抽水蓄能電站建設及可逆式水泵水輪機的若干技術(shù)問題

抽水蓄能電站建設及可逆式水泵水輪機的若干技術(shù)問題端潤生【摘要】從混流可逆式水泵水輪機的選型問題、水泵水輪機全特性曲線、水輪機工況額定水頭的選擇、水力-機械過渡過程計算、上水庫充水問題和首臺機組首次啟動方式等7個方面對中國抽水蓄能電站建設及可逆式水泵水輪機的若干技術(shù)問題進行了綜述和分析，并就問題的解決提出了建議和對策.％Sometechnicalproblemsofreversiblepumpturbineandintheconstructionofpumped-storagepowerstationsinChinaaresummarizedandanalyzedfromsevenaspectsoftheselectionofFrancisreversiblepumpturbine,thecompletecharacteristicscurveofpumpturbine,theselectionofratedheadatturbinemode,thecalculationofhydraulic-mechanicaltransitionprocess,thewaterfillingofupperreservoirandthefirststart-upmodeoffirstunit.Thesuggestionsandcountermeasuresfordealingwithaboveproblemsarealsoputforward.【期刊名稱】《水力發(fā)電》【年(卷)，期】2012(038)012【總頁數(shù)】5頁(P47-50,83)【關鍵詞】水泵水輪機;全特性曲線;選型設計;上水庫充水;首機首次起動;抽水蓄能電站【作者】端潤生【作者單位】水利部發(fā)展研究中心，北京100038【正文語種】中文［中圖分類】TV7430概述蓄能機組利用電網(wǎng)低谷時的多余電力將水抽到上水庫，以水為介質(zhì)，將電能儲存，高峰負荷時送回電網(wǎng)，大大改善電力系統(tǒng)的運行條件和提高其經(jīng)濟性。就調(diào)峰功能而論，蓄能電站是比常規(guī)水電站更加穩(wěn)定的調(diào)峰電源，蓄能機組啟動并網(wǎng)爬坡速度快，能起到事故備用作用。抽水蓄能電站已成為當今世界各國公認的最合理、最經(jīng)濟和最可靠的調(diào)峰電源。建設抽水蓄能電站是滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求增長和消耗電網(wǎng)剩余電能的可靠措施，是改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行條件和降低運行成本的需要，是增強電網(wǎng)緊急事故備用能力的需要，是配合核電站和風電等運行的需要，建設抽水蓄能電站具有較大的生態(tài)和環(huán)境效益，建設抽水蓄能電站工程投資較少、工期較短。我國當前電力系統(tǒng)的電量供需矛盾已趨于緩和，但峰谷差較大，電力供需矛盾在一些電網(wǎng)仍然突出，需要大力發(fā)展抽水蓄能電站。抽水蓄能和常規(guī)水電一樣是清潔能源，它可以替代相同規(guī)模的火電站，不存在排放SO2、CO2等有害氣體而導致環(huán)境污染并進而造成地球溫室化問題。建設蓄能電站，一般不存在或只有少量移民問題，有利于保護生態(tài)環(huán)境。1混流可逆式水泵水輪機的選型問題［1，2］單級混流可逆式水泵水輪機，是用一個轉(zhuǎn)輪完成抽水和發(fā)電兩個任務。其優(yōu)點是機組本身結(jié)構(gòu)緊湊，其引水和尾水管路及閥門共用1套。由于可逆式轉(zhuǎn)輪的水泵最優(yōu)工況區(qū)和水輪機最優(yōu)工況區(qū)不重合，故選擇機組參數(shù)時應特別注意兩種工況在實際工作范圍內(nèi)的配合，這比常規(guī)水電機組的選型設計有更高的要求。在同樣轉(zhuǎn)速情況下，泵輪直徑要比水輪機的大1.4倍左右才能產(chǎn)生同樣的水頭。據(jù)統(tǒng)計，實際生產(chǎn)的可逆機的轉(zhuǎn)輪直徑相當于同樣比轉(zhuǎn)速水輪機轉(zhuǎn)輪直徑的1.35~1.40倍。這就導致了相同水頭下可逆機水輪機工況和常規(guī)水輪機工況參數(shù)間的差異：可逆機水輪機工況的比轉(zhuǎn)速要略大一些，其單位流量只有常規(guī)機的55%~60%，而單位轉(zhuǎn)速則比常規(guī)機的高35%~40%。對可逆機的兩種工況，雖然可用數(shù)學方法做些解析，但由于不易計算各種工況下的損失分布，所以目前還是靠模型試驗方法來判定兩種工況的外特性?？赡鏅C選型就是根據(jù)有關資料，算出兩套性能參數(shù)，反復驗算和綜合判斷而最終確定合適的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速和吸出高度等主要參數(shù)。同時要滿足兩個平衡：一是容量平衡（發(fā)電與抽水視在功率相等，以充分利用電機容量）；二是水量平衡（對于純抽水蓄能電站，在規(guī)定時段內(nèi)，抽水水量宜等于發(fā)電水量加上蒸發(fā)、滲漏等耗水量）°IEC標準允許水泵有±5%制造誤差（有的制造廠允許±3%），電動機額定容量應略大于水泵工況所需的最大容量，兩種工況功率因數(shù)也不同，為了安全起見，采用電機的水泵工況最大入力可比水輪機工況最大功率大10%左右。水泵工況的要求比水輪機工況苛刻得多，要先滿足水泵工況要求。因為可逆機問題主要出在水泵工況，表現(xiàn)為噪聲過大、振動較烈、電機發(fā)燒、抽不上水以及部件損壞等。單級混流可逆式機組實際應用水頭范圍一般在120~700m，最高已接近800m,目前正向著高水頭、大容量和高轉(zhuǎn)速化方向發(fā)展。混流可逆機比轉(zhuǎn)速一般用水泵工況最低揚程下的值表示或。式中，H為水泵揚程，n為水泵轉(zhuǎn)速，Q為水泵流量，Kq為比速系數(shù)。在給定水頭下，比轉(zhuǎn)速的提高將導致可達到的效率水平降低、同步轉(zhuǎn)速較高、機組尺寸較小、機組成本較低、空化系數(shù)增加而導致較大的淹沒深度、比速系數(shù)增加。20世紀80年代以來，500~600m水頭段混流可逆機的比轉(zhuǎn)速有了明顯提高，廣蓄一期、二期和天荒坪蓄能電廠分別為35.6、35.3和33.1m?m3/s，均為世界先進水平。目前常用比速系數(shù)來表示可逆機的設計制造水平，廣蓄和天荒坪蓄能電廠比速系數(shù)均超過3800，接近日本專家預計的上限值4000，處于世界最高水平。因此應綜合各種因素慎重研究和確定比轉(zhuǎn)速。一般情況下，出于經(jīng)濟性的考慮，宜選擇較高的比轉(zhuǎn)速。2水泵水輪機全特性曲線[1,3]可逆式水泵水輪機的全特性曲線有水泵、水泵制動、水輪機、水輪機制動和反水泵5個工況區(qū)。水泵水輪機全特性曲線常用流量特性曲線和轉(zhuǎn)矩特性曲線，且將水輪機工況的流量和轉(zhuǎn)速定為正值，放在第一象限，則水輪機工況的輸出力矩和水泵工況的反作用力矩也為正值。在水泵工況與制動工況的分界處流量為0，此時泵工況力矩最小，故各開度線的力矩值在此處都出現(xiàn)下凹狀。水輪機飛逸時力矩為零，故兩條曲線上力矩為0的各點在單位轉(zhuǎn)速坐標上是對應的。從全特性曲線圖上可以看到，最大力矩發(fā)生在正、反水泵工況區(qū)，正水泵工況區(qū)是正常工作區(qū)域，設計和制造上必須滿足；事故情況下應盡量避免機組進入反水泵區(qū)太深。高水頭混流可逆機的空載工況應盡量避開不穩(wěn)定的“S”特性區(qū)以防并網(wǎng)困難或不能并網(wǎng)。因為在“S”區(qū)域內(nèi)、同一單位轉(zhuǎn)速下可以有3個不同的單位流量，其中還有個負值，流量瞬時反向?qū)~受力是很不利的。形成“S”特性是因為可逆機的轉(zhuǎn)輪直徑較大，離心力作用大，進入轉(zhuǎn)輪的水流速度很快下降，致使開度線顯著向下彎曲。而常規(guī)水輪機開度線在飛逸區(qū)附近變化較平緩，不會進入反水泵區(qū)。在模型試驗中，需要對“S”特性部分進行準確測量和分析，要求試驗臺應有相應的試驗手段（增加阻尼裝置）。以往有些試驗臺受條件限制，不能進行穩(wěn)定的“S”特性部分試驗是個遺憾。例如天荒坪蓄能電廠模型驗收試驗中受試驗臺條件限制，沒有進行這種測試，而在真機上出現(xiàn)了發(fā)電工況空載不能并網(wǎng)的情況，只好臨時采取導葉預開啟方法并增加導葉不同步裝置，解決了發(fā)電并網(wǎng)問題。解決“S”特性有3種方法：（1）調(diào)速器增加壓力反饋回路穩(wěn)定低頻擺動。進水閥節(jié)流控制，部分開啟，改變水道的水頭與流量關系特性，加大導葉開度，使空載轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。采用幾個導葉預開啟的方法，配置特殊的操作機構(gòu)。例如天荒坪等電廠所采用的那樣。3水輪機工況額定水頭的選擇[4]選擇水輪機工況額定水頭，應綜合考慮電力系統(tǒng)對蓄能電站實際的調(diào)峰要求、電站正常運行范圍的水頭變化及水頭損失特性，協(xié)調(diào)水輪機工況的效率和運行穩(wěn)定性等要求，擬定不同額定水頭的比較方案，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。選擇中，應注重研究額定水頭降低對機組穩(wěn)定運行、效率及預想出力降低對系統(tǒng)電力平衡的影響。在正常運行水頭變幅不大時，可按最小的上、下水庫的水位差減去相應的水頭損失來選擇額定水頭，即很接近水輪機工況的最小水頭。只要機組一并網(wǎng)運行就可以滿發(fā)，基本上不存在出力受阻問題，這往往是電網(wǎng)所希望的。當正常運行水頭變幅較大時，宜適當提高水輪機工況額定水頭。若額定水頭定低了，雖然能較好地適應電網(wǎng)調(diào)峰要求，但水泵水輪機易產(chǎn)生空蝕，振動增大，效率降低，影響安全穩(wěn)定運行，同時還加大了機組設計制造難度；隨著額定水頭的提高，年發(fā)電量會略有減少，受阻容量、年受阻電量和年正常發(fā)電受阻時間增加，但卻可以改善水輪機工況的效率，擴大其穩(wěn)定運行范圍，有利于機組長期安全運行，延長使用壽命。對選擇出的額定水頭，可用水輪機工況的最大水頭與額定水頭之比來幫助判斷機組的水力性能和穩(wěn)定性，當此比值在約1.1及以下時，機組性能一般是較好的。反過來用此關系也可幫助初選額定水頭，這種經(jīng)驗做法可供參考。對于初選的、水頭變幅過大的蓄能電站，往往要研究使用雙轉(zhuǎn)速或變速運行機組的可能性，這會大大增加造價和復雜性，應慎重考慮。4水力-機械過渡過程計算[1,3-4]水泵水輪機的全特性曲線是過渡過程計算的重要依據(jù)，全特性曲線可以用模型試驗方法得到，有些部分曲線很陡或有交叉現(xiàn)象，需轉(zhuǎn)換成便于計算的形式。蓄能電站的水力-機械過渡過程包括輸水道中的水力過渡過程和水泵水輪機的機械過渡過程，兩者相互影響和相互依存。水力-機械過渡過程仿真計算是非常復雜的，與常規(guī)水電站相比，蓄能電站機組具有工況多樣而復雜、轉(zhuǎn)換頻繁等特點。正常運行時可逆機主要有水輪機、水泵、同步調(diào)相和旋轉(zhuǎn)備用4種穩(wěn)定運行工況。當可逆機組起動或從一種穩(wěn)定工況轉(zhuǎn)換到另一種穩(wěn)定工況以及正常停機或事故停機時，可能出現(xiàn)20多種過渡過程。除了與常規(guī)水電機組相同的過渡過程外，其獨特的過渡過程主要有7種：水泵工況啟動、水泵工況正常停機、水泵功率（或流量）的增加或減少、水泵工況事故斷電（包括導葉正常關閉和拒動情況）、從水泵工況轉(zhuǎn)換到水輪機工況、從水輪機工況轉(zhuǎn)換到水泵工況和從水泵工況轉(zhuǎn)換到調(diào)相工況。為便于過渡過程計算，需將具體的蓄能電站歸納成典型計算圖形，能夠計算在一根壓力鋼管上接1~4臺機組及上、下游有或無調(diào)壓室的各種情況，并對管道系統(tǒng)、調(diào)壓室、轉(zhuǎn)輪和調(diào)速系統(tǒng)等建立數(shù)學模型。例如，對調(diào)速系統(tǒng)是將常采用的PID調(diào)速器的傳遞函數(shù)通過拉氏變換寫成代數(shù)方程或微分方程，再與其他方程聯(lián)解，用以求解小波動和帶調(diào)速器的大波動過渡過程?，F(xiàn)在使用的計算程序主要是為校核運行工況點、驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設計的合理性，即預估系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的極值工況和某些參數(shù)的極值，以在工程上采取相應對策。因此，計算時應結(jié)合工程實際分析決定系統(tǒng)仿真的內(nèi)容或計算工況，同時要考慮到不利因素的疊加。例如，對于一管多機的電站應計算多臺機組同時或接連相繼甩負荷或水泵斷電時最不利的組合工況及檢查一臺或幾臺機組甩負荷或水泵斷電對正在運行機組的影響。目前采用的調(diào)節(jié)保證計算保證值對于大容量高水頭/揚程水泵水輪機允許最大轉(zhuǎn)速升高率不宜超過45%；水泵水輪機甩負荷和水泵斷電時的最大壓力升高率，當額定水頭大于300m時，宜小于30%。由于可逆機的轉(zhuǎn)速較高，最大轉(zhuǎn)速升高率不宜超過45%是合適的，再調(diào)高的風險較大；調(diào)節(jié)最大壓力升高率把握性和可控程度要好些。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律和時間，在一定程度上可調(diào)節(jié)兩者的消漲，以更好滿足調(diào)保要求。5向上水庫充水問題[1,4]不少蓄能電站的上水庫沒有天然徑流或天然水源不足，在起動機組前，先要向上水庫充水。蓄能機組不宜在很低的揚程下實施充水，是因為當揚程低于某一限度時抽水，機組將產(chǎn)生由于水流條件惡化而引起的強烈振動，或由于電動機超載而損壞。如果用機組向上水庫充水要從零揚程開始，則工作條件更不利，因為這時在機組導葉內(nèi)是泵的關閉揚程，而導葉外幾乎沒有水壓，致使導葉要承受特別大的水壓力。所以一般制造廠都對用蓄能機組水泵工況直接向上水庫充水加以限制。從資料上看到，美國有個別蓄能電廠用水泵工況直接向上水庫充水，雖然在低揚程下工作時間很短，但充水時振動嚴重，需要在多部位補氣才能使振動減輕?，F(xiàn)常用的方法是用外卜加泵將壓力鋼管充水到最低允許使用揚程的水位，再啟動機組向上水庫充水。如果上水庫面積較大，致使外加泵充水時間太長，有的工程就在上水庫內(nèi)建個小圍堰，先充滿小圍堰內(nèi)的容積，再用機組繼續(xù)充水。我國幾個大型抽水蓄能電站的初次充水過程各有特點，廣蓄上水庫有較小的天然徑流，施工時先讓上水庫具有蓄水條件，實際用了近一年時間才蓄水到進水口高程。十三陵電廠采用揚程434~476m、流量360~200m3/h和2個額定壓力為6.4MPa閘閥減壓向壓力鋼管首次充水就獲得了成功。天荒坪電廠采用揚程603m、流量155m3/h的多級泵和2個閘閥減壓向壓力鋼管首次充水，也獲得成功。6首臺機組首次啟動方式分析比較[1,5-6]首臺機組首次啟動方式分兩種工況：水泵工況和水輪機工況。一般常用夕卜加泵向上水庫多抽水量，使首次水泵工況起動時的起動揚程盡量高于其異常低揚程。這時，上水庫水位還遠未達到進行水輪機工況調(diào)試的水位，繼續(xù)用外加泵充水歷時很長費用亦高，就要考慮首機首次水泵工況起動了，這樣可合理縮短工期和節(jié)省蓄水費用。采用水泵工況首次充水時，必須嚴格控制充水速率和運行時間，分水頭段逐級進行，每次抽水完畢后，穩(wěn)定一段時間，經(jīng)實時監(jiān)測確認后，方可繼續(xù)進行。每次的抽水量都應比前次多些，這樣才能盡快達到預定的目標。首機首次調(diào)試階段，兩種工況的試驗項目往往是交叉進行的，過程較長而復雜，需要適時安排好。首機首次起動，不論采取何種起動方式，調(diào)試的水頭/揚程都偏低。兩種起動方式的低水頭調(diào)試，都會面臨難題。水輪機工況低水頭起動，導葉開度較大，較大的開度等值線“S”形特性趨于強化，機組極易進入反水泵工況區(qū)，如果此時并網(wǎng)，機組就會從電網(wǎng)吸入功率而較深地進入反水泵工況區(qū)，或出現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速在空載附近擺動而難以并網(wǎng)的現(xiàn)象。水泵工況低水頭起動，由于此時的揚程低于水泵的最小揚程，這時水泵工況起動的壓力脈動、振動、空蝕會比較嚴重。水泵工況首次起動抽水面臨不少特殊問題，雖然可采取一些措施，但仍有一些難以確定的因素和較大風險，主要是：（1）水泵工況采用SFC（靜止變頻器）起動方式，需要大力降低機組起動時的阻力矩。用高壓油頂起以減少推力軸承的摩擦力矩；向轉(zhuǎn)輪室壓入空氣使轉(zhuǎn)輪脫離水面，避免轉(zhuǎn)輪攪水產(chǎn)生很大的阻力矩。（2）需要建立一個比較平穩(wěn)的注水造壓過程，使轉(zhuǎn)輪在攪水建壓及隨后的揚水過程中，不致承受很大的沖擊和振動；由于水泵一旦進入抽水運行，機組入力會短時增加到最大值，甚至可能超載運行。（3）水泵在抽水起動過程中有較長時間的低頻運行，而互感器在低頻情況下特性可能惡化，難以滿足繼電保護準確度要求；而許多繼電保護裝置的構(gòu)成元件在低頻情況下也可能誤動。首機首次以水泵工況起動并以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，無水情況下的動平衡試驗、配重和控制、保護和輔助設備等許多調(diào)試結(jié)果，需要在機組抽水情況下得到驗證。對首臺機組首次起動方式比較歸納如下：對于安裝單級混流可逆式機組的抽水蓄能電站，首機首次采用水輪機工況起動或水泵工況起動均是可行的方案和方式，國內(nèi)、國夕卜都有應用實例，迄今我國絕大多數(shù)蓄能電站采用了水輪機工況起動方式。首機首次采用兩種工況起動都有一定風險。采用水泵工況首次起動風險要大，但對縮短投運工期和節(jié)省蓄水費用作用明顯。以水輪機工況首次起動和試運轉(zhuǎn)與常規(guī)水電機組基本相同，經(jīng)驗豐富，技術(shù)成熟。以水泵工況首次起動，經(jīng)驗及技術(shù)成熟程度較欠缺；涉及到的設備較多、環(huán)節(jié)較多、影響因素多，