高水头下机组抽水启动振动大原因分析

贾 巍，贾 鑫，孙 永

（1.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山064309；2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 承德068350）

1 情况简介

潘家口水利枢纽位于距河北省唐山市迁西县洒河桥镇约10km处的滦河流域，以供水为主，结合发电，兼顾防洪和旅游等综合任务。潘家口水利枢纽工程分两期施工，一期工程主要包括上水库大坝、坝后式主厂房、1台150MW常规机组及220kV高压开关站；二期工程包括3台90MW抽水蓄能机组，1座下水库闸坝，及下水库2台常规机组。上水库大坝由1座混凝土主坝及两座副坝组成。下水库枢纽位于距上水库大坝下游6km处，由下水库闸坝和河床式电站组成。下水库河床式电站安装有2台灯泡贯流转桨式机组，单机容量5MW。下水库反调节水库总库容为3168万m3，有效库容1000万m3，没有防洪库容，属日调节水库。潘家口水库承担向天津等地供水的任务，根据每日的放水任务，上水库常规机组向下水库放水，由下水库2台常规机组向下游放出相应的水量，通过这个过程，可以调节下水库水位，同时达到调节各个机组的水头参数的目的。

2 事故经过

2018年4月13 日03：00时左右，上级调度机构令潘家口电厂2台机组抽水。值守人员当即执行2号机组、3号机组开机抽水。当时的水库水位条件为：上水库水位223.73m，下水库水位141.05m，对应机组水头为82.68m。

图1 潘家口电厂上水库大坝及厂房剖面图

2号机组抽水启动成功，带负荷后在-75MW左右阶段停留震荡运行了约2min后自动越过该负荷区，负荷升至-86MW后平稳运行；3号机组带负荷至-73MW后震荡运行约19min，机组振动情况没有得到明显改善，值守人员向上级调度申请停机，经调度同意后停机。3号机组运行期间，当负荷在-73MW附近震荡时机组各部振动数值较大，蜗壳压力剧烈波动。针对3号机组水导轴承振动曲线及蜗壳压力曲线分析，发现3号机组水导轴承在抽水过程中振动值偏大，多次越过400μm的报警值。如图2、图3所示。

图2 3号机组水导轴承振动曲线

图3 3号机组蜗壳压力曲线

3 原因分析

潘家口电厂水泵水轮机及其辅助设备为苏尔寿（现安德里茨）公司生产，水泵水轮机型号为HLN80-LJ-553，转轮标称直径为5600mm，吸出高度为-9m，导叶全开时机械角度为41.6°，工作水头范围为85.70～43.00m。该机组为可变速机组，在水泵工况时，根据水头高度不同，有2个额定转速可选，分别为 142.8r/min和125r/min。

经过查看事故发生前后监控系统历史数据可知，2018年4月13日3号机组抽水启动时，水头高度约为82.98m，已经接近最大水头；导叶开度为66.75%左右，此时导叶机械角度为27.8°。事故发生前数日3号机组抽水启动时水头及导叶角度数据对比如表1所示。

由水泵水轮机的水泵工况扬程特性曲线可知，水泵水轮机抽水启动时，在高扬程、小流量范围内有1个驼峰区，在驼峰区内运行，机组的水力性能不稳定，容易出现蜗壳压力波动大，机组振动大的情况。由3号机组泵工况扬程特性曲线可知，此次事故发生时，3号机组在驼峰区内运行，从而导致事故的发生。3号机组泵工况扬程特性曲线如图4所示。

表1 3号机组抽水启动水头及导叶角度统计

图4 3号机组泵工况扬程特性曲线

4 问题处理与预防

从扬程特性曲线图中可看出，驼峰区处于高水头、低流量的情况下，故在水轮机的设计与选型时，应特别注意留取水泵水轮机最高扬程对应的点与驼峰区开始点之间的安全裕度，其值不应小于最大扬程的3%。

潘家口电厂所设置的抽水蓄能机组在设计选型时，驼峰区安全裕度选取量不足，导致在水头接近最高设计水头时，机组可能进入驼峰区运行，影响机组水力性能的稳定性。在不考虑抽蓄机组进行全方面改造的情况下，应调整调速器参数，控制导叶开度，以防止机组进入驼峰区内运行。考虑到潘家口电厂所处潘家口水利枢纽兼顾防洪任务，上水库水位较高时，机组主要承担泄洪任务，高水头抽水启动的次数有限，故潘家口电厂暂时未修改调速器参数，而是通过上、下水库常规机组的配合运行，提高下水库水位，以降低机组的水头高度，使机组抽水启动时避开驼峰区运行，避免了此类事故再次发生。

5 结束语

近年来，随着电网的进一步加大，核电、风电机组的容量增多，抽水蓄能机组在电网中的重要性也与日俱增。抽水工况是抽水蓄能机组一个重要的运行工况，机组抽水启动、运行的稳定性也引起人们的极大关注。

本文通过对潘家口电厂3号机组抽水启动时发生的一起事故进行详细的分析研究，找到了事故发生的原因，并且提出了避免此类事故再次发生的预防措施。希望通过本文，能够引起人们对驼峰区安全裕度这一重要参数的重视，也能够给存在相似问题的水电厂提供一个解决问题的思路，根据理论和实践，找出相应的规律，避免机组进入驼峰区，以保证机组的安全稳定运行，从而发挥出抽水蓄能机组在电网中应有的作用。