抽水蓄能发电技术5

抽水蓄能发电技术

5水泵水轮机

过渡过程

• 5 水泵水轮机过渡过程

• 5.1 水泵水轮机过渡过程

• 5.1.1 水轮机工况甩负荷过程• 5.1.2 水泵工况断电过渡过程• 5.2 水泵水轮机过渡过程控制标准• 5.3 水泵水轮机过渡过程计算工况• 5.4 改善调节保证参数的措施

•随着我国国民经济的发展，电力系统日趋复杂，电网安全日显重要，抽水蓄能电站在电网中已不仅仅起着削峰填谷的作用，而是逐步过渡为电网保安工具，在维系电网安全的同时，其自身的安全性必须得到充分保障，而抽水蓄能电站输水系统中发生的水力─机组过渡过程往往是威胁电站运行安全的主要因素，对其进行预测、控制是抽水蓄能电站输水系统布置设计中的首要问题。

•抽水蓄能电站为了满足电力系统动态服务的要求，往往具有一机多用、工况转换迅速、启停频繁、压力脉动剧烈的特点，由此将导致输水系统中产生复杂的水力瞬变过程。巨大的水流惯性所带来的能量不平衡，将引起输水系统中内水压力及机组转速的剧烈变化，危及电站的运行，影响机组的寿命。因此，须进行电站运行中各种工况的过渡过程计算，以对系统的稳定性及危险工况进行预测，为输水系统结构布置、机组及调速系统参数的选择、导叶关闭规律的优化等提供依据。不同于常规水电站及泵站的单向发电或抽水，抽水蓄能电站在水道设计、可逆机组转轮设计上须同时兼顾二者需要，保证双向过流运行的高效安全。该特点决定了抽水蓄能电站的水力过渡过程较常规水电站、泵站更为复杂，主要体现在：

•（1）机组过流特性曲线中存在严重的倒S型，而在“倒S型”区域内机组转速的变化对过流特性影响巨大，较小的转速变化，会引起较大的流量变化，从而在引水系统中产生较大的水锤，出现所谓的“截流效应”，由此导致抽水蓄能电站过渡过程中发生的水锤类型不同于常规水电站机组，既非首相水锤，也非极限水锤，同时还伴随剧烈的压力脉动现象。常规低水头水电站水锤压力主要由导叶关闭引起，多发生极限水锤，控制值出现在导叶关闭终了的流量为0的时刻附近，而对于抽水蓄能电站，由于过流特性不同于常规水轮机，在导叶关闭过程中，机组引用流量变化源于导叶关闭与转速上升两方面因素，流量减小很快，短时间内甚至会出现倒流现象；对于常规电站水轮机关机时间越长，虽然机组转速上升越大，但水锤压力相对越小，而高水头可逆机组由于其转轮流道狭长，转轮直径一般比常规水轮机直径大30％～50％，相应的离心力就大，即使在水轮机方向旋转，也存在部分水泵作用，产生阻止水流进入转轮的作用力，当转速达到飞逸转速时，离心力急剧加大，尽管转速和接力器行程变化很小，流量也将产生很大变化，在产生较大水锤压力的同时，还伴随着剧烈的压力脉动。

•虽然压力脉动产生机理目前尚不十分清楚，还没有精确计算方法，但现场实测资料表明：在导叶关闭所产生的水力过渡过程中，较高的转速常伴随较大的压力脉动，最高转速开度越大，脉动压力相应越大，持续时间约3～5 s，而且当机组转速上升值达到飞逸转速时(力矩为0附近)，意味着机组已进入了抽水蓄能电站可逆机组的倒S型水力不稳定区域，此时转速的微小变化均将导致流量的大幅变化，而关闭规律及水库端反射的减压波的影响相对而言较小，由此带来的大幅压力变化导致了该时刻附近蜗壳末端实测压力出现峰值。

之所以是附近，主要是因为转速上升最大值可以较准确量测，而最大压力动态量则受压力脉动影响，难以准确得到，存在一定的区间范围。

•（2）过渡过程计算工况多且复杂。该特点实际上是由抽水蓄能电站运行决定的，既要考虑发电工况事故甩负荷，又要考虑抽水工况事故断电；对于设置了上游或尾水调压室的输水系统还必须考虑各种最不利的水位、流量组合工况。抽水蓄能电站运行中包含5种基本工况：静止、发电、发电方向调相、抽水、抽水方向调相；12种基本工况转换：静止至发电、发电至静止、静止至发电方向调相、发电方向调相静止、静止至抽水、抽水至静止、静止至抽水方向调相、抽水方向调相至静止、发电至发电方向调相、发电方向调相至发电、抽水至抽水方向调相、抽水方向调相至抽水。此外，还有两种极端转换方式，即抽水到发电的直接转换和发电到抽水的直接转换。机组制造厂家为避免转换过程机组受到较大冲击，一般不建议采纳该方式。上述过渡工况均属于操作过程中的过渡工况，在正常情况下均是有控的，但在事故情况下，则可能出现部分是有控的，如水泵失电，导叶紧急关闭；部分是失控的，如水泵失电，导叶拒动；后两种是我们需要研究的过渡过程工况，机组和引水系统要靠其自身特性来维持它们的安全。

•抽水蓄能电站的水道系统均较复杂，同时又要作水泵和水轮机两种工况运行，运行组合工况综合起来更多，再加上抽水蓄能机组的流量特性和力矩特性，故水泵水轮机过渡过程通常比常规水轮机过渡过程要复杂得多。

•水泵水轮机正常运行时主要有水轮机工况、水泵工况、水轮机工况调相、水泵工况调相和旋转备用工况，各工况之间的互相转换以及机组在各工况下正常与事故停机等组合成20多个过渡过程工况。实际上抽水蓄能电站关注的主要有水轮机工况甩负荷、水泵工况断电等几种工况。

5.1.1水轮机工况甩负荷过程

•水轮机工况甩负荷过程通常出现在电网或机组发生故障导致机组紧急停机时，这时导叶关闭或拒动引起水道系统产生水锤现象。此时机组运行工况可能在水轮机工况区、水轮机制动工况区及反水泵工况区，其在流量特性曲线中的运行轨迹如图5-1所示，其中

A→B→C→D为额定工况甩满负荷时导叶紧急关闭的运行轨迹，A→B→E→G为相应导叶拒动时的运行轨迹，并在E→G之间沿等导叶开度线上产生振荡。

图5-1 水轮机工况甩满负荷机组在四象限特性曲线中的运行轨迹

A →

B →

C →

D 为

额定工况甩满

负荷时导叶紧

急关闭的运行

轨迹。

A →E →G 为相

应导叶拒动时

的运行轨迹，

并在E →G 之间

沿等导叶开度

线上产生振荡。