抽水蓄能电站一洞四机同时甩负荷的研究与试验结果的分析

王庆，陈泓宇，德宫健男，黑川敏史

（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2. 清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853；3.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045）

抽水蓄能电站一洞四机同时甩负荷的研究与试验结果的分析

王庆1，陈泓宇2，德宫健男3，黑川敏史3

（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016；2. 清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853；3.株式会社东芝，日本横滨市 230-0045）

同一高压输水系统内的四台机组同时甩负荷试验在国内外抽水蓄能电站都极为罕见，本文以清远抽水蓄能电站为例，对一洞四机同时甩负荷试验结果进行分析，并对一洞多机布置形式应注意的相关技术问题进行阐述，对今后类似电站现场试验和工程建设提供借鉴和参考。

清远抽水蓄能机组；四台机同时甩负荷试验；一洞四机；一洞多机

0 引言

长引水式一洞多机水路系统的机组甩负荷试验是重中之重的工作，稍有不慎就会酿成灾难性的后果。现阶段国内外大多数抽水蓄能电站在地下厂房选址时一般都会采用一洞多机的布置形式，为了确保电站能安全稳定运行，根据电站实际情况开展多机同时甩负荷试验以及对调节保证计算结果进行验证显得尤为重要。清远抽水蓄能项目采用了“一洞四机”的布置形式，4台机组同时甩负荷试验的顺利通过，让清远抽水蓄能项目至此达到了国内外抽水蓄能领域的顶峰。

清远抽水蓄能电站（以下简称清蓄电站）位于广东省清远市的清新县太平镇境内，装有4台单机容量（发电工况）为320MW的可逆式蓄能机组，其中4台水泵水轮机均采用长短叶片转轮（一种沿圆周方向交替布置长叶片和短叶片的新型转轮），属日调节型纯抽水蓄能电站。第4号机组于2016年8月30日正式投入商业运行，标志着清蓄电站4台机组全面投产。

清蓄电站的特别之处在于，引水系统布置采用一洞四机形式，且上游长引水隧洞不设调压室，4台机组共用一个下游尾水调压室。500kV地面开关站目前只设置一回500kV清花甲线，在线路跳闸的情况下，清蓄电站所有运行机组将甩负荷跳机。

为了验证甩负荷时所有机组的相关参数满足调节保证计算要求，确认相关控制和保护逻辑满足设计要求，确保机组及水道安全，清蓄电站于2016年8月23～25日进行了发电工况下四台机同时甩25%、50%、75%和100%负荷试验。试验一次性顺利完成，且测量的主要参数数值与理论计算结果较为接近（蜗壳最大压力、尾水压力误差在5%以内，最大转速上升率的误差在3%以内），均在要求值范围内，机组各振动摆度及轴承温度变化趋势正常稳定。[1][2]

1 电站基本参数

清蓄电站上游水库正常蓄水位612.5m，死水位为587.0m；下游水库正常蓄水位137.7m，死水位108.0m。水泵水轮机毛水头/毛扬程范围504.5～449.3m，水轮机工况额定水头470m，额定转速428.6r/min，水轮机额定功率326.5MW，水泵最大输入功率331.0MW，吸出高度-66m，转轮公称直径2.242m。水泵水轮机进水阀为球阀。

电站引水系统从上库进/出水口中心线至引水钢筋混凝土岔管中心线长约1692.46m，引水隧洞内径为9.2～8.5m，岔管后接高压钢支管直径4.0m，长约132.54m。尾水系统（包括下水库进/出水口）长约1013.687m，尾水支管管径为4.5m，尾水隧洞洞径为9.2m。其中最长管路的1号机组输水系统总长约为 2939.341m。[3]

电站过渡过程计算所采用的水路模型如图1所示。

2 电站过渡过程计算分析成果

2.1 水泵水轮机合同规定的机组调节保证值

清蓄电站水泵水轮机合同中规定的机组调节保证值为：发电电动机和水泵水轮机的转动惯量GD2不小于6010t·m2，在各种组合工况过渡过程中，机组最大转速（含计算误差）不大于1.45倍额定转速，蜗壳进口中心线处的最大压力值（含压力脉动和计算误差）不大于780m水头，转轮出口处最小水压值不少于12m水头（绝对压力）。

图1 清蓄电站水路系统计算模型Fig.1 Calculation model of Qingyuan power station water system

2.2 针对输水系统进行的电站过渡过程计算成果

清蓄电站水泵水轮机模型验收试验于2011年5月至7月在瑞士洛桑联邦理工学院的第三方中立试验台顺利完成，各项指标均满足合同要求。采用该模型的完全特性数据及东芝水电设备（杭州）有限公司（以下简称东芝公司）独立开发的水力过渡过程计算程序，同年10月东芝公司提交了清蓄电站的水力过渡过程计算报告。

通过对控制工况的多种导叶关闭规律下的甩负荷过渡过程进行的计算及结果比较，及各方共同召开的多次专题会议的商讨结果，确定了水轮机甩负荷工况下活动导叶采用先快后慢的2段折线关闭模式，进水球阀采用1段关闭模式，且关闭时间慢于活动导叶的关闭时间。具体关闭规律如图2所示。计算结果表明，机组最大转速、蜗壳进口最大压力和转轮出口最小压力等参数均满足合同的要求。

经过计算分析，导叶采用先快后慢2段折线关闭规律，即可以有效地抑制机组的转速上升，同时又可以有效地控制蜗壳的最大水压上升，还可以避免尾水水压的急速下降。清蓄电站上游长引水隧洞缺少调压室，上库高水位的部分工况下，闸门井的涌浪水位会超出允许高程，同时关闭球阀，对闸门井的涌浪水位能取到一定的缓和作用；特别是在下库水位较低时，在水轮机相继甩负荷发生延时的特殊工况，若不同时关闭球阀，会出现尾水压力大幅度下降。因此，在清蓄项目中球阀采用了随动关闭方式，比导叶关闭时间稍长[4][5]。

图2 清蓄电站水轮机工况甩负荷时导叶和进水阀的关闭规律Fig.2 The closing law of wicket gate and inlet valve

图3 U1号机组导叶关闭折点确认Fig.3 The closing turning point of unit1 wicket gate

2.3 水轮机甩负荷时导叶关闭规律的确认

水轮机甩负荷时导叶采用先快后慢的2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2.41s）关至76% 折点位置；第二段为慢关，总关闭时间约69.1s。导叶与进水球阀同时进行关闭，进水球阀关闭设计时间为70.5s，包括不动作时间0.5s，详见图2。

原型机甩负荷试验的现场实践表明，机组导叶关闭规律与理论计算的一致性是尤为重要的。为保证机组关闭规律能最大限度地与理论计算一致和试验安全，四甩前对导叶关闭规律进行了专项检查， 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%，关闭斜率与理论计算基本一致。其中1号机组的现场调试关闭规律如图3所示[6]。

3 四台机同时甩负荷试验成果分析

3.1 4台机组甩25%、50%、75%负荷试验结果

2016年8月23～24日，分别进行了4台机组发电带25%、50%、75%负荷的甩负荷试验，4台机同时甩25%、50%、75%负荷试验结果均满足合同调节保证值的要求，且试验结果与理论计算值基本一致。线路跳闸后导叶关闭规律与ESD（机组甩负荷）一致，各机组轴承温升正常，机组各部件检查无异常，可以继续100%甩负荷试验。甩后数据见表1。

3.2 4台机组发电带100%负荷的甩负荷试验

2016年8月25日11：54，4台机进行了同时甩100%负荷试验。当时的上库水位602.76m、下库水位122.67m，毛水头480.09m。试验结果中，4台机组蜗壳水压振动周期、波形衰减趋势一致，最大值7.096MPa（723.6m）出现在引水管路最长的1号机组，时间大约在8.0s左右；4台机组的尾水管水压波形变化也趋于一致，最小值约为0.463MPa（47.2m）也出现在引水管路最长的1号机组，时间大约在7.5s左右；转速上升峰值与计算值接近，峰值出现的时间与理论计算时间均约在6.5s左右。综合表2可知，本次试验中蜗壳最大压力、尾水管压力实测值与理论计算值的误差在5%以内，最大转速上升率的误差在3%以内，所有参数指标均在模拟计算所控制的理论极限区间之内。

表1 四台机甩25%、50%、75%负荷时的试验数据Tab.1 The results of four units in 25%，50%，75%load rejection test

由图4可知，4台机组导叶关闭折点均在76%附近，快关与慢关斜率与理论趋势一致。说明调速器的一次调频在线路跳闸机组甩负荷过程作用明显，4台机组相当于线路一跳闸，立即同步关闭导叶。

表2 四台机组甩100%负荷时的计算结果和试验实测数据对比Tab.2 Comparison of the calculated results and the test data of four units in 100% load rejection

图4 四台机组甩100%负荷时转速变化趋势图Fig.4 The speed trend diagram of four units in 100% load rejection test

由于水压脉动的影响，现场试验的测量结果均为脉动压力曲线，而计算机模拟结果尚无法模拟真实的水压脉动，为了更直观的进行比较，在确认了1、2、3、4号机曲线衰减趋势几近一致的前提下，随机选取了1号机组的试验结果进行对比。

在和现场试验同样的条件下，通过解析计算捕捉到的模拟波形和现场测定的波形的振动周期、波形衰减趋势均良好吻合，计算结果数值与试验测量值较为接近，且误差较小，均在合同保证值范围内。

4 水泵水轮机导叶关闭规律的选取对甩负荷时压力变化的影响

对于复杂的一洞多机管路的高水头水泵水轮机，从水轮机工况到反水泵工况区即S字区，机组甩负荷时在这一区域的水压变化较大，特别是当转轮本身具有较强的S字特性时，就会使得甩负荷过程中水压的上升变大。因此事前对导叶关闭进行深度优化，是控制水压变动和转速变动的最有效方法之一。

图5 四台机组甩100%负荷时蜗壳压力变化趋势图Fig.5 The spiral case pressure trend diagram of fourunits in 100% load rejection test

图6 四台机组甩100%负荷时尾水压力变化趋势图Fig.6 The tail water pressure trend diagram of four units in 100% load rejection test

水泵水轮机发电工况甩负荷时，导叶采用二段折线关闭的基本方法一般为，在蜗壳水压和尾水管水压值所允许范围内的前提下，导叶第一段关闭应尽可能地关到导叶开度较小的位置，以使转速上升最大处的导叶开度尽可能的小，这样能够有效地抑制住压力脉动，也能抑制S字特性区域里水压上升第二波的水压变动。若是导叶采用一段关闭规律，那么一开始导叶就会进入开度相对较大的区域，该区域水压变动大，想要有效控制水压的上升就会比较困难[7]。

图7 1号机甩100%负荷的计算结果趋势图Fig.7 The caculation result trend diagram of uint1 in 100%load rejection test

清蓄电站转轮的S区域不明显且远离正常运行范围，低水头并网试验全部为一次性成功，从导叶开启到无负荷开度的过程，据现场试验的曲线波形来看，水压的变动和转速上升都是以平缓、安定的状态运行的。正是由于清蓄转轮自身所具备的优越性能和合理的导叶关闭规律的选取，才有效地将各主要参数值控制在要求值范围内，使得甩负荷试验得以一次性成功通过。

特别要注意的是，选择导叶二段折线关闭时，第一段的关闭折点也不能无限制地关闭到小导叶开度的位置，一定要结合此时尾水管水压等参数的变化进行综合考虑。

5 一洞多机水路内循环水流的相互干涉问题

图8 导叶1段关闭和2段折线关闭的运行轨迹对比Fig.8 Comparison of different guide vanes closure law

图9 一洞两机水路内的循环流干涉示意图Fig.9 Schematic diagram of circular flow interference in a hole two units

一洞多机水路由于各号机组的管路相互连通，互相之间多少会产生影响，使得它和一台机单独甩负荷时产生的现象有所不同。比如一洞多机的水路系统中，一台机甩负荷，另外的机组继续运行的时候，甩掉负荷的机组引起的水压上升会作为额外水头瞬时叠加到其他机组上，这也是其他继续运行的机组的输出功率会瞬间大幅增加的原因之一。

对于一洞多机水路内存在着循环水流相互干涉问题，东芝公司对此也进行过深入的研究。当管路系数F=L/A时，电站整个输水管路各部（F1、F2、F3、F4）的长度设计不合理时也会使分支管内的循环流叠加，导致尾水路侧的水锤波振幅变大，这样的情况下容易发生水柱分离现象。

清蓄电站一洞四机水路，高压引水侧支管4分岔，尾水侧支管也是4分岔，其中管路系数分别为：1号机组 F2＞F3，2 号机组 F2＞F3，3 号机组 F2＜F3，4 号机组F2＜F3。由于1、2号机和3、4号机的管路系数正好两两对称，相互平衡，使得4台机的水路压力变动得到了同期化，避开了管路间的循环流干涉现象[8][9]。

6 结束语

本文着重对清蓄电站水泵水轮机的甩负荷试验进行了论证和分析，但在实际工程中，清蓄电站在水泵抽水断电工况也进行了严格的现场试验，试验结果与计算结果也几乎一致，完全满足各项保证值的要求。

通过与清蓄电站四台机同时甩负荷现场试验结果的对比，验证了东芝公司水力过渡过程模拟程序、相关修正取值和导叶关闭规律的合理性和准确性。

清蓄电站四台机同甩试验的成功，机组各项性能指标满足要求、稳定性优越，表明了东芝公司长短叶片转轮在蓄能电站上得到成功应用，也验证了清蓄电站的实体质量能够经受住严格的考验，为电网安全稳定的运行服务奠定了坚实基础。同时为国内外一洞多机的布置形式提供了提供安全实例，为今后水泵水轮机机组调保计算、水力设计、结构设计和一洞多机选型提供实践依据，必将对今后国内抽水蓄能电站的工程建设产生深远的影响。

[1] 陈泓宇，李华，程振宇. 清远抽水蓄能电站三台机组同甩负荷试验关键技术研究，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.CHEN Hongyu，LI Hua，CHENG Zhenyu. Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station， Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

[2] 杜荣幸，王庆，榎本保之，陈泓宇.长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽蓄中的应用，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.DU Rongxing， WANG Qing， ENOMOTO Yasuyuki， CHEN Hongyu. Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

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[9] 王林锁.抽水蓄能电站水力过渡过程调节控制研究[D].南京：河海大学，2005.

National Key Project（FGNY〔2009〕No.731）;Key Electric Power Construction Project of China Southern Power Grid Co.，Ltd（NFDWJ〔2010〕No.19）.

Test Research and Analysis of Load Rejection of Pumped Storage Power Station with Four Units in One Tunnel

WANG Qing1, CHEN Hongyu2, TAKEO Tokumiya3, KUROKAWA Toshifumi3
（1. Toshiba Hydro Power, Hangzhou, Co., Ltd., Hangzhou 310016,China; 2.CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co., Ltd.,Qingyuan 511853, China; 3. Toshiba Co.,Ltd., Yokohama 230-0045, Japan)

The load rejection test of four units in one same high pressure water delivery system at the same time is extremely rare in the domestic and foreign pumped storage power station. This article takes Qingyuan pumped storage power station as an example，analyze the load rejections test results of four units in one same tunnel， and clarify the related technical questions which we should pay attention on the layout of several units in one same tunnel， it provided experience and reference for the field test and construction building of similar Power Station in the future.

Qingyuan pumped storage units；load rejection test of four units at the same time ； four units in one tunnel； several unitsin one tunnel

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.012

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）。

2016-10-11

2016-12-29

王庆（1984—），女，2007年毕业于河海大学，7月进入东芝水电设备（杭州）公司从事水轮机设计工作。2010年至2014年间在日本东芝公司进行水轮机设计与模型开发的工作。

陈泓宇（1975—），男，工程师。清远蓄能发电有限公司运行部主任，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail： 542120791@qq.com。

德宫健男（1964—），男，1992年毕业于东京大学，株式会社东芝水轮机专家。现任东芝水电设备（杭州）有限公司常务副总经理。

黑川敏史（1960—），男，1985年毕业于东京大学，株式会社东芝水轮机专家。1985年进入东芝公司，在水力研究所从事水轮机模型试验与开发工作；1997年4月开始至今在设计部门从事水轮机转轮与水力设计工作。