抽水蓄能機組調相壓水的穩(wěn)定性分析

在調節(jié)相壓力的情況下，向轉向電機室注入壓縮空氣，將電機室內的水位壓至電機以下，以平衡裝置轉動。利用氣體的可壓縮性，大大降低了電機的振動和調相運行的阻力，降低了機組的振動。這是控制和穩(wěn)定調解相的重要組成部分。1機組工況轉換途徑目前國內抽水蓄能電站機組基本由停機穩(wěn)態(tài)(ST)、發(fā)電(G)、抽水(P)、發(fā)電調相(SCT)、抽水調相(SCP)等5個穩(wěn)定運行工況組成,其中機組從停機到抽水必須通過調相壓水,發(fā)電調相是在機組發(fā)電工況經壓水后以滿足工況要求。機組工況的轉換途徑及調相壓水介入見圖1。當機組從停機到抽水調相工況啟動時,調相壓水可以在零轉速或低轉速開始,但是在抽水轉抽水調相或發(fā)電轉發(fā)電調相過程中,機組將在額定轉速下進行壓氣,兩種情況下的壓氣控制將有所區(qū)別。2主要控制系統(tǒng)ELIN公司和ALSTHOM公司均為國際范圍內水電行業(yè)重要的機電設備生產廠家,并在國內均有抽水蓄能電站工程實例,其中ELIN公司提供的控制系統(tǒng)有浙江天荒坪電站、浙江桐柏電站以及安徽瑯岈山電站。ALSTHOM公司的控制系統(tǒng)近期在河北張河灣電站和廣東惠州電站,其中張河灣電站已經完成1、2號機組的整組調試,兩家公司在機組流程控制上均有各自的特點,在調相壓水控制方面根據水機運行特點、要求以及輔助系統(tǒng)配置的不同,在工程實例中也有不同的體現(xiàn),本文根據天荒坪電站和張河灣電站的調相壓氣的特點,分析近幾年國內抽水蓄能機組在這方面控制的發(fā)展。2.1壓氣閥門系統(tǒng)組成調相壓水系統(tǒng)由水機設備、尾水管水位測量系統(tǒng)、壓縮空氣供氣系統(tǒng)、壓氣及排氣閥門系統(tǒng)以及其控制系統(tǒng)、水環(huán)形成及排放和蝸殼平壓及其控制系統(tǒng)等組成,其功能組成圖見圖2,管路示意圖見圖3。2.2尾概況和壓水閥控制方案天荒坪電站抽水蓄能機組水泵水輪機及其主要輔助設備為挪威KVAERNER公司提供,水泵水輪機額定出力為306MW(發(fā)電)/333MW(抽水),額定轉速為500r/min,轉輪標稱直徑為2045mm,調相壓氣氣源采用中壓氣系統(tǒng),額定氣壓為5.9MPa,每臺機組配置一個調相氣罐,正常運行時,各調相氣罐互通,保證各機組壓水充足氣源。機組調相壓水及回水閥門組包括主壓氣閥(MAV1)、補氣閥(MAV2)和回水排氣閥(MAV3);調相壓水過程中須操作的閥門有上下迷宮環(huán)供水閥(RLSCWV)、水環(huán)排水閥(WBPV)和蝸殼減壓閥(ABPV);尾水管水位測量裝置布置于尾水錐管室,水位傳感器前期采用磁感應式接點,后期改造為電導式傳感器,分為水位高高跳機接點,尾水水位高接點(觸發(fā)補氣),尾水水位低接點(停止補氣)以及尾水水位低低接點。電站機組控制系統(tǒng)由奧地利ELIN公司提供并進行現(xiàn)場調試,系統(tǒng)包含調相壓水控制,調相壓水控制程序(控制MAV1/MAV2)與機組工況轉換的順序控制程序融合在一起,主要根據設定時間來控制;調相補氣(控制MAV2)設置一個公共子程序執(zhí)行,主要根據流程啟動命令和尾水管水位來控制補氣。當機組由停機轉抽水調相時,在機組15%額定轉速下開始壓水,進氣口設計可分為頂蓋進氣和錐管進氣兩種方式,后為了降低進氣時造成氣壓沖擊,采用了頂蓋進氣方式,并通過調節(jié)主壓氣閥(MAV1)操作配油管的節(jié)流片孔徑,降低MAV1開/關的速率。主壓氣閥(MAV1)的開/關為開環(huán)控制,由順控觸發(fā),設定固定的時間自動關閉,補氣閥(MAV2)根據設計開啟后由時間設定和尾水管水位低接點共同控制,第一次壓水完畢后開通尾水水位高高機械跳機保護,以防止機組由于壓水失敗而長時間高振動運行。當機組由抽水轉抽水調相時,程序執(zhí)行到導葉全關并打開上下迷宮環(huán)供水閥(RLSCWV)后,此時機組在額定轉速,由于導葉關閉在轉輪室內形成一個建壓狀態(tài),機組振動加大,程序控制立即打開主壓氣閥和補氣閥,迅速將尾水管水位壓至轉輪以下,壓氣閥的控制與低轉速壓水相同,其區(qū)別在于壓水時間將根據機組的不同有所調整。當機組由發(fā)電轉發(fā)電調相以及機組從停機到發(fā)電調相工況時,程序執(zhí)行到導葉全關并判斷球閥開度降到20%及以下時,程序控制立即打開主壓氣閥和補氣閥,迅速將尾水管水位壓至轉輪以下,在該情況下要考慮是如何防止機組進入深度反水泵而導致機組逆功率保護動作出口,首先在壓水閥的控制要求快速壓氣,其次在程序中在關導葉令發(fā)出前,通過硬接線傳輸信號閉鎖逆功率保護。上下迷宮環(huán)供水閥(RLSCWV)的開啟經過延時而實現(xiàn)。2.3尾水水質控制系統(tǒng)張河灣電站抽水蓄能機組水泵水輪機及其主要輔助設備為法國ALSTHOM公司提供(部分設備在國內天津生產),水泵水輪機額定軸出力為255MW(發(fā)電)/268MW(抽水),額定轉速為333.33r/min,轉輪標稱直徑為2550mm,調相壓氣氣源采用中壓氣系統(tǒng),額定氣壓為8.0MPa,每臺機組配置一個獨立運行的調相氣罐。機組調相壓水及回水閥門組包括主壓氣閥(AA407)、補氣閥(AA408)和兩組串聯(lián)的回水排氣閥(AA415/AA416);調相壓水過程中須操作的閥門有上下迷宮環(huán)供水閥(AA413)、蝸殼排氣閥(AA414);尾水管水位測量裝置布置于尾水錐管室,水位傳感器壓差式傳感器,直接向監(jiān)控系統(tǒng)輸出模擬量,由監(jiān)控系統(tǒng)根據模擬量設定相應點分為水位高高跳機,尾水水位高(觸發(fā)補氣),尾水水位低(停止補氣)。調相壓水進氣方式采用尾水錐管段進氣,回水排氣口設置于頂蓋處。電站機組控制系統(tǒng)由法國ALSTHOM公司提供并進行現(xiàn)場調試,該控制系統(tǒng)的設計在滿足機組正常啟停及工況轉換順序控制程序同時,在一些重要輔助設備或安全裝置的操作上,獨立設計公用子流程,如球閥的開關控制、調相壓水、補水及回水的控制以及機組機械保護跳閘程序等。當機組由停機轉抽水調相程序觸發(fā)后,在拖動電氣軸建立前,啟動調相壓水子程序(SQ93),該程序首先判斷壓氣機系統(tǒng)以及調相氣罐壓力正常后,發(fā)令打開主壓氣閥、補氣閥和上下迷宮供水閥,其中主壓氣閥、補氣閥正常情況均通過延時模塊實現(xiàn)關閉,時間整定為16s,為了防止壓水過度,在壓水時若尾水管水位監(jiān)測裝置判斷到水位低,則將強制關閉上述兩氣閥。當主壓氣閥、補氣閥關閉后,子程序發(fā)令打開蝸殼排氣閥和水環(huán)排水閥(由于水環(huán)排水閥兩端手動閥保持關閉位置,該閥打開實際無意義)。機組并網前,若尾水管水位監(jiān)測裝置判斷水位低信號或機組并網后判斷機組有功值小于設定值時,子程序判斷調相壓水完成,向機組啟動主程序發(fā)送反饋信號,下一步是建立電氣軸,機組轉速開始上升。第一次壓水完成后,補氣閥根據尾水管水位高低信號來實現(xiàn)尾水水位保持的功能,為了防止補氣過度,程序設計一個固定延時,當補氣閥打開40s后,尾水水位低信號未能收到,則程序中止補氣,并發(fā)送調相壓水故障信號。張河灣機組抽水轉抽水調相工況以及發(fā)電轉發(fā)電調相時,其流程設計較為簡潔,程序判斷到球閥全關并且下游密封投入、導水葉全關后,啟動公共壓水子程序SQ93,此時壓水是在機組額定轉速下進行,在實際調試過程中,發(fā)現(xiàn)由于高轉速壓水將對尾水管水位測量裝置送出水位信號有一定的影響,導致尾水管水位低信號提前送出而終止壓水,該信號具有暫態(tài)性質,后通過設置一定的延時保證了機組高轉速壓水的成功率。3在相壓水調節(jié)中應考慮的問題以及主調壓水裝置的影響3.1定時限控制策略機組調相壓水時間的控制是根據壓水水位要求而決定,其受氣罐氣壓、尾水管部分容積、下庫水位、轉輪漏氣量等因素的影響,根據實際調試結果,目前兩家公司在主壓氣閥的開啟控制中均用了定時限控制策略,具體的時間控制可根據現(xiàn)場調試情況進行修改和確定,在具體控制中應考慮下面幾個問題:(1)為防止壓水過度,當尾水管水位監(jiān)測裝置測到水位低信號應立即停止壓氣和補氣,此時應保證水位監(jiān)測裝置的動作可靠性。(2)當采用頂蓋進氣方式壓氣時,為了防止開始壓氣時壓力沖擊導致主軸密封抬起,應考慮主壓氣閥控制回路的改進,延緩閥門從全關到全開的時間。3.2機組調相運行氣壓的保持取決于機組尾水管的漏氣量,機組漏氣量大,則壓水保持時間必將縮短,正常情況調相運行的用氣量也將增加,造成氣機運行時間加長,影響了氣機壽命和廠用電率。根據工程實際運行情況,天荒坪電站和張河灣電站壓水保持時間相差很大,與天荒坪電站同一水機供貨商的宜興電站在目前的調相運行數據上看,壓水保持時間均只能保持在30min以內。機組調相運行時主要有以下幾個漏氣點:(1)主軸密封處漏氣至水車室;(2)蝸殼排氣閥排氣至尾水管肘段或下庫;(3)水環(huán)排水夾雜氣水至尾水管肘段或下庫。根據天荒坪電站實際運行情況觀察,密封處的漏氣隨著主軸密封的改造成功,在密封處的漏氣很少,但在機組調相運行時,尾閘處確有大量的氣體排出,這說明天荒坪電站機組調相運行時確有高壓氣逸向下庫,這是否和壓水過深、尾水管形狀特點或蝸殼及水環(huán)排水管路的安裝位置有一定的關系,目前尚須繼續(xù)分析和探討。3.3水環(huán)及排氣閥根據國內工程實例,水環(huán)的形成有兩種方法:(1)利用打開球閥旁通閥,調相運行時,蝸殼壓力上升到壓力鋼管壓力,由此造成的壓差使高壓水通過導水葉的立面和端面間隙形成水環(huán)(廣蓄一期采用);(2)利用轉輪旋轉時產生的離心力,將上下迷宮冷卻水供水甩向蝸殼座環(huán)處,形成水環(huán)(天荒坪以及張河灣電站采用)。水環(huán)的作用是在調相壓水運行時,在轉輪室與蝸殼間形成一層水密封,防止大量氣體進入蝸殼。在實際運行中,如果水環(huán)過厚將導致機組振動加大,迷宮溫度上升,因此必須采取一定的排水措施防止水環(huán)過厚,如設置水環(huán)排水管路,使多余的水排向尾水管。也可利用調相運行時轉輪的離心力作用將高速旋轉的水環(huán)水通過導葉端面間隙排向蝸殼,最后通過蝸殼排氣閥進入尾水(廣蓄二期VOITH機組采用該技術)。根據設計,在天荒坪電站和張河灣電站均設置了水環(huán)排水管路,但在實際應用中,張河灣電站水環(huán)排水管路一直保持人為隔斷狀態(tài),機組實際在抽水和調相運行時無論是振動和溫度均保持正常,而天荒坪電站若發(fā)生水環(huán)排水管路異常隔斷,則機組將不能正常運行,由于轉輪甩水在隔斷處產生的壓力將迅速上升。3.4調相運行時溫度高跳機的分析蝸殼排氣閥又稱蝸殼平壓閥,其作用是在機組調相運行時將轉輪室內通過導葉間隙逸向蝸殼的高壓氣排到下庫,當機組轉抽水時蝸殼內就無大量氣體,保證機組轉抽水的穩(wěn)定性。在張河灣1號機發(fā)電調相調試過程中,曾發(fā)生迷宮環(huán)溫度高跳機,后經查,原因在于當時蝸殼排氣閥(AA414)未打開,考慮到該電站調相運行時水環(huán)排水實際未投入,可以初步判斷,在一定程度上其蝸殼排氣閥承擔了水環(huán)排水的作用,保證調相運行水環(huán)的厚度不至于影響轉輪的正常在空氣中旋轉。在天荒坪電站實際運行中也發(fā)生過由于蝸殼排氣回路中手動閥閥芯斷裂堵塞蝸殼排氣的事件,但實際對迷宮環(huán)運行的影響很小,具有明顯表征現(xiàn)象是在機組轉抽水運行時,急劇上行的水流夾雜蝸殼中的未能排盡的氣體通過壓力鋼管充向上庫,由此產生間斷氣爆的聲音,給機組帶來一定的軸系振動,直至氣體完全排向上庫,一般在1min左右穩(wěn)定。3.5水位測量裝置尾水管水位測量裝置布置于尾水錐管段,一般利用開放容器的液位平衡原理利用上下引出平衡管液位反映尾水管內的實際水位,其主要作用是為機組調相啟動和運行時提供尾水水位信號,控制調相壓氣和補氣。天荒坪電站尾水水位測量裝置在投產前期選用磁接點傳感器,運行中由于振動和環(huán)境濕度大的影響,導致水位測量裝置經常發(fā)生不正常動作,直接影響調相運行的穩(wěn)定性,后改造為電導率傳感器,實際效果顯著,但其尾水的判斷依舊使用獨立傳感器送出的開關量來實現(xiàn)。為了防止尾水壓水異常或轉輪室大量漏氣時能迅速將機組停機,在天荒坪機組機械保護中設計了尾水水位高保護,其構成主要由尾水水位信號經過邏輯判斷后輸出,具體見圖4:張河灣電站在機組控制中大量采用了模擬量信號,其中尾水水位測量也使用了壓差式模擬量傳感器,通過一個傳感器直接將水位信號傳送到機組LCU,其水位高、低信號由監(jiān)控系統(tǒng)設置相應的限制值來實現(xiàn),這種水位測量及判斷的方式優(yōu)點是大大減少了現(xiàn)地傳感器的數量和連接電纜,同時各種控制及保護也容易通過組態(tài)實現(xiàn),但是在實際調試和運行中,模擬量信號的準確性和壓差傳感器在水氣混合帶來影響的解決效果還有待實際運行驗證。3.6動空氣吹向水面在調相運行過程中,轉輪室內充滿壓縮空氣,混流式機組的轉輪具有固定的葉形,在不同的旋轉方向高速旋轉將對機組尾水管內的水面形成不同的作用,在發(fā)電調相運行時,此時轉輪將帶動壓縮空氣吹向水面,導致尾水管水面中間低四周高的特點,抽水調相正好相反,如圖5示意。由圖5可以了解到,若在尾水管壓水過程中或壓水水位控制點較高,則在發(fā)電調相運行時,轉輪室內的四周的水面將將沿著尾水錐管段管壁上升,若碰及轉輪,則對轉輪下迷宮供水將形成一定的阻力,在實際反饋中將有可能造成機組振動加大,迷宮供水流量降低的現(xiàn)象,因此,選擇合理的壓水水位應考慮轉輪不同旋轉方向帶來的尾水管水位不同特點的影響,同時在迷宮環(huán)供水閥開啟控制以及其供水流量低報警及跳機保護的整定上,應根據實際情況做出不同的處理。3.7調相壓水程序關閉壓水過程中選擇停機或發(fā)生異常而跳機后,應立即停止壓水,并啟動回水,保證機組轉輪室內的壓縮空氣盡快排除,水位上升后形成對機組停機的有效制動。天荒坪電站為此在流程中專門設置一個調相壓水程序中斷,當機組調相轉換或啟動過程中發(fā)生任何停機信號,則首先在各自的轉換或啟動流程中發(fā)出主壓氣閥(MAV1)關閉命令,通過公共補氣子程序關閉補氣閥(MAV2)后,立即打開排氣閥(MAV3)并保持。張河灣電站設置公共的回水排氣子程序,當機組調相轉換或啟動過程中發(fā)生任何停機信號,則該程序被啟動,同時發(fā)出關閉主壓氣閥、補氣閥以及蝸殼排氣閥,打開回水排氣閥,當尾水水位到達高高后關閉排氣閥,排氣閥關閉后程序發(fā)令關閉水環(huán)冷卻水供水閥。該回水排氣子程序也同時用于機組調相轉發(fā)電或抽水流程。3.8機組水環(huán)排水閥是否關閉問題首先在機組調相啟動過程中,應注意機組