抽水蓄能电站一洞多机同时甩负荷试验探讨

韩伶俐，王腊芬

（水电水利规划设计总院，北京市西城区 100120）

抽水蓄能电站一洞多机同时甩负荷试验探讨

韩伶俐，王腊芬

（水电水利规划设计总院，北京市西城区 100120）

对于一管多机输水方式布置的水电站，同一输水系统中各台机组是否进行同时甩负荷试验一直存在争议。本文介绍了相关规程规范要求，以及现场机组甩负荷试验的意义，探讨了一管多机布置方式水电站进行同一压力钢管机组同时甩负荷试验的利弊，并给出了建议。

水电站；一管多机；调节保证；甩负荷

0 引言

水电站的过渡过程是关系到电站安全和机组运行稳定的关键因素之一。运行经验表明，水电站机组及附属设备的事故，大多是在过渡过程中发生的，此时机组进入异常的过速和制动工况，系统中产生的动负荷大，水流的不稳定性增高，引起强烈的压力脉动、振动和水击，影响机组设备的安全稳定运行。

甩负荷试验是对输水发电系统过渡过程的重要检验方式之一。对于采用一管多机输水方式布置的电站，同一输水系统中多台机组是否进行同时甩负荷试验一直存在争议。反对做同时甩负荷试验的理由之一，同一输水系统中多台机组同时甩负荷对机组及水道系统可能产生破坏，且多台机组同时甩负荷的概率较低。同一输水系统中多台机组是否进行同时甩负荷试验，到目前为止，机组启动试验规程和相关的规范尚未对此进行明确。

1 相关规范和规定对机组甩负荷试验的要求

1.1 《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂行规定》

《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂行规定》中规定调节保证设计专题报告应对现场甩负荷试验方式提出要求，现场甩负荷试验应在设计工况范围内进行。暂行规定中定义的调节保证设计工况为在电站正常运用范围内不利的水力过渡过程计算边界条件下，电站正常运用（包括开停机、增减负荷、正常工况转换以及稳定运行等状态）或正常运用时考虑一个偶发事件（设备故障、电力系统故障等）引起的过渡工况。

1.2 《水轮发电机组启动试验规程》（DL/T 507—2014）

DL/T 507—2014规定：机组甩负荷试验应在额定负荷的25%、50%、75%和100%下分别进行，若受电站运行水头或电力系统条件限制，机组不能按上述要求带、甩额定负荷时，可根据当时条件对甩负荷试验次数与数值进行适当调整，最后一次甩负荷试验应在所允许的最大负荷下进行。而因故未能进行的带、甩额定负荷试验项目，应在以后条件具备时完成。

对长引水隧洞和长尾水洞的机组甩负荷试验，两次甩负荷试验间隔时间应按设计要求进行。

机组为非单元引水输水方式布置的电站，同一引水系统中各台机组甩负荷试验和对输水系统的考核应综合考虑，多台机组同时甩负荷试验方式按设计要求进行。

1.3 《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》（GB/T 18482—2010）

GB/T 18482—2010规定：机组甩负荷试验应在额定负荷的25%、50%、75%和100%下分别进行。

机组为非单元引水输水方式布置的电站，同一引水系统中各台机组甩负荷试验和对输水系统的考核应综合考虑，多台机组同时甩负荷试验方式按设计要求进行。

1.4 《水轮发电机组安装技术规范》（GB/T 8564—2003）

GB 8564—2003规定：机组甩负荷试验，应在额定负荷的25%、50%、75%、100%下分别进行，并记录有关参数值。

受电站水头和电力系统条件限制，机组不能带额定负载时，可按当时条件在尽可能大的负载下进行上述试验。

2 机组甩负荷试验意义

2.1 DL/T 507—2014规定的机组过速试验与甩负荷试验检查内容

2.1.1 过速试验检查内容

机组甩负荷试验前，应先进行过速试验。过速试验过程中应密切监视并记录机组各部位摆度和振动值，记录各部轴承的温升情况及发电机空气间隙的变化，监视是否有异常响声。过速试验停机后应全面检查发电机转动部分有无松动、移位或脱落，焊缝是否有开裂现象；检查发电机定子基础及上机架千斤顶的状态，发电机上下挡风板、挡风圈、导风叶是否有松动或断裂；其他相关检查。

2.1.2 甩负荷试验检查内容

机组甩负荷试验测量参数：机组转速、导叶开度、导叶关闭时间、接力器活塞往返次数、调速器调节时间、蜗壳实际压力、真空破坏阀开启时间、尾水管真空度、机组振动和摆度值、调速器永态转差系数、转轮叶片关闭时间及角度（仅转桨式机组）、转动部分上抬量、上下游水位。

机组甩负荷试验应录制过渡过程的各种参数变化曲线及过程曲线，记录各部位推力轴承和导轴承瓦温的变化情况。机组甩25%额定负荷时，记录接力器不动时间。检查并记录真空破坏阀的动作情况与大轴补气情况。检查水轮机调速系统的动态调节性能，校核导叶接力器紧急关闭时间、蜗壳水压上升率、机组转速上升率等，均应符合设计规定。在额定功率因数条件下，水轮发电机组突甩负荷时，检查自动励磁调节器的稳定性和超调量是否符合规定。

对于转桨式水轮机组甩负荷后，应检查调速系统的协联关系和分段关闭的正确性，以及突然甩负荷引起的抬机情况。

2.2 机组过速试验和甩负荷试验的意义

机组过速试验和甩负荷试验时，机组进入异常的过速和制动工况，由此引起的机组振动和摆度值远超正常运行工况。

机组过速试验时，机组活动导叶处于小开度的工况，此时机组不输出有功功率，导叶开度较小，水道系统流速较低，导叶关闭引起的水道系统水击压力较小。对常规电站，一般过速试验时的转速高于机组甩负荷最大转速上升值5%（绝对值），可以有效考核机组各部位摆度振动值、发电机空气间隙、转动部件强度等。对于蓄能电站，机组转速上升时，水泵水轮机产生的离心力导致转轮过流能力明显降低，机组转速难以上升至设计规定值，因此GB/T 18482明确规定“具有明显水泵水轮机‘S’特性的机组，以上述方法无法将机组转速上升至设计规定值时，过速试验对机组转动部分的考验可用甩负荷试验替代”。

机组甩负荷试验时，导叶开度大，水道系统流速高，导叶关闭引起的水道系统水击压力大，水流的不稳定性增高，水道系统压力急骤上升和下降，同时机组转速上升，除考核机组各部位振动摆度值、发电机空气间隙、转动部件强度外，还特别检验导叶关闭规律、水道系统及水轮机过流部件承压能力、顶盖振动、调速器参数及调节性能等。

2.3 一管多机输水系统单机甩负荷和多台机组同时甩负荷的差异

同一水道系统单机甩负荷和多台机组同时甩负荷，水道系统流速变化差异很大，导叶关闭引起的水道系统水击压力差异也很大，与一台机组甩负荷工况相比，多台机组同时甩负荷工况蜗壳压力上升和尾水管压力下降更大，其次机组转速上升也大一些，由此引起的机组振动摆度更严重，转动部件和承压部件承受更为严格的考验。

以清远抽水蓄能电站机组甩负荷试验为例，4台机组不同组合工况机组甩负荷试验实测值见表1。

表1 清远蓄能电站机组甩负荷试验实测值Tab.1 Measured values of load rejection test of Qingyuan pumped storage power station

3 非单元引水输水布置方式机组甩负荷试验

3.1 非单元引水输水布置方式

非单元引水输水系统布置方式，首先要区分开的是一洞一室多管多机布置，还是一洞一室一管多机或一管多机布置。

一洞一室多管多机布置方式，通常是一条引水洞接一个调压室，从调压室向后，单管单机、单管二机，二管四机等布置方式，这种布置方式一根压力钢管最多接2台机组，与一管多机布置方式有本质上的差异。

一洞一室一管多机或一管多机布置，本文特指一根压力钢管接三台及以上机组的布置方式。采用一管四机布置方式的国内的抽水蓄能电站有：广蓄一期、广蓄二期、惠蓄一厂、惠蓄二厂、清远蓄能等。国外采用一洞一室一管多机布置的电站也较多，如英国的迪诺威克蓄能电站（一洞一室一管六机）和日本的奥美蓄能电站（一洞一室一管四机）等。

3.2 一洞一室多管多机布置方式机组甩负荷试验

以一洞一室二管四机布置方式为例，机组甩负荷试验只进行同一压力管道上的2台机组同时甩负荷试验就可以；同一调压室的4台机组同时甩负荷，虽然调节保证极值大于2台机组同时甩负荷工况，但由于设置了调压室，调压室是自由水面，能反射和抑制水击压力，因此虽使调压室涌浪幅度加大，但机组调节保证极值增加不多，只要调压室设计高度和通气面积足够，调压室涌浪幅度增加不会产生不可预见的安全问题。

3.3 一管多机布置方式机组甩负荷试验

3.3.1 常规电站一管多机布置方式机组甩负荷试验

近几年新建的常规电站，一般过速试验时的转速高于同一压力管道机组全部甩负荷的最大转速上升计算值，机组各部位摆度振动值、发电机空气间隙、转动部件强度等通过过速试验可以得到有效考核。水轮机主要承压部件如蜗壳、进水阀，均按钢制压力容器标准进行设计、制造和检验，压力钢管的设计、制造均满足相关规程规范要求，焊缝的检测手段比较可靠。此外，进水阀一般均进行试验压力不小于1.5倍设计压力的水压试验，部分电站蜗壳也进行了1.5倍设计压力的水压试验，出现不可控制事故的可能性较小。

若水道设计不合理，输水发电系统过长而未设置调压室，则机组甩负荷工况存在安全问题。若尾水压力管道过长、水轮机安装高程偏高，机组甩负荷时尾水管和顶盖部位可能会出现液注分离现象，发生强烈的反水锤，轻则导致机组顶盖部位水压反复震荡，引起顶盖振动值偏大，还可能产生抬机破坏机组，更严重的可能发生顶盖被强大的水压顶开，出现水淹厂房等恶性事故。若上游侧输水发电系统过长，蜗壳、进水阀、压力钢管设计压力偏小，没有按同甩负荷的压力上升值考虑，则同一压力管道机组全部甩负荷时存在压力管道等破坏的安全隐患。

对于常规电站，一管多机布置方式多台机组同时甩负荷试验对压力管道、进水阀、蜗壳、尾水管等过流部件的承压能力可进行有效考核，对机组顶盖等过流部件的承压能力和机组转动部件强度的考核意义则相对较小。如果单台机组甩负荷试验数据验证了调保计算值的准确性，则机组调节保证设计值通常能满足要求，一管多机布置方式电站进行多台机组同时甩负荷试验意义有限。

3.3.2 抽水蓄能电站一管多机布置方式机组甩负荷试验

对于蓄能电站，机组进行过速试验时，水泵水轮机产生的离心力导致转轮过流能力明显降低，机组转速难以上升至设计规定值，通常蓄能电站机组过速试验转速上升值仅110%～120%额定转速，而机组甩负荷试验转速上升值超过130%额定转速，抽水蓄能电站机组过速试验时的转速远低于机组甩负荷工况，机组各部位摆度振动值、发电机空气间隙、转动部件强度等不能通过过速试验得到有效考核。

机组甩负荷过程中管道内水击压力的产生来自流量变化。对常规水轮机，其流量变化基本取决于导叶开度的变化。对可逆式水泵水轮机，其流量受导叶开度和机组转速的双重影响。可逆式机组转速变化对水泵水轮机过流量影响较大，特别对于高水头/扬程的可逆式水泵水轮机，当转速升高时，离心力急剧加大，水泵水轮机流量和转轮前后压力将出现较大幅度的震荡，从而引起蜗壳和尾水管内较大的压力脉动。

可逆式机组甩负荷时导叶可采用先快后慢、先慢后快、导叶延时关闭等分段关闭规律。但无论导叶采用哪种关闭规律，由于导叶关闭时间较长，离心力导致的转轮前（蜗壳、顶盖等部件）后（尾水管）压力急剧上升和下降已经发生，机组顶盖等部件承受的压力较大。

采用一管多机布置方式的抽水蓄能电站，同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验，对压力管道、进水阀、蜗壳、尾水管、顶盖等过流部件的承压能力和机组转动部件强度均能进行有效考核。

4 一管多机布置方式机组同时甩负荷试验几点看法

4.1 一管多机布置方式机组同时甩负荷概率比单台机组甩负荷低

单台机组甩负荷概率较高，相关的任何一个设备或接入系统故障，都可能导致机组甩负荷。多台机组同时甩负荷的概率比较低，对一回出线的电站，一般电网故障或送出线路故障将导致机组同时甩负荷；对于采用一管多机布置方式、二回以上出线的电站，多台机组同时甩负荷概率相对较低。

4.2 同一压力钢管多机同时甩负荷比单机甩负荷风险高

同一压力钢管多台机组同时甩负荷与一台机组甩负荷相比，上游过流部件承受更高的压力上升或压力下降，机组转速上升也有增加，由此引起的机组振动摆度更严重，接近或超过机组和水道系统的设计工况。一管多机布置方式的蓄能电站，水力系统及机组的边界条件更为复杂，数值模拟计算中机组模型全特性曲线数据、导叶开度与接力器行程关系曲线数据、机组模型与原型相似关系均可能存在一定的误差，特别是水泵水轮机还存在某个区域的不稳定工况，给调节保证计算的准确性造成相当的难度。同一压力钢管多台机组同时甩负荷，对机组转动部件强度、过流部件承压能力均是更为严格的考验，机组出故障概率更大，是否需要进行同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验应进行充分的论证。

4.3 同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验可以防患于未然

同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验，对水道系统、机组、电网有较大的冲击，存在一定的风险，但这些风险是设计中应该考虑的，且风险是可控的。

4.3.1 准确预测最严重的工况是否满足调节保证设计要求

同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验之前，机组已进行多次甩负荷试验，根据试验工况的试验实测值和复核计算成果，可以充分验证机组调节保证计算的准确程度，分析各工况机组甩负荷时相关参数和极值与调节保证计算成果的关系，从而预测最严重的工况是否满足调节保证设计要求，以确保机组及水道安全。

4.3.2 采取适当措施预防事故发生

分步试验过程可提前发现不符合调节保证计算的预期值并采取相应措施（如蓄能机组压力脉动超过预期值，可增加压力脉动的修正值）；若甩负荷试验发现调节保证设计值裕量偏小，如转速上升值小而蜗壳压力很大或尾水真空度数值较大，可采用调整导叶关闭规律、延长导叶关闭时间等措施解决，反之则采用缩短导叶关闭时间等措施解决。对于转速上升值和蜗壳压力值均超过设计保证值时，则应停止试验，分析原因，研究解决的办法。

在采取调整导叶关闭规律等措施后，根据试验和计算成果，判断蜗壳压力值或尾水管真空度可能超过设计值，可在上游水位较低或下游侧水位较高时进行甩满负荷试验，根据试验结果复核上游正常蓄水位或下游低水位时，蜗壳压力或尾水管真空度能否满足设计要求。

4.3.3 制定事故处置预案

试验前，电站将进行充足的准备工作，并制定事故处置预案，试验过程中若发生事故，现场人员将按事故处置预案，及时采取合适的措施，防止出现更大的事故。试验后停机检查机组转动部分和螺栓是否松动，固定部分连接是否紧固，顶盖螺栓是否出现松动或变形，若发现问题应及时处理，可有效避免事故扩大。

4.3.4 预防机组投运后出现事故

试验时配有完善的测量、监控仪器，仪器仪表均经过率定，可有效分析试验过程中出现的各种状况，通过试验可为以后电站运行提供有力的技术支撑。

4.4 同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验的意义

（1）虽然目前采用多种多样的模拟数值计算分析软件都可以对一管多机甩负荷过渡过程预测计算，其成果可作为工程现场试验的实际运行时参考。但实际的一管多机同时甩负荷后的压力波分布情况和机组转速上升仍有待试验时进一步验证。

（2）及时发现机组设计、制造、安装和输水发电系统设计、施工过程中的质量问题和隐患，工程建设各方均还在现场，问题处理较投产运行后要快捷。

（3）同一压力钢管多台机组若未进行同时甩负荷试验，机组运行过程中出现多台机组同时甩负荷的故障，需要对所有机组进行细致全面的检查，确认无误后再投入运行。做过同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验之后，机组和流道经受了全面考验，机组运行过程中若出现类似的事故，根据安全监测、监控系统信息对相关设备、设施进行检查、处理，可不对所有机组、输水发电系统进行全面的检查。

（4）同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验，对水道、机组、电气设备、各辅助系统均进行了全面考验，为电站机组实现全水头、满负荷方式运行创造条件，提供有力的技术支撑，给机组更好地为电网安全稳定运行服务奠定坚实基础。

5 结束语

（1）根据相关规范对机组甩负荷试验要求，一管多机布置方式的电站，机组甩负荷试验方式按设计要求进行。是否进行同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验由工程设计单位提出要求，若工程设计单位经分析论证，确认同一压力钢管多台机组同时甩负荷是校核工况，出现的概率极低，且工程设计单位和制造厂复核的机组调保设计各项参数均能满足设计和合同要求，并得到业务主管部门认可，则不必再进行多台机组同时甩负荷试验。

（2）对于可逆式机组的抽水蓄能电站，若同一压力钢管多台机组同时甩负荷工况属设计工况，建议进行多台机组同时甩负荷试验。

（3）对常规电站，即便只有一回出线，若已进行较高转速的过速试验和蜗壳水压试验，且工程设计单位和制造厂复核的机组调保设计各项参数能满足设计和合同要求，并得到业务主管部门认可，可不进行多台机组同时甩负荷试验。

（4）同一压力钢管多台机组是否进行多机同时甩负荷试验应充分听取业主的意见，工程建设单位、工程设计单位和电力系统应充分协商。进行同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验，在试验前应做好充分的准备和应急预案；对于不进行同一压力钢管多台机组同时甩负荷试验的电站，应在运行规程中明确规定，运行过程中若出现此类工况，机组不能立即投入运行，在对机组和流道进行安全检查，并确认无误后才允许再次投入运行。

（5）建议业务主管部门尽快完善相关规程规范的修订，增强可操作性。

（6）同一输水系统内的多台机组同时甩负荷时，各台机组产生的压力波在高压输水系统中传播时产生干扰，压力波可能相互叠加，也可能相互削弱。如果压力波相互削弱，则对水力系统的安全有利，可降低同一钢管内的多台机同时甩负荷时的最大压力上升值。如果压力波相互叠加，则可能威胁水力系统的安全运行，给输水系统带来隐患。

同一输水管道内的多台机组采用不同的导叶关闭规律，能使机组甩负荷时的压力波峰互相削减，从而更容易满足调节保证设计的要求。建议对一管多机的输水发电系统，开展各台机组采用不同关闭规律的调节保证计算研究工作。

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Discussion on Simultaneous Load Rejection Test of One Pumped Multi Station in Pumped Storage Power Station

HAN Lingli，WANG Lafen
(Planning and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Beijing 100120, China)

For a hydropower station which is arranged in a pipe with multiple machines， whether or not the unit is carried out at the same time， the load rejection test has been controversial.The article introduces the relevant regulations and requirements，the significance of load rejection test field unit， discusses the advantages and disadvantages of hydropower more than one machine layout of station of the same pressure pipe unit and load rejection test， and suggestions are given.

hydropower station； one tube multi machine；regulation guarantee

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.010

2016-10-23

2016-12-30

韩伶俐（1971—），女，教授级高级工程师。主要研究方向：水利水电工程水力机械专业的审查、咨询、设计和研究工作。

王腊芬（1963—），女，高级工程师。主要研究方向：水利水电工程控制保护和通信专业的审查、咨询、设计和研究工作。