机组调相压水过程中流程及控制的分析

汪 健，徐国华，马永军，李垠钢

（1. 华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200；2. 杭州富春江电力工程有限公司，浙江 桐庐311500）

1 引言

调相压水流程是将高压压缩空气注入机组转轮室内，使机组的转轮室内产生高压并将转轮室内的水位压离转轮，以满足机组转轮在空气中旋转，利用气体的可压缩特征，这样不仅减小了水轮机启动时的力矩，还降低了机组启动过程中产生的振动，因此调相压水是抽水蓄能机组流程中的一个重要组成部分。

2 调相压水系统的组成以及顺控流程

2.1 调相压水系统的组成

调相压水系统由高压气机、尾水管水位浮子测量装置系统、调相压气罐系统、蜗壳泄压阀门、压水阀门系统以及其流程转换控制系统等组成，其组成系统见图1。

图1 压水系统的组成

我厂水泵水轮机及其主要辅助设备为奥地利VATECH公司提供，水泵水轮机为立轴、单级、混流可逆式，安装高程EL52.0 m，最小吸出高度-58 m，额定轴出力为306 MW，额定净水头244.0 m，额定转速为300 r/min，飞逆转速465 r/min。机组调相压气气源采用高压气系统，额定气压为8.0 MPa，每台机组配置2个串联的调相高压气罐。机组调相压水及回水阀门组包括主压水阀、补气压水阀，尾水管水位测量装置，其布置于尾水锥管室，水位传感器为压差式传感器，直接向监控系统输出模拟量，由监控系统根据模拟量设定开关压水阀门。

2.2 压水逻辑

我厂机组有5个稳定运行工况，由静止、发电、抽水、发电调相、抽水调相组成，其中静止-抽水调相-抽水-抽水调相会涉及到调相压水系统，本压水逻辑主要介绍静止到抽水调相及抽水过程中的流程转换。

压水预条件：迷宫冷却水阀打开，导叶全关，蜗壳排气阀关闭，转轮排气阀关闭。

压水步骤：

第一步：打开调相压水进气阀，阀门全开后15 s复归开阀令，见图2。

图2 压水步序一逻辑图

第二步：关闭调相压水进气阀，阀门全关后1 s复归关阀令，见图3。

图3 压水步序二逻辑图

第三步：再次打开调相压水进气阀（反馈未收到下面尾水管信号，满足再次开阀条件，命令已发出），“尾水管水位太高&高否”或“尾水管水位低”或“尾水管水位太低”动作后1 s复归开阀令；只要尾水管水位反馈收到后，第3步执行完毕，立即执行第4步关阀，同时延时1 s复归开阀命令，见图4。

图4 压水步序三逻辑图

第四步：关闭调相压水进气阀，阀门全关后复归关阀令，见图5。

图5 压水步序四逻辑图

第五步：以上4步完成后，如果球阀全关、球阀旁通阀已全关，开启蜗壳泄压阀，阀门全开后复归开阀令。

机组在调相压水过程中，当机组转速＞10%额定转速时，且同时收到上下迷宫冷却水阀打开、导叶全关、蜗壳排气阀全关、转轮室排气阀全关信号时，调相压水阀打开15 s进行压水，若此时尾水管水位未达到停止压水高程（尾水管水位高和太高浮子均复归或者尾水管水位低或太低浮子动作），间隔1 s后调相压水阀再次打开进行压水，直到压水至尾水管水位低于停止压水高程后延时1 s自动关闭（在随后的压水保持过程中不再开启），随后在收到球阀全关、球阀工作旁通阀全关信号后开启蜗壳泄压阀，标志着机组压水成功，进入到压水保持阶段。

3 调相压水过程中需考虑的问题以及辅助设备对调相压水的影响

3.1 压水时间的控制

机组调相压水时间的控制是根据尾水管水位浮子的位置以及压水控制回路来决定的，同时也受气罐气压、尾水管部分容积、下库水位、转轮漏气量等因素的影响，根据我厂实际压水情况，目前我厂第一次压水时间为15 s，若尾水管水位未达到停止压水高程，间隔1 s再次打开进行压水。同时在具体控制中应考虑下面几个问题：

（1）为防止过度压水，当尾水管水位监测装置监测到水位低信号动作时应立即停止压气和补气，此时应保证水位监测装置的动作可靠性以及正确性。

（2）当刚开始进行压气时，主压水阀瞬间开启时，转轮室压力急剧增大，若主轴密封安装不到位时，会使主轴密封抬起，导致密封失效，因此必须对主压水阀的开启及关闭流程进行改进，延缓主压水阀的开启时间。

3.2 气压保持时间

维持转轮室的气压在调相压水过程中是一项重要的环节，若出现漏气，则压水时间必将缩短。正常情况下，当转轮脱离水面在空中旋转时，仍会有一部分空气从尾水管逆向下游，因空气经转轮带动后动能增加，经竖向气流不断扩散于水中并被水平回流带走，再有机组调相运行的用气量也将增加，这些都会造成高压气机运行时间过长，影响了高压气机的寿命。机组调相运行时主要有以下几个漏气点：

（1）主轴密封处漏气至水车室。

（2）竖向回流与水平回流引起的尾水管逸气。

（3）蜗壳排气阀排气至尾水管肘段或下库。

依据我厂机组调相压水的运行情况，因主轴密封每年都进行检修与维护，因此主轴密封处的漏气很少，但在机组抽水调相过程中，水位浮子高低的抖动，显示着机组阀门部件仍然有漏气的存在，所以我厂设置了调相压水补气阀来确保压水成功的保持。

3.3 蜗壳排气阀动作的延时性

蜗壳排气阀的作用：在机组调相运行时，将转轮室内通过导叶间隙逸向蜗壳的高压气排到下库，当机组转抽水时蜗壳内就无大量气体，保证机组转抽水的稳定性。我厂某机组在抽水调相稳态时曾发生过因压水过程中蜗壳排气阀未关导致事故停机，因机组调相压水成功后，每间隔3 min打开5 s排气，而当蜗壳排气阀不在全关位置延时10 s动作事故停机。当时某机组蜗壳排气阀从打开到关闭用了15 s，导致机组事故停机。因此蜗壳排气阀开关动作的时间是保证压水成功的一项重要指标。

3.4 尾水管浮子的灵敏性

尾水管水位测量装置布置于尾水锥管段，一般利用开放容器的液位平衡原理：上下引出平衡管液位来反映尾水管内的实际水位，其主要作用是为机组调相启动和运行时提供尾水水位信号，控制调相压气和补气。我厂尾水管设置了4个浮子，分别为水位低、太低、水位高、太高，经过对这4个尾水管浮子的研究，尾水管水位浮子的故障对压水过程中影响不大，但水位太高、水位低、水位太低信号不能复归会造成跳机，太低信号抖动也有可能影响调相过程中的正常运行。因此保持尾水管浮子的灵敏性也是决定机组抽水调相过程中的一项重要参考因素。

3.5 调相压水过程重点关注问题

（1）密切监视上、下迷宫流量是否正常，迷宫温度的变化趋势，机组技术供水系统各部冷却水流量是否正常。

（2）检查机组抽水稳态运行时的水导轴承、顶盖、上导、上机架、下导、下机架等振动摆度值是否正常。

（3）密切监视发电机滑环、定子铁心、热风、冷风、上导轴承、下导轴承、推力轴承、水导轴承温度变化趋势。

4 结束语

抽水蓄能电站的调相功能在电网中起着重要的作用，同时也是机组工况转换中的重要环节。本文主要介绍了调相压水系统的组成以及压水过程中的逻辑，并结合压水过程中所涉及到的问题进行了探讨，为机组的稳定运行提供了一些借鉴经验，同时我们有必要更深入、更详细研究抽水蓄能电站运行的各种工况，为保证设备设施的安全运行，防止设备性能劣化或降低设备失效概率提供保障。