同一高压输水系统内的三台机或四台机同时甩负荷试验在国内抽水蓄能电站极为罕见,北方的抽水蓄能电站一般为一洞两机布置形式,如:宝泉、白莲河、仙游、仙居电站等,更早期的天荒坪电站上游输水系统为一洞三机布置,下游尾水系统却为一管一机布置,1999年同一输水管内的1号、2号机组进行了同时甩300MW负荷试验,但没有再进行三台机同时甩负荷试验;南方的广蓄、惠蓄及清蓄上游输水系统、下游尾水系统均为一洞四机布置形式,惠蓄#5和#6机在2011年进行了双机甩负荷试验,但未进行过三机同时甩负荷试验;国外日本今市一洞三机360MW抽水蓄能电站做过三机同甩试验,但其输水管和尾水管无均有调压井;目前国内清蓄三台机组和四台机组均进行过同时甩负荷试验有重大的意义。
进行多机同时甩负荷试验的目的主要是检测三机甩负荷时压力钢管和每台机组蜗壳最大压力上升值、每台机组尾水管真空度、每台机组最高转速上升值及导叶接力器关闭规律,评价机组能否满足调保计算及设备生产厂家关于压力上升率、转速上升率的设计要求。如果开关站只设置一回500kV出线,在线路跳闸的情况下,所有运行机组将甩负荷停机。通过电站“一洞四机”三机同时甩负荷试验,检测试验测量的主要参数的数值是否与计算结果接近?,蜗壳最大压力、尾水压力误差在5%以内、最大转速上升率的误差在3% 以内?验证了厂家用于水力过渡过程导叶两段关闭规律是否可行的?各振动摆度及轴承温度变化趋势稳定,为电站长期安全稳定运行提供了试验依据。
下面视频为多机同时甩负荷压力水道浪涌:
在各种组合工况过渡过程中:一般活动导叶采用2 段关闭模式,进水球阀采用1 段关闭模式。一般要求机组最大转速(含计算误差)不大于1.45倍额定转速,蜗壳进口中心线处的最大压力值(含压力脉动和计算误差)不大于780mH2O,转轮出口处最大压力值不超过165mH2O,转轮出口处最低水压值不少于12mH2O(绝对压力)。导叶关闭规律优化是减小水轮机甩负荷过渡过程中水锤压力、解决调保矛盾的有效措施,国内外有关研究比较充分,有代表性的关闭规律优化方法有试算法、反算法、最优化分析及遗传算法等。
同一高压输水系统内的多台机同时甩负荷试验在国内抽水蓄能电站极为罕见,多机同甩试验为一洞多机布置形式提供了提供安全实证,并验证和推导了甩负荷工况,为将来机组结构设计和一洞多机选型提供实践依据,对今后工程建设产生一定影响。
蓄能电站的水头一般较高, 以往对其作导叶关闭规律优化时,常会遇到比常规水电站更大的矛盾和困难,若按照“最优”要求确定关闭规律,则导叶行程曲线可能很复杂或斜率很陡,调速器难以实现,而且不同工况差别很大,调节规律不能统一;若取较简单而统一的关闭规律,则不能有效降低水锤,为了折中,不少高水头抽水蓄能电站取关闭时间较长的直线或折线规律,但这样可能会使机组工作点在反S 区摆动过久,可逆机组的特性不同于常规水轮机的特性,球阀关闭对过渡过程也能产生有利影响,以往对这两方面的分析和重视的不够, 从国内已建的几个高水头抽水蓄能电站的运行实践和过渡过程的计算分看,可以通过充分利用可逆机组的特性和合理设计球阀关闭规律,来大幅降低水锤压力。
高水头可逆式水泵水轮机在形状和结构上与水泵相似,转轮扁平,叶片径向较长,加之机组转速通常较高,故转轮上的离心力大,水流经过时“截止效应”明显,甩负荷后即使转速上升不大,其离心力的增大也会使水流难以进入转轮,从而引起流量的显著下降,该特点表现在流量特性曲线上就是等开度线急速向下弯曲,几乎与n11垂直,甚至向n11减小的方向弯曲而形成反S曲线G 因此,可逆式机组甩负荷后,即使导叶不动作,流量也会有明显下降,从而产生较大水锤压力,若导叶关闭较快,将使水锤压力加剧,故此可逆机组的导叶关闭一般比常规机组慢些,但如果导叶关闭太慢,则常常由于反H 特性的影响,流量降为0 后,继续下降为负值(反水泵区),然后恢复为正,之后发生若干周期的波动,直到导叶完全关闭,这种流量波动表现在水锤压力上就是几个陡峻的高峰和很深的低谷,这是高水头可逆机组水锤压力变化的一个特点。
根据高水头抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中的特点,以及可逆机组和球阀的不同特性,提出如下导叶和球阀配合的关闭规律,导叶采用先很慢后稍快的关闭规律,总的关闭时间仍取通常范围内的值甩负荷后,导叶在最大转速和最大水锤压力发生前缓慢关闭或根本不动作,之后才以常规的速率关闭导叶慢关或不动作的目的是在保证转速不超标的前提下尽量减小流量的变化率,从而减小水锤压力,球阀采用先很快后较慢的关闭规律,快关的速率以不加剧由机组特性所引起的流量变化率为准,快速关闭终点时刻应在流量降到0 的附近,相应阀开度应在使球阀两端压差控制在一定范围内的条件下尽量小, 球阀虽然第一段关闭较快,但由于阀特性,以及快关段后期流量较小,故阀体两端的压力差不会太大,球阀后一段关闭较慢,但由于开度小,可抑制机组反S区的流量振荡所引起的巨大水锤,这种导叶和球阀配合关闭的特点是:导叶慢关以减小水锤压力,球阀快关以抑制反S区的水力振荡。
如某高水头抽水蓄能电站装机4*300MW,机组额定转速500rpm,针对甩负荷工况,在上库水位760m,下库水位205m,单机引用流量70立方/秒的额定水头工况下,给定未优化的规律导叶40s直线关闭,球阀不动作;优化的关闭规律:导叶两段40s 关闭,前10s迟滞不动,后30s 直线关秒闭,球阀也是两段关闭规律,前10s 快关到15%,其后100s 缓慢关死, 应用优化和未优化两种导叶和球阀关闭规律,计算三种水头情况,比较后可看出,导叶和球阀相互配合的规律优化后,有效地抑制了工作点在水轮机制动区和反水泵区的摆动,消除了水锤压力的第二个高峰,同时由于导叶有一段慢关,使第一个峰的数值也大幅下降,优化结果相对于未优化结果,阀前最大压力降低4MPa,转轮出口最小压力提高1.1MPa,而转速只增大2 rpm。
某高水头混流可逆式水泵水轮机优化调保参数的调节规律,可以利用该调节规律的特点是导叶慢关以减小水锤压力,球阀快关以抑制反S区的水力振荡/ 实例计算证明,这种优化的调节规律可大幅降低水锤压力,明显抑制水力振荡,值得在实际工程中加以应用。