉动，表6为2号机组在单甩、双甩、三甩、四甩时华科同安在线监测系统的压力脉动对比数据，从趋势看单甩、双甩、三甩、四甩甩时压力脉动逐步增大，四甩时2号机组尾水管进口压力最大值较双甩有较大的增加约为1倍，转轮与导叶间压力脉动（无叶区脉动）四甩较双甩增大约25%，说明同一输水系统多机同时甩负荷机组台数越多，水力脉动越大[2][7][8]。

表5 多机甩负荷振动摆度对比表（2号机）Tab.5 Vibration and swing of multi unit load rejection（2#）

3.7 100%单甩、双甩、三甩、四甩负荷相似点

无论单甩、双甩、三甩、四甩，机组的水泵水轮机完全特性曲线上的轨迹相似，导叶第一段关闭较快的速度关到导叶开度76%位置以控制转速，然后导叶第二段关闭较慢快的速度将导叶全关以控制压力，从图6、图7可见，流量过零点大约在10s，导叶开度在65%左右，进入反水泵工况约5s，从四甩振动趋势图看，发生剧烈振动在甩负荷后5～10s之间，即流量第一次即将过零这段时间，参见图8[10][11]。

4 一洞多机的输水系统布置方案思考与讨论

国内近年来抽水蓄电站发展迅速，水道引水方式大多为一洞二机或一洞四机方式，清蓄电站四机同时甩负荷试验的顺利完成，为一洞四机方式提供了实践数据。一洞多机不仅仅与投资有关，与出线方式、电网结构、机组特性、机组和球阀大修方式、地质条件与洞径等都有关。

图6 机组甩负荷后的水轮机完全特性曲线上的轨迹Fig.6 Track of complete characteristic curve of turbine after load rejection

图7 1号机甩100%负荷的计算结果趋势图（四甩）Fig.7 The caculationresulttrend diagram of uint 1 in 100%load rejection test

从清蓄电站水工布置及投资分析，一洞四机方案结构布置相对简单，施工条件可简化，投资较省，一洞四机方案较两洞四机方案减少投资约6000多万元。从清蓄电站水力过渡过程计算及四机同时甩负荷试验结果看，四甩较双甩转速最大上升值、蜗壳压力最大值、尾水压力最小值略有差别但并不大，振动摆度趋势一致。一洞四机的缺点是一旦引水系统出现故障，需要全厂停机检修，电站损失较大，根据广蓄、惠蓄输水系统采用一洞四机的运行经验，只要保证进水阀有足够的安全性，同时充分利用电站每年在枯水期一个月的大修期进行维护检修，保证电站安全运行是可行的。从施工条件方面，两方案均能满足工期要求，一洞四机方案的洞室尺寸相对较大，有利于充分发挥施工效率。一洞四机方案，主输水洞径更大，压力钢管及其分岔管的设计、制造和安装难度更大，水力干扰比较大，但已有多个电站的实施和运行经验。

在运行管理方面，如遇隧洞、进水阀等部分需要检修或事故处理，对一洞四机来说，需要全部停机，迫使全部容量退出电网，但目前电网容量很大，影响不大。对一洞两机来说，则可以保持一半容量工作，对电网影响较小，运行调度较灵活。参考中电联网站统计的可靠性数据，清花甲线约7 年会发生一次跳闸事故，一旦跳闸电站所有运行机组全部跳闸，厂用电如果故障不能正常切换至地区后备电源，机组冷却系统将全部中断，很有可能导致损机事件。目前站内高压电气设备已按两回出线配置，如果能提前建设预留至花都变电站的第二回输电线路，可减小调保计算中校核工况和极端工况出现的概率，利于机组长期、安全稳定运行。在极端工况下，最大水头、三台机组甩负荷、1号机延时6s 甩负荷、导叶和进水阀正常关闭时，尾水管最小压力计算值为-6.86m，低于控制值12m的要求，从一洞多机多次甩负荷情况分析，尾水最小压力均比预想值高，此计算结论还需要进一步复核。即便这样非常小的概率发生，清蓄电站也采取了规避措施，即三台机组同时甩负荷后、第四台机组延时1s 强制甩负荷，此工况下机组最大转速上升满足要求，尾水管最小水压基本满足要求[9]。

5 结束语

图8 1号机甩100%负荷的振动趋势图（四甩）Fig.8 The vibrationtrend diagram of uint1 in 100% load rejection test（At the same time four load rejection）

（1）清远蓄能电站“一洞四机”多机同时甩负荷试验多甩试验的成功为清蓄电站机组实现全水头、满负荷方式运行创造条件、提供了实践依据，验证了厂家用于水力过渡过程先快后慢导叶两段关闭规律是可行的，但对控制折点的液压阀质量要求很高，特别是在检修以后，务必保证导叶关闭折点与调保要求一致。

（2）清蓄电站输水系统结构设计借鉴了广蓄、惠蓄工程的经验，在水力过渡过程计算中输水系统结构满足规范要求，机组转动部件的刚强度按飞逸转速提高到715 r/min计算，并留有一定的裕度。

（3）清蓄电站100%单甩、双甩、三甩、四甩负荷，虽然转速从31%～37%一直在增加、蜗壳压力双甩之后变化不明显、尾水最小压力与几甩相关度不高，但机组的各部振动摆度、水力脉动却随机组甩的台数增加而增加较大，但在可接受范围。

（4）从理论上“一洞多机”布置形式机组相继甩负荷尾水管真空度比较难满足要求，对比多次多机同甩负荷情况分析，试验测量的主要参数的数值略好于预测结果，尾水最小压力从试验结果看要乐观，调保计算还有优化空间，如尾调的计算模型（比如流入流出系数）是不是可以再优化？清蓄电站已要求厂家根据试验情况复核极端情况：如在最大水头、三台机组甩负荷、1号机延时6s 甩负荷、导叶和进水阀正常关闭时，尾水管最小压力计算值为-6.86m，低于控制值12m的要求等，进行误差分析，校核第四台机是否还要在前三台机甩负荷后1s之内强制甩负荷。

（5）预留至花都变电站的第二回输电线路如能建设完成，可减小调保计算中校核工况和极端工况出现的概率，利于机组长期、安全稳定运行。

（6）一洞几机的选择应综合地质、洞径、接线方式、机组和进水阀制造水平等有关因素，需要技术经济权衡考虑。

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Analysis of a Multi Holemulti Unit Load Rejection Test of Pumped Storage Power Station

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

In recent years， the construction of pumped storage power station has entered a period of rapid development， in order to reduce the investment， often using a hole and multi machine layout scheme. Qingyuan pumped storage power station is the first station to carry out the same conveyance system and four load rejection test of Baoquan Pumped Storage Power， in the simulation of line trip under the condition of four units with 25%， 50%， 75%，100% and four load rejection test units and test of power pump operation. The Qingyuan pumped storage power plant four and load rejection results analysis of energy storage， compared with a single double hole four rejection ， rejection of three four pressure， speed，vibration test of key parameters， and provides reference for other similar engineering.

pumped storage units； four units at the same time load rejection ； test； pressure， speed， vibration

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.009

国家重点工程项目（发改能源〔2009〕731号）；南方电网电力建设重点项目（南方电网计〔2010〕19号）。

2016-10-13

2016-12-27汪志强（1969—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站设计与设备管理等。E-mail：1295512324@qq.com

陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail：542120791@qq.com

李华（1982—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电项目基建、生产维护工作。E-mail：li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，学士，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail： 359028830@qq.com

吕志鹏（1983—），男，工程师，主要研究方向：电力系统运行检修和基建工作等。E-mail：254223354@qq.com