某蓄能机组CP工况迷宫环温度高处理探析

王军朋，熊 照

（梅州蓄能发电有限公司，广东 梅州 514000）

0 引言

某抽水蓄能电站是一座周调节的纯抽水蓄能电站，具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用等功能，为南方电网安全稳定运行提供多功能综合服务，是国家“西电东送”能源战略的重要配套工程[1]。

该抽水蓄能电站机组自2018年正式移交广东中调调管，对广东电网的调峰填谷起重要作用。广东电网负荷具有典型的三峰三谷特性、峰谷差较大、节日效应明显、气温灵敏相关的特点，需要机组调相运行，从电网吸收少量有功功率维持机组正常运行，通过调节励磁电流和电压，从电网吸收无功功率或向电网发出无功功率，协助调节电网电压[2]。往往需要机组提前启动CP长时间运行，以保证机组P工况热备用的及时性。机组长时间CP工况运行，往往引起迷宫环温度高报警。

1 迷宫环温度高原因分析

机组CP工况启动时，压缩空气将尾水压至转轮室以下，机组开始升速，迷宫环与空气摩擦，产生热量导致其温度逐步上升，此时迷宫环供水投入。迷宫环供水取自机组技术供水，机组技术供水取水口在尾水管扩散段距离机组中心线17.5 m处，排水管在尾水闸门后10 m处，取水口与排水口距离79.8 m，调相工况下，尾水管内水流体积约为1 105 m3（88 m×3.14 m×4 m）,技术供水泵流量约1 101 m3/h。尾水管内冷却水处于内循环状态（如图1所示），技术供水循环后吸收各用户（主变、发电机、各轴承）热量使尾水水温整体升高，热交换不充分，水温逐步升高(如图2所示），平均每小时上升约2℃，导致迷宫环冷却效果下降后出现温度高报警。

图1 CP工况技术供水示意图

图2 CP工况技术供水温度上升趋势

2 机组CP工况运行迷宫环温度升高趋势

对上、下迷宫环在CP工况和CP转P（或停机）运行过程中的温度数据进行了分析，迷宫环温升曲线主要分为3个阶段，如图3所示。阶段1：从停机状态到CP工况启动、升速逐步达到稳态的过程，CP工况启动过渡过程，机组摆度和振动相对较大，与稳态运行相比，迷宫环温度上升较快，开机前迷宫环温度设为T1；阶段2：CP工况稳态运行，迷宫环温度随技术供水温度升高而逐渐上升，CP转P（或停机）前的温度设为T2；阶段3：CP转P（或停机）的过程，由于球阀下游密封退出，蜗壳内压力升高，迷宫环供水压力小于转轮室内气压或水压，迷宫环供水无法供应，此时迷宫环温度迅速上升，当回水排气时尾水水位上升到迷宫环，对迷宫环进行冷却，迷宫环温度又迅速下降，CP转P（或停机）回水期间迷宫环达到的最高温度设为T3。

图3 上、下迷宫环典型温度曲线

T1值基本上取决于机组启动前技术供水温度，约等于技术供水温度；T2值取决于T1值和CP工况运行时间，上、下迷宫环的温度在CP工况稳态下平均每小时上升约2.5 ℃，故T2≈T1+2.5×t+开机时迷宫环温度上升值；根据实际温度曲线记录，在CP转P（或转停机）过程中，上迷宫环急速温升约4~7 ℃，下迷宫环温升约1 ℃，故T3≈T2+（4~7）℃。由此可见，迷宫环供水温度、CP工况运行时间对迷宫环温度的变化起到了重要作用，但要从根本上解决迷宫环温度高的问题，必须降低迷宫环供水温度。

3 迷宫环温度过高解决方案分析

3.1 增加迷宫环供水流量

将机组CP工况下迷宫环供水流量复测结果与系统设定值对比发现流量无变化，均满足要求。根据传热学公式：G=QC/（T-t），Q为热量，G为流量，C为水热容比；增加上、下迷宫环供水流量，可以降低迷宫环温度，但存在溅水功率增加的风险，同时影响机组振动摆度值，故不建议通过增加迷宫环供水流量来降低迷宫环温度。

3.2 改变迷宫环的供水的取水位置

取低温水源对迷宫环进行冷却，主要有消防管、厂房通风空调冷水机组、上游压力钢管3个方向供考虑。其中消防管路压力不足，需要增加加压泵，并且消防管路的设计流量有限，如果多台机组同时CP运行，可能会影响其他消防用户的供水。厂房通风空调冷水机组供水水温条件优越，但该系统属于内循环系统，迷宫环供水会排至尾水管，无法回收，同时存在压力不足的缺陷。利用原有的上游备用取水管和设备，接通迷宫环上游取水，断开从技术供水侧的取水。该方式应用原有管路和设备，对设备的改动较小，成本投入小，改造风险小，预期能够解决长时间CP工况运行迷宫环温度过高的关键问题。迷宫环供水取自上游供水后解决了迷宫环CP工况温升问题，但技术供水温升问题目前仍无有效、可行的技术手段，同时存在压力高、振动大、噪音大等问题，增加了水淹厂房的风险。

3.3 改变技术供水的排水方式

1号、2号机组技术供水排水总管之间有1根联络管，联络管装有1个常闭手动阀009VP。当1号机组CP工况运行时，打开联络管手动阀，将1号机组技术供水分流至2号机组尾水管内，从而减缓1号机组尾水温度的上升。同理，可对3号和4号机组、5号和6号机组以及7号和8号机组上实施以上操作，实现CP工况下整个技术供水温度的控制。技术供水温度上升放缓，迷宫环和导轴承等各用户的温度相应地降低，有利于改善机组整体运行状态。因1号机组技术供水要分流至2号机组尾水管，则此时，2号机组CP工况不宜运行，否则2号机组技术供水温度将上升过快。即在此模式下，排水互联的2台机组只能1台运行CP工况。根据机组年度运行数据统计，电站平均每日CP运行台次较多，只允许4台CP同时运行的条件较难满足。

3.4 适当调高温度报警定值

上、下迷宫环成分相同，均为CuAlFeMnNiCo，根据铝青铜线膨胀系数与温度关系反算发现温度升高后迷宫环尺寸变化与厂家设计要求（下迷宫间隙为1.70 mm，即1.7~1.927 5 mm，上迷宫间隙为1.5 mm，即1.5~1.727 5 mm）之间还存在一定间隙裕度，同时对照其他蓄能电厂迷宫环温度设定值，发现可以将上、下迷宫环报警及跳机坎值适当提高。目前将上、下迷宫环的温度坎值调整为表1所示，经过一段时间运行，较有效地减少了报警的发生。

表1 上、下迷宫环的温度坎值单位：℃

3.5 优化运行策略

天气温度低的季节，尾水管水温较低时，CP工况下迷宫环允许运行时间大幅增加，对CP工况运行约束较小；天气温度高的季节，尾水管水温较高时优先将CP工况运行时间长的机组转P工况运行，对上、下迷宫环任一温度达到44 ℃以上的CP工况运行机组申请转泵或换机，CP工况运行达到4 h机组向调度申请转泵或换机。

4 结论

水轮机转轮迷宫环的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失，如果发生迷宫环烧损故障，不仅会降低机组的效率，而且会对机组运行的稳定性产生较大影响[3]。降低迷宫环供水温度可以从根本上解决迷宫环温度高问题，但已建成电站受现场条件限制，往往难以完成。从迷宫环材料和安全性分析，适当提高报警温度坎值或优化运行策略，也可以缓解或一定程度上解决长时间CP工况运行所引起的温度高问题。

迷宫环温度高是制约蓄能机组CP工况运行时间的一个重大因素，解决该问题可大幅延长机组CP工况运行时间。蓄能机组CP工况安全稳定运行，可大幅缩短电网填谷时间，对电网的安全运行和新能源的有效利用提供有利条件。希望能为在建、已投运的蓄能机组设计与技改提供参考。