抽水蓄能电站一管多机甩负荷试验问题探讨与实践

赵常伟，赵晓宇，李珊珊

(1.山东沂蒙抽水蓄能有限公司，山东 临沂 273400；2.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东 泰安 271000)

0 引 言

现代大型抽水蓄能电站普遍设计为多台机组共用同一输水系统，俗称“一管多机”或“一洞多机”，大多为一管双机，也有一管三机的，甚至还有一管四机的。一管多机布置的抽水蓄能电站机组甩负荷是一个多物理场耦合的复杂过渡过程，该试验具有风险高、破坏性强的特点。

针对机组为非单元引水输水方式布置的电站，同一引水系统中各台机组甩负荷试验和对输水系统的考核应综合考虑，多台机组同时甩负荷试验方式应按设计要求进行[1]。按以往经验来看，机组甩负荷试验可大致分为单机甩负荷试验、一管多机均发电运行同时甩负荷试验、一管多机均发电运行其中一台机组或一个联合送出单元的机组甩负荷试验(俗称“干扰甩”)。对于一管多机同时甩负荷试验，当前没有任何设计方提出过“设计要求”，也没有建设单位对制造厂家或设计院提出此项“设计要求”。以往试验成功的电站都进行了一管多机同时甩100%N(N为额定荷载)试验，但各家做法不尽相同：有一管n台机组同时甩50%N、75%N、100%N试验的[2-3]；也有一管n台机组同时甩25%N、50%N、75%N、100%N试验的[4- 6]；还有的电站仅“干扰甩”就做了多次，而且还存在相互“干扰甩”；甚至有的电站一台机组共经历了几十次甩负荷试验。一管多机甩负荷试验方案为什么差别这么大？归根结底是各家对一管多机甩负荷试验目的理解不一致，意见分歧也大。

本文综合分析了抽水蓄能电站一管多机甩负荷试验的目的，并通过山东沂蒙抽水蓄能电站同一流道2台机组单机和双机同时甩负荷的试验数据与计算结果的对比分析，得出极端工况下的计算结果。根据计算结果，建议在完成多机同时甩50%N、75%N的试验后，当计算结果与真机试验数据高度相似时，可取消一管多机同时甩100%N试验。

1 一管多机甩负荷试验目的探讨

一管多机甩负荷试验的目的，业界有观点认为是为了检查发现转动部件机械结构的安装缺陷，有观点认为是为了检验调速器关闭规律是否满足调保计算的，还有认为是为了检验机组和流道设计是否有安全冗余的[2，7]。

对于机组首次甩负荷试验，确实能发现一些结构件的安装缺陷，但其实通过单机甩25%N～100%N试验也能达到这一目的。机组的转动部件是按照承受“飞逸转速”来设计的，但这并不意味着必须用接近产生“飞逸转速”的甩负荷试验来验证。相反，我们要通过试验证明机组不会达到“飞逸转速”，由此来确认机组运行是有安全冗余的。由于甩负荷试验的高风险性与破坏性，通过一管多机甩100%N试验，依靠更高的转速来发现安装缺陷的做法可能弊大于利。因此，“检查发现机械结构安装缺陷”不是一管多机甩负荷试验的主要目的。

对于“检验调速器关闭规律是否满足调保计算”与“检验机组和流道设计是否有安全冗余”，两种说法并不矛盾。甩负荷形成的过渡过程，无论是蜗壳压力上升还是转速上升都会对机组的机械稳定性产生负面影响，流道压力突变也会影响流道的安全。而过渡过程参数与调速器关闭规律有非常直接的关系，所以上述两种说法实际上是一致的。只要甩负荷的过渡过程参数均不超过设计标准，就可以判断调速器关闭规律是符合调保计算的，也可以说机组和流道是安全的。

假如水道系统是一个无穷大系统，理论上可以验证一管多机甩负荷与单机甩负荷结果是一样的。正因为水道系统是有限的，其流量大小对过渡过程参数有显著影响。通过单机甩负荷试验足以验证机组设计制造与安装是否满足调保计算，但还不足以验证流道设计是否满足。所以，一管多机甩负荷试验还是必要的。

对于“干扰甩”试验，主要目的是验证发电电动机过负荷保护整定值的可靠性。一管多机同时发电运行，一台机组突然甩负荷，引水流道压力迅速上升、尾水压力迅速下降，仍在运行的机组会迅速过载，最大过载达30%左右。如果此时在运机组因过负荷保护动作而甩负荷，其过渡过程对机组和流道的破坏力是最大的。但“干扰甩”的试验目的并不是要取得这种“最大破坏力”的真机数据，而恰恰是要防止在运机组因“干扰甩”而甩负荷，通过录取运行机组在“干扰甩”情况下的过载曲线，可以检验机组过负荷保护定值是否具有足够的可靠系数。

2 一管多机甩负荷试验方案的探讨

一管多机甩负荷试验的目的是为了检验机组和流道设计是否有安全冗余，鉴于甩负荷试验的破坏性，只要能达到目的，试验负荷应越小越好，试验次数越少越好，因此没有必要像单机甩负荷试验那样进行一管多机甩25%N、50%N、75%N、100%N试验。

一般而言，25%N的流量对过渡过程参数的影响，在单机甩负荷试验中已获取类似数据，这个当量的试验可以不做；如果通过甩50%N、75%N试验数据及相关计算，能够判断机组和流道在极端工况过渡过程影响下是安全可靠的，则甩100%N试验就不必要进行。

如果只单一进行甩50%N或者是甩75%N试验，就凭其数据及相关计算得出结论说机组和流道在极端工况下仍有安全冗余，往往不能服众。所以一管多机的布置形式，宜进行甩50%N和75%N两次试验。

如果计算出极端工况下一管多机同时甩100%N后的过渡过程参数超过设计限值，将对机组或流道安全可靠运行构成危胁，此时更不应进行一管多机同时甩100%N试验，而是必须做出一些改变。首先应考虑调整调速器导叶关闭规律，要么改变流道、要么改变转轮、或者是都改变，然后重新进行相关甩负荷试验。

3 沂蒙抽水蓄能电站一管双机甩负荷试验

沂蒙抽水蓄能电站位于山东省临沂市费县，共安装4台单机容量300 MW机组，设计额定转速375 r/min，飞逸转速543.75 r/min，机组转动惯量GD2为8 000 t·m2，调速器型号为SAFR-2000H，发电电动机与水泵水轮机均由东方电气集团东方电机有限公司(以下简称“东方电机”)设计制造，整个电站枢纽工程由中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司(以下简称“北京院”)承担设计。

沂蒙电站根据文献[1]的要求完成了单台机组从25%N到100%N的4次甩负荷试验。在每次甩负荷试验之前，东方电机会根据甩负荷试验的计划水头，对甩负荷的结果进行预算，然后用真机试验数据来检验计算成果的准确性。在甩负荷试验后，再根据甩负荷的实际水头进行复核计算。表1为单机甩负荷试验数据与计算数据对比。在此基础上，东方电机和北京院均提出一管双机甩负荷试验可以只进行2×50%N和2×75%N两组。双机甩负荷试验数据与计算结果见表2。

表1 单机甩负荷试验与计算数据对比

表2 双机甩负荷试验与计算数据对比

从表1、2的数据可以看出，沂蒙电站2台机组单机甩负荷的8组数据，试验值与计算值有高度的一致性。

东方电机还分别计算了最高水头和额定水头下同时甩2×100%N的结果。额定水头下2×100%N先后相继甩负荷是最恶劣的工况，东方电机也进行了计算验证。结果均满足设计标准，并有足够的安全裕度，详见表3。

通过10组真机试验数据与计算成果对比，我们完全有理由认为东方电机对极端工况下甩2×100%N的计算结果是可信的，双机同时甩100%N的试验是没有必要的。

另外，通过计算并与类似试验数据对比，沂蒙电站发电电动机的热稳定能力远高于“干扰甩”下在运机组的最大过载水平，发电电动机的过负荷保护定值具有足够的可靠系数。沂蒙电站模拟了“干扰甩”下在运机组的动态过载电流并注入保护装置，继电保护动作正确(只报警未跳闸)，上述判断得到了验证。因此，沂蒙电站未进行“干扰甩”试验。

表3 极端工况下双机甩负荷的计算结果

4 结 论

经过同一流道的2台机组全面单机甩负荷试验和双机同时甩50%N、75%N试验后，如果试验数据与计算数据高度一致，且计算的极端工况下双机甩100%N结果满足技术标准，足以证明流道和机组设计是有安全冗余的，双机同时甩100%N试验及“干扰甩”试验没有必要进行。

机组A修后如何进行甩负荷试验，同样应坚持低负荷少次数的原则。在转动部件结构未变、调速器关闭规律未变和流道未变的情况下，机组A修后不宜做甩负荷试验。若确有必要，宜进行甩50%N和75%N试验并与启动试运行试验数据进行比较分析。