高水头电站甩负荷试验分析

冯培磊，王 斌，陈潇雅，米海堂，戴 超，周嘉政，徐天奇

（1.国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南省长沙市 410004；3.国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市 410205；4.云南民族大学电气信息工程学院，云南省昆明市 650500）

0 引言

某四级电站采用引水式开发，电站以发电为主要目的，无防洪、灌溉等其他要求，属引水径流式电站。电站坝址流域面积5652km2，多年平均流量245m3/s，正常蓄水位高程585.00m，相应库容约15.99×104m3，装机容量为5台175MW水轮机组，总装机容量875MW。工程规模为大（2）型，工程等别为二[5，6]等。

为合理利用该水电站开发河段水资源、解决电站过机泥沙含量大等问题[1-3]，该水电站装机容量及防沙沉沙建筑物在原有基础上进行过变更[4]。根据对原水电站（四级）电站枢纽布置的研究，在原电站引水发电系统基础上进行改扩建，增加一台机组（5号机组）进行扩容，并针对过机泥沙含量高等问题设置沉沙池。

设计变更工程枢纽建筑物主要由引水系统及厂区枢纽组成，引水系统主要由沉沙池至进水口段新增引水隧洞、沉沙池、新增调压井至原引水隧洞段分流引水隧洞、新增调压井及新增调压井至厂房段压力钢管道组成；厂区枢纽左侧紧靠原水电站工程1号机组布置，厂房为地面厂房，由上游副厂房、主厂房及下游副厂房组成。新增机组为5号机组，相邻为1号和2号机组。电站引水系统简图见图1。

图1 电站引水系统简图Figure 1 Schematic diagram of water diversion system of power station

1 水轮机发电机主要技术参数

1.1 水轮机技术参数

水轮机技术参数见表1。

表1 水轮机技术参数Table 1 Technical parameters of hydraulic turbine

续表

1.2 发电机技术参数

发电机技术参数见表2。

表2 发电机技术参数Table 2 Technical parameters of generator

机组在规定范围内的任何组合工况下甩负荷时，最高转速上升率不大于60%[7-9]。蜗壳末端最大压力不超过规定值。甩负荷时，尾水锥管进口的最大真空度满足要求。

1.3 甩100%额定负荷试验

试验时新增5号机组带满负荷运行，其余机组处于停机状态。各部位检查确认无异常且沉沙池、两台调压井水位波动全幅值不超过1m时，远方分5号机断路器，5号机组甩负荷。调保计算数据见表3，5号机组甩100%额定负荷振动摆度数据见表4。

表3 调保计算数据汇总Table 3 Summary of adjustment and guarantee calculation data

表4 5号机组甩100%额定负荷振动摆度数据Table 4 Vibration swing data of unit 5 after 100% rated load rejection

2 新增机组甩负荷实验分析

试验时5号机组（新增机组）带满负荷运行，其余机组处于停机状态。检查确认无异常且沉沙池、两台调压井水位波动全幅值不超过1m时，监控发令分5号机断路器，5号机组甩负荷。

新增机组采取两段关闭的导叶规律，先快关再慢关，导叶由全开到全关大约44s左右。在10s时，导叶快关投入，在导叶65.2%开度时导叶慢关投入，慢关时间相较于快关时间较长，见图2。

图2 5号机组导叶关闭规律Figure 2 Guide vane closing law of unit 5

当机组甩负荷时，会迅速关进水阀关导叶，瞬间蜗壳进口水压会在短时间内激增。蜗壳最大水压为3.621MPa，峰值出现在发电机出口断路器的11s左右，随后蜗壳进水口压力随时间在抖动的过程中出现减小的趋势，见图3和图4。

图3 5号机组甩100%额定负荷转速变化时域图Figure 3 Time domain diagram of speed change of unit 5 after 100% rated load rejection

图4 5号机组甩100%额定负荷蜗壳进口水压变化时域图Figure 4 Time domain diagram of inlet water pressure change of volute of unit 5 with 100% rated load rejection

机组甩负荷之后，迅速关闭导叶，截断水流。尾水管直锥段会形成真空，测量其压力的最小峰值为165kPa，满足设计的要求。随着时间的推移尾水锥管压力值在200kPa附近抖动，见图5。

图5 5号机组甩100%额定负荷尾水锥管水压变化时域图Figure 5 Time domain diagram of water pressure change of tailrace cone of unit 5 after 100% rated load rejection

原调压井水位相比于新调压井水位低2.7m，新调压井出现最高水位时间早于原调压井12s，新调压井出现最低水位值为517.5m，波动情况相比于原调压井要小，见图6～图8。

图6 5号机组甩100%额定负荷导叶变化规律时域图Figure 6 Time domain diagram of guide vane change law of unit 5 after 100% rated load rejection

图7 5号机组甩100%额定负荷有功功率变化时域图Figure 7 Time domain diagram of active power change of unit 5 after 100% rated load rejection

图8 5号机组甩100%额定负荷时调压井水位变化时域图Figure 8 Time domain diagram of surge shaft water level change when unit 5 loses 100% rated load

5号机组单甩负荷瞬间，导叶开度减小，机组的转速增大，蜗壳进口水压值增大，尾水锥管水压减小，具体数据均满足设计要求，见图9。

图9 5号机组甩100%额定负荷时转速、水压、导叶开度时域关系示意图Figure 9 Schematic diagram of time domain relationship of speed，water pressure and guide vane opening when unit 5 loses 100% rated load

从表5可知，5号机组导叶关闭规律满足设计要求，从5号机组振摆在线监测系统所测量数据来看，机组甩负荷过程中各部位振动摆度指标无明显异常。甩负荷过程中，原调压井、5号机组调压井、沉砂池、大坝及机组尾水等部位未发现明显异常。

表5 机组甩负荷数值汇总Table 5 Summary of unit load rejection values

在5号机组（新增机组）甩负荷试验前进行静态试验。首先对5号机组导叶关闭规律进行测试及调整：最终实测导叶由全开至全关时间为44.10s，关闭规律为两段关闭[10]，拐点开度为65.2%，拐点时间为9.58s，导叶关闭规律满足调保计算要求。接着进行紧急停机回路导叶传动试验，保证异常情况下机组能够顺利停机。

5号机组带满负荷运行，其余机组处于停机状态。各部位检查确认无异常且沉沙池、两台调压井水位波动全幅值不超过1m时，下令跳发电机出口断路器，5号机组甩负荷。5号机组甩100%负荷试验结果满足调保计算对转速上升率、蜗壳水压上升率和尾水管进口真空度的要求，且有较大的裕度。

3 三台机组甩负荷试验分析

甩负荷试验前全厂五台机组处于停机态，根据机组甩负荷辅助二次接线操作系统图要求，按照“1、2、5号机组同甩负荷”方式进行二次接线。选1、2、5号机组作为试验对象，其他机组处于停机状态。按照相关试验规程要求，分别将1、2、5号机组开机至“发电”状态，并逐步增加负荷至额定负荷。检查确认无异常且沉沙池、两台调压井水位波动全幅值不超过1m时，操作甩负荷辅助二次接线开关，1、2、5号机组同时甩负荷。

三台机同时甩负荷，5号机组在出口断路器分闸后转速值上升到最大对应的频率为77.35Hz，甩负荷过程中5号机组过速保护动作，机组紧急停机，转速值瞬间增大后缓慢减小，见图10。

图10 三台机组甩100%额定负荷5号机组转速变化时域图Figure 10 Time domain diagram of speed change of No. 5 unit after three units shed 100% rated load

三台机组同时甩负荷，5号机组蜗壳进口水压出现峰值之后缓慢减小。甩负荷过程中5号机组过速保护动作，机组紧急停机。主进水阀快速关闭蜗壳进口水压缓慢减到0MPa，见图11。

图11 三台机组甩100%额定负荷5号机蜗壳进口水压变化时域图Figure 11 Time domain diagram of water pressure change at volute inlet of unit 5 when three units shed 100% rated load

机组跳闸信号出现后9.18s左右尾水锥管出现最小绝对压力值158kPa后，压力值缓慢上升至210kPa后趋于稳定，见图12。

图12 三台机组甩100%额定负荷5号机尾水锥管水压变化时域图Figure 12 Time domain diagram of water pressure change of tailrace cone of unit 5 after three units shed 100% of rated load

三台机组同时甩负荷，在发电机出口断路器分闸瞬间，导叶起始开度为75.3%，此时导叶关闭的斜率值较大为快关，当导叶开度值降低至65%斜率值减小导叶慢关。导叶由全开至全关的时间为39.3s，见图13。

图13 三台机组甩100%额定负荷5号机导叶变化规律时域图Figure 13 Time domain diagram of guide vane change law of unit 5 with three units shedding 100% rated load

甩负荷的过程中首次出现涌浪超过调压井井口高程610.8m，水流溢出调压井进入上室，溢出水流最高水位611.7m。水位回落最低值为552.7m。相比于原调压井首次波浪值不变，溢出水流最高水位有所升高，水位回落最低值有所降低，见图14和图15。

图14 三台机组甩100%额定负荷有功功率变化时域图Figure 14 Time domain diagram of active power change of three units after 100% rated load rejection

图15 三台机组甩100%额定负荷时调压井水位变化时域图Figure 15 Time domain diagram of surge shaft water level change when three units shed 100% rated load

从表6可知，机组在规定范围内的任何组合工况下甩负荷时，最高转速上升率不大于60%。蜗壳末端最大压力满足设定值。尾水锥管进口的最大真空度满足设定值。三台机组的转速变化率、蜗壳进口气压和尾水锥管都在设计要求范围内。

表6 机组甩负荷数值汇总表Table 6 Summary of unit load rejection values

1、2、5号机组导叶关闭规律满足设计要求，甩负荷时1、2、5号机组均过速保护动作，机组紧急停机，进水主阀关闭。机组甩负荷前及甩负荷过程中各部位振动摆度指标无明显异常，甩负荷过程中，原调压井、5号机组调压井首次涌浪水位均超过调压井井口高程，水流溢出后进入调压井上室，然后回流入调压井，整个过程未发现明显异常，甩负荷过程中，沉沙池、大坝进水口及机组尾水等部位未发现明显异常，见图16～图18。

图16 三台机组甩100%额定负荷时坝前水位变化时域图Figure 16 Time domain diagram of water level change in front of dam when three units shed 100% rated load

图17 三台机组甩100%额定负荷时尾水水位变化时域图Figure 17 Time domain diagram of tailwater level change when three units shed 100% rated load

图18 三台机组甩负荷时5号机组转速、水压、导叶开度时域关系示意图Figure 18 Time domain relationship diagram of speed，water pressure and guide vane opening of No. 5 unit during load rejection of three units

4 结语

三台机组同甩负荷试验，机组转速、蜗壳水压及尾水管压力满足调保计算要求，各振动摆度变化趋势稳定，满足电站长期安全稳定运行的要求。同时为其他电站类似试验具有一定的借鉴意义。也为五台机组同甩负荷试验提供数据支撑。在进行全站五台机组同甩负荷试验前应根据现有试验数据和电站原始数据进行全站甩负荷过渡过程仿真，从理论上先行验证可行性。