抽水蓄能电站建设及可逆式水泵水轮机的若干技术问题

抽水蓄能电站建设及可逆式水泵水轮机的若干技术问题端润生【摘要】从混流可逆式水泵水轮机的选型问题、水泵水轮机全特性曲线、水轮机工况额定水头的选择、水力-机械过渡过程计算、上水库充水问题和首台机组首次启动方式等7个方面对中国抽水蓄能电站建设及可逆式水泵水轮机的若干技术问题进行了综述和分析，并就问题的解决提出了建议和对策.％Sometechnicalproblemsofreversiblepumpturbineandintheconstructionofpumped-storagepowerstationsinChinaaresummarizedandanalyzedfromsevenaspectsoftheselectionofFrancisreversiblepumpturbine,thecompletecharacteristicscurveofpumpturbine,theselectionofratedheadatturbinemode,thecalculationofhydraulic-mechanicaltransitionprocess,thewaterfillingofupperreservoirandthefirststart-upmodeoffirstunit.Thesuggestionsandcountermeasuresfordealingwithaboveproblemsarealsoputforward.【期刊名称】《水力发电》【年(卷)，期】2012(038)012【总页数】5页(P47-50,83)【关键词】水泵水轮机;全特性曲线;选型设计;上水库充水;首机首次起动;抽水蓄能电站【作者】端润生【作者单位】水利部发展研究中心，北京100038【正文语种】中文［中图分类】TV7430概述蓄能机组利用电网低谷时的多余电力将水抽到上水库，以水为介质，将电能储存，高峰负荷时送回电网，大大改善电力系统的运行条件和提高其经济性。就调峰功能而论，蓄能电站是比常规水电站更加稳定的调峰电源，蓄能机组启动并网爬坡速度快，能起到事故备用作用。抽水蓄能电站已成为当今世界各国公认的最合理、最经济和最可靠的调峰电源。建设抽水蓄能电站是满足电网调峰需求增长和消耗电网剩余电能的可靠措施，是改善电网结构、运行条件和降低运行成本的需要，是增强电网紧急事故备用能力的需要，是配合核电站和风电等运行的需要，建设抽水蓄能电站具有较大的生态和环境效益，建设抽水蓄能电站工程投资较少、工期较短。我国当前电力系统的电量供需矛盾已趋于缓和，但峰谷差较大，电力供需矛盾在一些电网仍然突出，需要大力发展抽水蓄能电站。抽水蓄能和常规水电一样是清洁能源，它可以替代相同规模的火电站，不存在排放SO2、CO2等有害气体而导致环境污染并进而造成地球温室化问题。建设蓄能电站，一般不存在或只有少量移民问题，有利于保护生态环境。1混流可逆式水泵水轮机的选型问题［1，2］单级混流可逆式水泵水轮机，是用一个转轮完成抽水和发电两个任务。其优点是机组本身结构紧凑，其引水和尾水管路及阀门共用1套。由于可逆式转轮的水泵最优工况区和水轮机最优工况区不重合，故选择机组参数时应特别注意两种工况在实际工作范围内的配合，这比常规水电机组的选型设计有更高的要求。在同样转速情况下，泵轮直径要比水轮机的大1.4倍左右才能产生同样的水头。据统计，实际生产的可逆机的转轮直径相当于同样比转速水轮机转轮直径的1.35~1.40倍。这就导致了相同水头下可逆机水轮机工况和常规水轮机工况参数间的差异：可逆机水轮机工况的比转速要略大一些，其单位流量只有常规机的55%~60%，而单位转速则比常规机的高35%~40%。对可逆机的两种工况，虽然可用数学方法做些解析，但由于不易计算各种工况下的损失分布，所以目前还是靠模型试验方法来判定两种工况的外特性。可逆机选型就是根据有关资料，算出两套性能参数，反复验算和综合判断而最终确定合适的转轮直径、转速和吸出高度等主要参数。同时要满足两个平衡：一是容量平衡（发电与抽水视在功率相等，以充分利用电机容量）；二是水量平衡（对于纯抽水蓄能电站，在规定时段内，抽水水量宜等于发电水量加上蒸发、渗漏等耗水量）°IEC标准允许水泵有±5%制造误差（有的制造厂允许±3%），电动机额定容量应略大于水泵工况所需的最大容量，两种工况功率因数也不同，为了安全起见，采用电机的水泵工况最大入力可比水轮机工况最大功率大10%左右。水泵工况的要求比水轮机工况苛刻得多，要先满足水泵工况要求。因为可逆机问题主要出在水泵工况，表现为噪声过大、振动较烈、电机发烧、抽不上水以及部件损坏等。单级混流可逆式机组实际应用水头范围一般在120~700m，最高已接近800m,目前正向着高水头、大容量和高转速化方向发展。混流可逆机比转速一般用水泵工况最低扬程下的值表示或。式中，H为水泵扬程，n为水泵转速，Q为水泵流量，Kq为比速系数。在给定水头下，比转速的提高将导致可达到的效率水平降低、同步转速较高、机组尺寸较小、机组成本较低、空化系数增加而导致较大的淹没深度、比速系数增加。20世纪80年代以来，500~600m水头段混流可逆机的比转速有了明显提高，广蓄一期、二期和天荒坪蓄能电厂分别为35.6、35.3和33.1m・m3/s，均为世界先进水平。目前常用比速系数来表示可逆机的设计制造水平，广蓄和天荒坪蓄能电厂比速系数均超过3800，接近日本专家预计的上限值4000，处于世界最高水平。因此应综合各种因素慎重研究和确定比转速。一般情况下，出于经济性的考虑，宜选择较高的比转速。2水泵水轮机全特性曲线[1,3]可逆式水泵水轮机的全特性曲线有水泵、水泵制动、水轮机、水轮机制动和反水泵5个工况区。水泵水轮机全特性曲线常用流量特性曲线和转矩特性曲线，且将水轮机工况的流量和转速定为正值，放在第一象限，则水轮机工况的输出力矩和水泵工况的反作用力矩也为正值。在水泵工况与制动工况的分界处流量为0，此时泵工况力矩最小，故各开度线的力矩值在此处都出现下凹状。水轮机飞逸时力矩为零，故两条曲线上力矩为0的各点在单位转速坐标上是对应的。从全特性曲线图上可以看到，最大力矩发生在正、反水泵工况区，正水泵工况区是正常工作区域，设计和制造上必须满足；事故情况下应尽量避免机组进入反水泵区太深。高水头混流可逆机的空载工况应尽量避开不稳定的“S”特性区以防并网困难或不能并网。因为在“S”区域内、同一单位转速下可以有3个不同的单位流量，其中还有个负值，流量瞬时反向对导叶受力是很不利的。形成“S”特性是因为可逆机的转轮直径较大，离心力作用大，进入转轮的水流速度很快下降，致使开度线显著向下弯曲。而常规水轮机开度线在飞逸区附近变化较平缓，不会进入反水泵区。在模型试验中，需要对“S”特性部分进行准确测量和分析，要求试验台应有相应的试验手段（增加阻尼装置）。以往有些试验台受条件限制，不能进行稳定的“S”特性部分试验是个遗憾。例如天荒坪蓄能电厂模型验收试验中受试验台条件限制，没有进行这种测试，而在真机上出现了发电工况空载不能并网的情况，只好临时采取导叶预开启方法并增加导叶不同步装置，解决了发电并网问题。解决“S”特性有3种方法：（1）调速器增加压力反馈回路稳定低频摆动。进水阀节流控制，部分开启，改变水道的水头与流量关系特性，加大导叶开度，使空载转速趋于稳定。采用几个导叶预开启的方法，配置特殊的操作机构。例如天荒坪等电厂所采用的那样。3水轮机工况额定水头的选择[4]选择水轮机工况额定水头，应综合考虑电力系统对蓄能电站实际的调峰要求、电站正常运行范围的水头变化及水头损失特性，协调水轮机工况的效率和运行稳定性等要求，拟定不同额定水头的比较方案，通过技术经济比较后确定。选择中，应注重研究额定水头降低对机组稳定运行、效率及预想出力降低对系统电力平衡的影响。在正常运行水头变幅不大时，可按最小的上、下水库的水位差减去相应的水头损失来选择额定水头，即很接近水轮机工况的最小水头。只要机组一并网运行就可以满发，基本上不存在出力受阻问题，这往往是电网所希望的。当正常运行水头变幅较大时，宜适当提高水轮机工况额定水头。若额定水头定低了，虽然能较好地适应电网调峰要求，但水泵水轮机易产生空蚀，振动增大，效率降低，影响安全稳定运行，同时还加大了机组设计制造难度；随着额定水头的提高，年发电量会略有减少，受阻容量、年受阻电量和年正常发电受阻时间增加，但却可以改善水轮机工况的效率，扩大其稳定运行范围，有利于机组长期安全运行，延长使用寿命。对选择出的额定水头，可用水轮机工况的最大水头与额定水头之比来帮助判断机组的水力性能和稳定性，当此比值在约1.1及以下时，机组性能一般是较好的。反过来用此关系也可帮助初选额定水头，这种经验做法可供参考。对于初选的、水头变幅过大的蓄能电站，往往要研究使用双转速或变速运行机组的可能性，这会大大增加造价和复杂性，应慎重考虑。4水力-机械过渡过程计算[1,3-4]水泵水轮机的全特性曲线是过渡过程计算的重要依据，全特性曲线可以用模型试验方法得到，有些部分曲线很陡或有交叉现象，需转换成便于计算的形式。蓄能电站的水力-机械过渡过程包括输水道中的水力过渡过程和水泵水轮机的机械过渡过程，两者相互影响和相互依存。水力-机械过渡过程仿真计算是非常复杂的，与常规水电站相比，蓄能电站机组具有工况多样而复杂、转换频繁等特点。正常运行时可逆机主要有水轮机、水泵、同步调相和旋转备用4种稳定运行工况。当可逆机组起动或从一种稳定工况转换到另一种稳定工况以及正常停机或事故停机时，可能出现20多种过渡过程。除了与常规水电机组相同的过渡过程外，其独特的过渡过程主要有7种：水泵工况启动、水泵工况正常停机、水泵功率（或流量）的增加或减少、水泵工况事故断电（包括导叶正常关闭和拒动情况）、从水泵工况转换到水轮机工况、从水轮机工况转换到水泵工况和从水泵工况转换到调相工况。为便于过渡过程计算，需将具体的蓄能电站归纳成典型计算图形，能够计算在一根压力钢管上接1~4台机组及上、下游有或无调压室的各种情况，并对管道系统、调压室、转轮和调速系统等建立数学模型。例如，对调速系统是将常采用的PID调速器的传递函数通过拉氏变换写成代数方程或微分方程，再与其他方程联解，用以求解小波动和带调速器的大波动过渡过程。现在使用的计算程序主要是为校核运行工况点、验证系统结构及参数设计的合理性，即预估系统运行中可能出现的极值工况和某些参数的极值，以在工程上采取相应对策。因此，计算时应结合工程实际分析决定系统仿真的内容或计算工况，同时要考虑到不利因素的叠加。例如，对于一管多机的电站应计算多台机组同时或接连相继甩负荷或水泵断电时最不利的组合工况及检查一台或几台机组甩负荷或水泵断电对正在运行机组的影响。目前采用的调节保证计算保证值对于大容量高水头/扬程水泵水轮机允许最大转速升高率不宜超过45%；水泵水轮机甩负荷和水泵断电时的最大压力升高率，当额定水头大于300m时，宜小于30%。由于可逆机的转速较高，最大转速升高率不宜超过45%是合适的，再调高的风险较大；调节最大压力升高率把握性和可控程度要好些。通过优化调节规律和时间，在一定程度上可调节两者的消涨，以更好满足调保要求。5向上水库充水问题[1,4]不少蓄能电站的上水库没有天然径流或天然水源不足，在起动机组前，先要向上水库充水。蓄能机组不宜在很低的扬程下实施充水，是因为当扬程低于某一限度时抽水，机组将产生由于水流条件恶化而引起的强烈振动，或由于电动机超载而损坏。如果用机组向上水库充水要从零扬程开始，则工作条件更不利，因为这时在机组导叶内是泵的关闭扬程，而导叶外几乎没有水压，致使导叶要承受特别大的水压力。所以一般制造厂都对用蓄能机组水泵工况直接向上水库充水加以限制。从资料上看到，美国有个别蓄能电厂用水泵工况直接向上水库充水，虽然在低扬程下工作时间很短，但充水时振动严重，需要在多部位补气才能使振动减轻。现常用的方法是用外卜加泵将压力钢管充水到最低允许使用扬程的水位，再启动机组向上水库充水。如果上水库面积较大，致使外加泵充水时间太长，有的工程就在上水库内建个小围堰，先充满小围堰内的容积，再用机组继续充水。我国几个大型抽水蓄能电站的初次充水过程各有特点，广蓄上水库有较小的天然径流，施工时先让上水库具有蓄水条件，实际用了近一年时间才蓄水到进水口高程。十三陵电厂采用扬程434~476m、流量360~200m3/h和2个额定压力为6.4MPa闸阀减压向压力钢管首次充水就获得了成功。天荒坪电厂采用扬程603m、流量155m3/h的多级泵和2个闸阀减压向压力钢管首次充水，也获得成功。6首台机组首次启动方式分析比较[1,5-6]首台机组首次启动方式分两种工况：水泵工况和水轮机工况。一般常用夕卜加泵向上水库多抽水量，使首次水泵工况起动时的起动扬程尽量高于其异常低扬程。这时，上水库水位还远未达到进行水轮机工况调试的水位，继续用外加泵充水历时很长费用亦高，就要考虑首机首次水泵工况起动了，这样可合理缩短工期和节省蓄水费用。采用水泵工况首次充水时，必须严格控制充水速率和运行时间，分水头段逐级进行，每次抽水完毕后，稳定一段时间，经实时监测确认后，方可继续进行。每次的抽水量都应比前次多些，这样才能尽快达到预定的目标。首机首次调试阶段，两种工况的试验项目往往是交叉进行的，过程较长而复杂，需要适时安排好。首机首次起动，不论采取何种起动方式，调试的水头/扬程都偏低。两种起动方式的低水头调试，都会面临难题。水轮机工况低水头起动，导叶开度较大，较大的开度等值线“S”形特性趋于强化，机组极易进入反水泵工况区，如果此时并网，机组就会从电网吸入功率而较深地进入反水泵工况区，或出现机组转速在空载附近摆动而难以并网的现象。水泵工况低水头起动，由于此时的扬程低于水泵的最小扬程，这时水泵工况起动的压力脉动、振动、空蚀会比较严重。水泵工况首次起动抽水面临不少特殊问题，虽然可采取一些措施，但仍有一些难以确定的因素和较大风险，主要是：（1）水泵工况采用SFC（静止变频器）起动方式，需要大力降低机组起动时的阻力矩。用高压油顶起以减少推力轴承的摩擦力矩；向转轮室压入空气使转轮脱离水面，避免转轮搅水产生很大的阻力矩。（2）需要建立一个比较平稳的注水造压过程，使转轮在搅水建压及随后的扬水过程中，不致承受很大的冲击和振动；由于水泵一旦进入抽水运行，机组入力会短时增加到最大值，甚至可能超载运行。（3）水泵在抽水起动过程中有较长时间的低频运行，而互感器在低频情况下特性可能恶化，难以满足继电保护准确度要求；而许多继电保护装置的构成元件在低频情况下也可能误动。首机首次以水泵工况起动并以额定转速转动，无水情况下的动平衡试验、配重和控制、保护和辅助设备等许多调试结果，需要在机组抽水情况下得到验证。对首台机组首次起动方式比较归纳如下：对于安装单级混流可逆式机组的抽水蓄能电站，首机首次采用水轮机工况起动或水泵工况起动均是可行的方案和方式，国内、国夕卜都有应用实例，迄今我国绝大多数蓄能电站采用了水轮机工况起动方式。首机首次采用两种工况起动都有一定风险。采用水泵工况首次起动风险要大，但对缩短投运工期和节省蓄水费用作用明显。以水轮机工况首次起动和试运转与常规水电机组基本相同，经验丰富，技术成熟。以水泵工况首次起动，经验及技术成熟程度较欠缺；涉及到的设备较多、环节较多、影响因素多，