清远抽水蓄能电站三台机组同时甩负荷试验关键技术研究

陈泓宇，汪志强，李 华，程振宇

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

清远抽水蓄能电站三台机组同时甩负荷试验关键技术研究

陈泓宇，汪志强，李 华，程振宇

（清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

本文以清远抽水蓄能电站为例，从试验条件、试验程序控制等方面论述了抽水蓄能机组三机同时甩负荷试验的方法、安全控制及有关试验技术问题，并对试验结果进行分析，为四机甩负荷试验提供经验和打下基础，对其他电厂进行类似试验具有一定参考价值。

清远；抽水蓄能机组；三台机组同时甩负荷试验

0 引言

同一高压输水系统内的3台机同时甩负荷试验在国内抽水蓄能电站极为罕见，国家电网公司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、仙居等抽水蓄能电站，更早期的天荒坪抽水蓄能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、2号机组进行了同时甩300MW负荷试验，但没有再进行3台机同时甩负荷试验；中国南方电网公司的广州、惠州及清远抽水蓄能电站上游输水系统、下游尾水系统均为一洞四机布置形式，惠州抽水蓄能电站5号和6号机组在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均有调压井；清远抽水蓄能电站3台机组同时甩负荷试验有重大的意义。

进行三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，现阶段需要对已投运的3台机组进行同时甩负荷试验。电站1、2、3号机组于2016年6月20～24日进行了三机同时25%、50%、75%和100%甩负荷试验。

1 基本参数

清远抽水蓄能电站装有4台立式单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机机组，单机容量（发电工况）320MW，总装机容量1280MW。上水库正常蓄水位612.5m，死水位587.0m，设计洪水位613.13m。下水库正常蓄水位137.7m，死水位108.0m，设计洪水位141.84m。电站最大毛水头504.5m，最小毛水头449.3m，水轮机工况额定净水头470m。机组安装高程42m，吸出高度为–66m。引水系统布置方式为一洞四机、4台机组共用一个下游尾水调压室。地下厂房布置另有4台主变压器，每两台发电机—变压器组单元在高压侧连接，形成两组连合单元接线，经由两路高压电缆连接500kV地面开关站。500kV地面开关站目前只设置一回500kV清花甲线。在线路跳闸的情况下，清远抽水蓄能电站所有运行机组将甩负荷停机。

在各种组合工况过渡过程中，活动导叶采用2段关闭模式，进水球阀采用1 段关闭模式，且关闭时间慢于活动导叶的关闭时间。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）。

2 甩负荷条件及安全控制确认

2.1 试验前须满足的工作要求

试验前须满足以下各项工作要求：

（1）1号机组、2号机组、3号机组均正常可用。

（2）1～3号机组保护已按设计要求完成保护定值设置，保护已投入运行；准备相关测量仪器，完成3台机组监测回路接线，试验录波和监测设备安装调试完毕，并确保各测量数据时间同步；试验采集数据或滤波信号主要有球阀上游侧压力、蜗壳进口、尾水管进口压力、导叶接力器行程、机组出力/入力和机组转速等。

（3）水淹厂房保护动作回路试验已完成且结果正常。

（4）厂房通风排烟、消防等公用系统已投入使用。

（5）厂房事故照明功能正常。

（6）厂用电切换试验完成正常。

（7）上下库闸门能正常关闭开启。

（8）上、下库水位满足试验要求。

（9）联系供电所对地区备用电源蓄能一、二干10kV 线路用户进行清理，确保地区电源可靠；对蓄能一、二干10kV 线路进线开关保护定值进行校核调整，以满足3台机组厂用电负荷同时切换的要求。

（10）3台机组在线监测系统工作及数据记录正常。

2.2 水轮机甩负荷时导叶关闭规律确认

导叶关闭采用先快后慢两段折线关闭规律，水轮机导叶最大相对开度为94.07%，第一段为快速关闭（约2.4s）至76%折点位置；第二段为慢关，总关闭时间约70s。导叶与进水球阀同时进行关闭，进水阀关闭设计时间为70.5s，详见图1。

图1 导叶和进水阀的关闭规律Fig.1 The closing regulation of wicket gate and inlet valve

经调保计算分析导叶关闭时，球阀是否关闭对机组调保参数的影响不大，因此机组正常甩负荷时的关机过程可仅由机组导水机构完成，将球阀作为在机组甩负荷且导叶拒动时，机组防飞逸的后备保护措施。

导叶关闭规律折点取不同时间、不同开度敏感性分析计算，根据调保计算，参数极值结果对折点位置的敏感度不高，鲁棒性较好，但当折点A取为（2.4s,76%）时，对调保参数有一定优化作用，应尽可能调整折点，使折点位置尽可能靠近76%。为保证现场关闭规律能最大限度地与理论计算一致和试验安全，三甩前对导叶关闭规律进行了专项检查，1号机组折点位置76.15%，2号机组75.64%，3号机组75.44%，关闭斜率与理论计算基本一致，见图2。

图2 1号机组导叶关闭折点Fig.2 The closing turning point of unit 1 wicket gate

2.3 甩负荷时厂用电丢失风险确认

甩负荷试验是通过线路跳闸模拟真实情况进行，试验过程中存在厂用电丢失造成机组损坏风险，在甩负荷试验前做专项厂用电切换试验，确保甩负荷试验过程中厂用电切换功能正常，联系供电所落实蓄能一、二干10kV 线路保供电事宜，试验应避开不利天气的影响。试验时，安排运行人员在厂用电控制盘柜旁，一旦厂用电未能正常倒换，手动操作将厂用电倒换至地区电源供电。同时，要求厂家复核推力轴承断水运行情况，计算结果表明，当冷却水中断15min后，在最恶劣的假设之下，推力轴承油温从额定的45℃升至61℃，推力轴承瓦温从额定69.2℃增加到79.9℃，两者温度均处于可接受的范围之内。其他上导、下导、水导轴承和主轴密封也经计算确认，可以保证机组无损运行15min并安全停机。

同时，厂用电倒换造成监测设备失电无法记录数据风险，将试验监测设备电源全部连接到UPS 装置上由UPS 供电。

3 单机甩负荷试验

2016年1月3日，清远抽水蓄能电站2号机组单机进行甩100%负荷试验，当时的上库水位604.74m、下库水位125.02m，毛水头479.72m，导叶接力器行程286mm（92.0%），2号机组试验结果中，压力钢管水压的峰6.305MPa（约为642.9m）出现在7s 左右，计算结果最大值为634.9m（约6.23MPa），出现在6.9s左右，与实测结果在发生时间和数值上基本趋于一致；尾水管水压在计算结果最小值约为0.49MPa，试验结果中，尾水管最小水压最小值大概为0.5MPa左右，与计算结果在数值上几乎一致；转速上升的峰值557.8r/min（约为30.1%）出现在5.4s，解析结果的峰值564.3r/min（约为31.7%）出现在5.4s，与实测结果在发生时间上趋于一致。

同时，通过1、2、3号机组单机甩负荷的试验结果对比，在和现场试验同样的条件下，通过解析计算捕捉到的模拟波形和现场测定的波形相当接近，均满足合同调节保证值，且有较大的裕度，甩负荷工况的模拟计算使用同一个计算程序，根据单台机解析对现场试验结果的准确再现，可以预测双机甩负荷的计算结果是没有问题。

图3 2号机组单机甩100%负荷试验实测波形Fig.3 The wave of 100% load rejection test unit 2

4 双机甩负荷试验

2016年2月18～19日，清远抽水蓄能电站1、2号机组双机同时甩负荷试验，按25%、50%、75%、100%顺序进行，逐级确认无误后再进行下一步试验。着重介绍一下双机甩100%负荷现场试验结果情况，甩前上库存水位608.84m、下库水位119.24m，毛水头489.6m，导叶接力器行程的275mm（88.4%）。

根据试验数据分析，1号机组蜗壳水压的峰值6.842MPa（约为697.7m）出现在8.5s左右，2号机组蜗壳水压的峰值6.761MPa（约为689.4m）出现在8.6s左右，两台机组的实测值均在未超过理论最大值的范围内，因此两台机组计算结果与实测结果在发生时间和数值上均基本趋于一致。同样，尾水管水压1、2号机组实测值与计算结果在数值上几乎一致。1号机组转速上升的峰值572.1r/min（约为33.4%）出现在6.9s，解析结果的峰值579.2r/min（约为35.1%）出现在5.9s；2号机组转速上升的峰值573.3r/min（约为33.7%）出现在6.9s，解析结果的峰值580.9r/min（约为35.5%）出现在5.8s。两台机组计算结果与实测结果在发生时间上均趋于一致。

从以上的试验结果与计算值的对比来看，蜗壳压力、尾水管压力、转速等参数值均在模拟计算所控制的理论极限区间之内。可以预测三机甩负荷的计算结果也在控制范围内。

图4 2号机组单机甩100%负荷试验计算波形Fig.4 The caculated wave of 100% load rejection test unit 2

5 三机甩负荷试验

试验日期从2016年6月20日开始，具体计划详见表2，每个试验完成后，应得到各方的报告，确认运行系统及试验正常，试验总指挥下令并经总调批准后方能进行下一个试验的工作。

5.1 1号机组发电带50%负荷甩负荷试验（线路断路器跳闸）

500kV 地面开关站目前只设置一回500kV 清花甲线，在线路跳闸的情况下，清远抽水蓄能电站所有运行机组将甩负荷跳机，清花甲线因保护动作跳开，此时清蓄侧线路保护会动作跳开500kV断路器，并由机组LCU根据500kV断路器位置和机组转速变化情况判断后ESD跳闸。从调速器一次调频功能分析，线路跳开后，即使机组没有立即ESD，机组频率上升，导叶的关闭规律依然和ESD停机导叶关闭斜率一致，为验证此规律，2016年6月20日21时18分，1号机组发电带50%负荷线路跳闸甩负荷，试验波形如图6所示。

试验结论分析为：调速器一次调频作用明显，线路一跳，导叶立即关（0.149s），再过1.071s监控动作ESD，1.6s后高频保护动作，3.1s后电气过速110%动作，与机组ESD导叶关闭规律一致。

同时线路跳闸后，厂用高压变压器切换至地区电源逻辑正常，机组各轴承温度稳定，为下一步安全三甩奠定了基础。

5.2 3台机组发电带25%、50%、75%负荷甩负荷试验

2016年6月21～22日，3台机组发电带25%、50%、75%负荷甩负荷试验，三机同时甩25%、50%、75%均满足合同调节保证要求，且与计算值基本一致。线路跳闸后导叶关闭规律与ESD一致，各机组轴承温升正常，机组各部件检查无异常，可以继续100%甩负荷试验。甩后数据见表3。

图5 1、2号机组双机甩100%负荷试验波形Fig.5 The dual 100% load rejection test wave of unit 1&2

表1 1、2号机组双机甩100%负荷试验记录对比表Tab.1 The dual 100% load rejection test contrast Tab.of unit 1&2

表2 三机甩负荷试验计划及时间安排Tab.2 The load rejection test plan and schedule of triad units together

5.3 3台机组发电带100%负荷甩负荷试验

（1）2016年6月23日 11:51:58，三机同时甩试验结果中，3台机组蜗壳水压的峰值比较接近，约为7.02MPa（716.7m）出现在9s左右，3台机组的尾水水压也比较接近，最小值约为0.407MPa（41.5m），与计算结果在数值上相当，趋势一致。转速上升峰值与计算值接近，较预想还有一点裕度，均在模拟计算所控制的理论极限区间之内,见表4。

（2）3台机组导叶关闭折点均在76%附近，快关与慢关斜率与理论趋势一致，说明调速器的一次调频在线路跳闸机组甩负荷过程作用明显，3台机组相当于线路一跳闸，立即同步关闭导叶。

（3）3台机组蜗壳压力、峰值趋势一致，1号和3号机组尾水压力趋势一致，峰值接近，但2号机组尾水压力波形趋势与1、3号机组略有不同，在四机同时甩前需对其管路和传感器进行检查确认；3台机组转速趋势一致，峰值基本接近，与理论计算趋势一致。

（4）三甩负荷过程，振动摆度特征数据较单甩、双甩时，数据略大一点，但趋势一致，说明三甩时转速略较单甩、双甩时大，甩后检查机组振动摆度等数据均和三甩前数据一致，说明三甩后机组结构没有受到破坏。

（5）三甩负荷过程中，各轴承温度稳定。

图6 1号机组发电带50%负荷甩负荷试验（线路断路器跳闸)Fig.6 The 50% load rejection test of unit 1 in generation mode（the circuit breaker trip)

表3 三台机组发电带25%、50%、75%负荷甩负荷试验Tab.3 The 25%,50%,75% Parf load rejection test of three units in generation mode

6 结束语

（1）通过清远抽水蓄能电站“一洞四机”三机同时甩负荷试验，试验测量的主要参数的数值与计算结果较为接近，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先快后慢导叶两段关闭规律是可行的，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。

表4 3台机组发电带100%负荷甩负荷试验记录Tab.4 The triple 100% load rejection test records of three units in generation

图7 3台机组发电带100%负荷甩负荷蜗壳压力趋势图Fig.7 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

图8 3台机组发电带100%负荷甩负荷尾水压力趋势图Fig.8 The spiral case pressure trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

图9 3台机组发电带100%负荷甩负荷导叶、转速趋势图Fig.9 The wicket gate and unit speed trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

图10 3台机组发电带100%负荷甩负荷计算趋势图Fig.10 The caculation trend diagram of triple 100% load rejection test of three units in generation mode

表5 3台机组发电带100%负荷甩负荷振动摆度特征数据表Tab.5 The vibration and shaft displacement characteristics data Table of triple unit 100% load test in generation mode

续表

（2）在电站甩负荷试验过程中,根据前一阶段的实测结果实时进行计算对比分析，可以为下一阶段的试验提供相应参考，从而一定程度上降低了试验过程中的风险，先快后慢导叶两段关闭规律因折点在76%，有必要在甩100%负荷前确认，有利于现场试验的安全、顺利进行。

（3）可根据试验结果推断相关修正方法和修正值及3台机组的试验结果和4台机仿真计算结果，推断4台机组同时甩的可能达到的值，复核一开始选择的设计值是否满足安全。

（4）目前一洞多机布置形式机组相继甩负荷尾水管真空度比较难满足要求，三机甩负荷试验还有个目的，就是复核厂家调保计算中的极端情况：如3台机组满发2台机组甩负荷第三台延时6s甩，会出现尾水负压的结论等，通过三机甩负荷数据与理论三机甩荷计算成果作对比，进行误差分析。

（5）同一高压输水系统内的3台机组同时甩负荷试验在国内抽水蓄能电站极为罕见，三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。

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陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail:542120791@qq.com

李 华（1982—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电项目基建、生产维护工作。E-mail:li1982hua@163.com

程振宇（1988—），男，学士，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail:359028830@qq.com

Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station

CHEN Hongyu,WANG Zhiqiang,LI Hua,CHENG Zhenyu
(Qingyuan Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Qingyuan 511853,China)

The paper,Qingyuan Pumped Storage Power Plant as an example,from the aspects of test conditions,test program control discusses the load rejection test method of the pumped storage 3 units together,safety control and test technical problems,and the test results are analyzed,for four units load rejection test to provide experience and establish foundation.It is a certain reference value for other plants doing the similar test.

Qingyuan; the pumped storage units; the load rejection test of the pumped storage 3 units together

TV734.2

A 学科代码：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.004