抽水蓄能电站过渡工况中水力参数的采集与分析

摘要：分析了水锤现象、机组转动惯量及导叶开启/关闭时间对某抽水蓄能电站机组过渡工况的影响，选取机组100%甩负荷电气事故停机试验、水泵工况下电气事故停机试验的过渡工况进行了数据分析，为机组运行提供数据参考，为设计人员对机组或辅助设备进行设计优化提供依据。

关键词：水力参数;过渡工况;现场试验;水锤;转动惯量

0 引言

国内某抽水蓄能电站的单机容量为250 MW，总装机容量为6×250 MW，为全国产化机组。在机组进行无水调试、有水调试和整组启动试运行调试过程中，通过采集水力数据可实时对机组在调试阶段各工况的水力状态进行监测，根据实时数据可评估各种试验风险，灵活指导下一步调试工作，并为今后机组运行提供数据参考，为设计人员对机组或辅助设备进行设计优化提供依据。本文将对该抽水蓄能电站在调试期间的特殊工况现场采集的水力数据进行分析，探讨影响过渡工况的因素，并据此提出一些建议。

1 影响过渡工况的因素

正常并网运行的水轮发电机机组频率不变，功率不变，假设净水头不变，机组是在满足设计要求情况下的某一稳定工况下运行，此时输入功率与输出功率平衡，当输入功率或输出功率有变化时，就会出现过渡工况。机组从一个稳定工况到另一个稳定工况的中间过程即为过渡工况。

1.1    水锤现象对过渡工况的影响

水锤是发生在水电站引水系统中的非恒定流现象，当水轮发电机的输入功率与输出功率不平衡时就会产生水锤现象。水锤现象会造成水力参数的激烈变化，受影响最明显的位置为导叶前后、转轮进水侧和出水侧。当转轮进水侧和出水侧压力脉动聚变时，会引起顶盖剧烈振动，严重时可影响到机组的安全运行。

1.2    转动惯量对过渡工况的影响

并网机组在稳定工作状态下，即机组以恒定的功率和功率因数匀速运行，水的势能-旋转机械能-电能之间能量转换平衡。当机组输入功率发生变化时（包括抽水和发电工况），能量转换出现不平衡状态，导致机组输出功率变化。在机组正常及非正常开/停机、负荷调整等工况转换时，球阀及调速器此时为了满足负荷调整需求而快速动作，产生水锤现象，造成流道压力脉动增大，供电质量下降。特别是在机组100%甩负荷时，机组转速上升值最大，在此过渡过程中，机组的转动惯量GD2与机组升速有一定的关系，GD2越大，机组转速上升率越小，在过渡工况中振摆数值也越小，提高了机组稳定性，同时机组响应速度也会降低。但根据相关参考文献可知，GD2取值存在最大临界点和最小临界点，在临界范围外取值，若GD2过大，则机组经济性差，且机组转速上升率改善不明显;GD2过小，则机组响应速度提升有限，且机组稳定性能差。在临界范围内增大GD2可以在一定程度上降低调保参数，缩短调节时间。

1.3    导叶开启、关闭时间对过渡工况的影响

根据上述水锤形成的原理，水轮机组同期并网后增加负荷，机组转速不变，不难得出以下结论：在机组增负荷过程中，导叶开启越快，引起的负水锤越大，蜗壳末端的最小动水压力将越小，尾水管进口的最大动水压力也将越来越大;在机组减负荷时，导叶关闭越快，引起的水锤越大，蜗壳末端的最大动水压力将越大，尾水管进口的最小动水压力也将越来越小;当机组因电气事故停机时，导叶关闭最快，此时压力也达到极限值。在水泵工况时，为了提高经济性，一般导叶在全开状态下工作，产生的大波动过渡过程为水泵断电，调速器动作，快速关闭导叶，此时也会在蜗壳末端形成负水锤。

以上分析结果表明，导叶的开启和关闭时间在过渡工况下必须满足调保计算参数要求。根据相关参考文献可知，在一个电站有多台机组情况下，单台机在满负荷运行时，导叶开度应小于88%，当单台机在满负荷运行导叶开度超过88%时，一旦出现水锤效应，可能会出现调节失效的后果。

2 现场试验的水力参数分析

电站现场试验水力参数采集的数据种类较多，很多数据如尾水进口压力和尾水出口压力波形变化趋势一致，实时差值可忽略不计。由于本文主要围绕过渡工况，讨论其与水锤现象、机组转动惯量及导叶开启/关闭时间之间的关系，所以選取了导叶开度、机组转速、机组有功功率、蜗壳末端压力、尾水出口压力等5个典型数据进行讨论，选取机组100%甩负荷电气事故停机试验、水泵工况下电气事故停机试验的过渡工况进行数据分析。

2.1    机组100%甩负荷电气事故停机试验

机组100%甩负荷电气事故停机试验的甩负荷过渡工况录波如图1所示，导叶开度与蜗壳末端压力关系如图2所示。

从图1、图2可知：导叶在GCB断开0.3 s后动作，分两段关闭，第一段关闭时间为11 s，第二段关闭时间为10 s，导叶在15.2 s后开度降至20%（转速为305 r/min），总关闭时间为21 s;转速在5.7 s后升至最高速度399.6 r/min，18.7 s后，转速降至额定转速300 r/min，导叶开度为8.4%。蜗壳末端压力最大为4.026 MPa，波动区间为0.7 MPa，尾水进口压力最小为0.373 MPa，波动为区间0.54 MPa。从现场采集数据分析可知，导叶关闭及时，在15.2 s时导叶关闭至开度为20%（机组空载开度）时，机组转速因导叶开度无法维持转速上升，这时即使保持原开度，转速也会低于额定转速。水锤效应在一个周期后基本消失，但在此过程，蜗壳末端压力在导叶开度为35%时波动很大，同时在变负荷试验过程中，25%负荷（导叶开度约为35%）时有功输出波动也较大，由此可以推测，35%导叶开度是机组导水机构不稳定区域，在开机或关机时应尽量缩短此区域时间。

2.2    水泵工况下电气事故停机试验

球阀和导叶在断电后同时关闭，球阀关闭时间为53.5 s，导叶关闭时间为14 s，蜗壳末端最大压力为3.82 MPa、最小压力为2.96 MPa，尾水进口压力最大为1.31 MPa、最小为0.47 MPa。在蜗壳末端形成负水锤，尾水进水口形成水锤，一个周期后水锤效应消失。

3 结语

本文阐述了水锤现象、机组转动惯量及导叶开启/关闭时间对机组过渡工况的影响。根据现场试验采集的数据分析可知：水锤现象在过渡工况中出现一个周期后基本消失;转动惯量可以抑制导叶动作时带来的功率波动，但效果有限;导叶的开启/关闭时间影响流道的水锤效应大小;但机组在压力脉动变化剧烈区域，上述3个因素对机组过渡工况的影响较小，取决于机组本身的导水机构的设计。为避免压力脉动剧烈变化对机组稳定运行造成安全隐患，在机组调试期间，应确定机组的稳定运行区域，同时在后续的机组调试过程中，增加采集调压井的液位数据和压力数据，完善对机组过渡工况的水力数据采集工作。

[参考文献]

[1] 杨建东，高志芹.机组转动惯量GD2的取值对水电站过渡过程的影响[J].水电能源科学，2005，23（2）：47-49.

[2] 田明武.水利水电工程建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[3] 王丹，杨建东，高志芹.导叶开启时间对水电站过渡过程的影响[J].水利学报，2005（1）：120-124.

收稿日期：2020-03-27

作者简介：沈龙（1983—），男，安徽人，工程师，研究方向：系统集成。