溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动方式研究与实践

陈忠宾，杜大禹

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213334）

溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动方式研究与实践

陈忠宾，杜大禹

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213334）

抽水蓄能电站首台机首次启动方式对机组乃至整个电站初期安全稳定运行至关重要。本文结合溧阳抽水蓄能电站工程实际，对各种启动方式进行综合比较分析，最终确定采用水轮机空载工况+水泵工况启动方式，确保了首台机组首次启动顺利并网。

首台机首次启动方式；水轮机空载工况+水泵工况

0 引言

溧阳抽水蓄能电站（以下简称溧阳电站）位于江苏省苏南地区溧阳市境内，为日调节的纯抽水蓄能电站，主要任务是为江苏电力系统提供调峰、填谷和紧急事故备用，同时承担系统的调频和调相等任务，是目前江苏省在建的最大的抽水蓄能电站，装有6台单机容量为250 MW混流可逆式机组，第一台机组已于2017年1月发电，2017年8月6台机组全部投产。电站上水库正常蓄水位291m，死水位254m，下水库正常蓄水位19 m，死水位0 m，调节库容1 195.9×104m3。额定设计水头259 m，机组安装高程-57 m，额定转速300 r/min，水泵水轮机额定出力255 MW。

抽水蓄能电站首台机首次启动是机组投入正式运行前的重要环节，选择合适的启动方式对机组乃至整个电站初期安全稳定运行至关重要。首台机组调试过程中一旦出现异常导致紧急停机不仅对机组本身造成损害，对流道结构也会产生一定程度的冲击，后果非常严重。本文旨在借鉴国内已建同类型抽水蓄能电站首台机成功启动调试的经验，结合溧阳抽水蓄能电站自身特点和工程实际情况，以水泵水轮机转轮模型验收结论为依据，选择合适的首台机首次启动方式，为溧阳抽水蓄能电站首台机组成功并网发电奠定坚实的基础，相关工作和取得的成果可供其他抽水蓄能电站参考。

1 首台机首次启动方式

目前，国内外抽水蓄能电站首台机首次启动方式主要有以下三种[1]、[2]：

方式一：纯水泵工况启动

利用外加充水泵向上库充水或利用水库天然蓄水，直至满足机组以水泵工况异常低扬程启动的水位，机组按照水泵工况方式启动调试，并以水泵工况直接向上库充水；

方式二：水轮机空载+水泵工况启动

利用外加充水泵向上库充水或利用水库天然蓄水，上库水位及蓄水量仅满足首台机首次按照水轮机空载工况启动并完成必要的调试项目，然后机组以水泵工况方式启动，向上库充水；

方式三：水轮机工况启动

利用外加充水泵向上库充水或利用水库天然蓄水，充水至上库死水位以上，蓄水量以满足首台机首次按照水轮机工况启动并网后完成全部调试项目的需要，然后机组以水泵工况/水轮机工况交替调试运行。

目前我国已建抽水蓄能电站目前以选择首次从水轮机工况启动方式居多。各工程由于实际施工进度与计划工期会有所差别，降雨量和天然来水量也会由于天气情况的变化有所不同，所以，首台机首次启动方式应该根据工程实际情况进行灵活调整。

2 首台机首次启动方案分析

2.1 水轮机/水泵启动方式对比分析

首台机首次启动方式选择的核心内容在于分析和衡量水轮机工况启动与水泵工况启动两种基本方式各自的利弊，在综合当前电站的外部蓄水条件后，从机组技术环节和工程投资成本的角度出发，选择合适的启动方式。

基于首台机首次调试项目对水轮机工况启动方式和水泵工况启动方式进行了详细对比和分析，如表1所示：

表1 首台机首次调试项目对不同启动方式的要求对比分析表

2.2 溧阳电站首台机首次启动方式分析

各种启动方式对上库初期蓄水量要求各不相同，对机组性能的要求、调试影响和风险也各不相同。现根据溧阳抽水蓄能电站外部施工条件及机组特性对三种启动方式进行具体分析：

（1）纯水泵工况启动

纯水泵工况启动方式对于上库无天然来水的抽水蓄能电站而言是一种缩短工期和节省投资的启动方式。该方式仅需借助外来充水泵将上库蓄水至水泵最低启动扬程范围内即可以水泵工况启动机组向上库充水，继而进行水轮机工况调试。以往蓄能电站相关资料显示，首台机首次启动方式采用纯水泵工况比水轮机工况将在一定程度上缩短工期，项目收益较明显。然而从机组运行稳定性及电站安全角度考虑，纯水泵工况启动方式相对水轮机工况启动方式无疑将承担更大的风险。首台机首次启动采用纯水泵工况启动方式，机组在最低启动扬程下运行受水流压力脉动影响振动较为剧烈，空化特性条件恶劣，且动平衡、轴承负荷及温升等指标将直接面临接近正常运行最大值的考验。对于刚安装完毕的新机组，本身各项技术指标和稳定性均未经过实际运行的考验，在机械或电气环节可能存在某种隐患没有暴露，一旦在水泵抽水工况下出现重要指标异常或者突然断电情况，机组被迫突甩负荷，不仅对引水系统水工建筑物造成强烈冲击，机组本身的安全性亦面临考验。出现这种情况后机组复查修复过程费时费力。

溧阳抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验在50.5 Hz条件下，对导叶开度17 mm和19 mm进行了异常低扬程启动试验，试验结果如图1所示：

图1 水泵异常低扬程启动压力脉动结果图

模型试验结果表明：在水泵导叶开度为19 mm，异常低扬程223 m条件下启动机组，其最大输入功率为265.5 MW（50.5 Hz时），导叶与转轮之间压力脉动值为5.2%（50.5 Hz时），尾水管压力脉动值为1.19%（50.5 Hz时），满足合同中对水泵正常运行范围内入力和压力脉动幅值的要求，模型试验确认在此条件下运行不发生有害振动和空化破坏。但对于压力脉动来说，真机运行工况下脉动值和模型试验下脉动值是不相似的，有可能真机在异常低扬程下运行的稳定性情况变得恶劣。

（2）水轮机空载+水泵工况启动

水轮机空载+水泵工况启动方式适合于上库具备蓄水条件的抽水蓄能电站。只要保证上库水位在水轮机空载调试运行期间高于进/出水口流道顶板高程1 m左右（扣除空载调试水量后相应上库水位），上下库之间形成的水头达到水轮机工况运行的最小水头，即可采用水轮机空载+水泵工况启动方式，做完相关空载试验后随即转入水泵工况。

由于蓄能机组水轮机空载运行工况下易出现不稳定运行情况，即进入所谓的“S”区反水泵工况，首台机首次启动过程中一旦出现这种情况将给调试带来影响，严重情况甚至必须停机检查。故在首台机首次启动采用水轮机工况启动方式之前需对此现象做充分的研究分析。溧阳抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验表明（见图2）：水轮机在最低水头下的空载启动开度A0=9 mm，运行区处于不稳定的“S”区之外，故水轮机空载工况下机组将不会出现不稳定状态。

图2 水泵水轮机“S”特性曲线图

溧阳抽水蓄能电站上下库天然来水量很小，必须依靠外来泵从沙河水库抽水以满足初期蓄水的要求。若首台机首次启动方式考虑采用水泵工况启动，根据水泵最低起用扬程要求上库必须蓄水至高程242.00 m，相应蓄水量为8.9万m3；而考虑采用水轮机空载工况启动，上库水位需至少高出进/出水口流道顶板高程（高程249.00 m）1m左右，综合考虑空载调试用水量，上库需蓄水至高程253.20 m，相应蓄水量为180.1万m3。按外来泵输水能力1 300 m3/h考虑，每天抽水20 h，则水轮机空载工况启动方式将比纯水泵工况启动方式工期滞后约60 d。

（3）水轮机工况启动

水轮机工况启动方式是目前具备上库蓄水条件的抽水蓄能电站大多采用的首台机首次启动方式。该方式对机组首次启动最为有利，水轮机工况首次启动是在负荷逐级增加下进行，对机组振动、压力脉动等稳定性指标、动平衡、轴承负荷、温升等有一个逐步加大的、可调整的逐步考验过程。但是，溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动若采用此启动方式，根据试验项目的调试用水量（空载调试水量+并网运行调试水量），上库需蓄水至257.00 m高程，相应蓄水量为288.1万m3，相比水轮机空载+水泵工况启动方式增加了近110万m3蓄水量。按外来泵输水能力1 300 m3/h考虑，每天抽水20 h，则水轮机工况启动方式比水轮机空载+水泵工况启动方式工期滞后约42 d，比纯水泵工况启动方式工期滞后约100 d。

3 溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动方式

抽水蓄能电站首台机首次启动采用纯水泵工况向上库充水的方式，虽然在国内已有一定工程实践经验，但这种启动方式在机组调试过程中存在一定的弊端和风险。而水轮机工况启动方式一般适用于上库具有丰富天然来水或者为已建人工水库的情况。本电站上库为施工期挖填形成，天然集雨面积较小，初期蓄水需依靠外来水泵从沙河水库抽水。若采用水轮机工况启动方式上库初期蓄水量较大，工期耗费较长，不利于项目成本控制。而水轮机空载工况+水泵工况启动方式相比纯水泵工况启动方式更有利于机组的安全调试运行，相比水轮机工况启动方式对上库初期蓄水量的要求大大减小，有利于节约工程投资成本。

溧阳抽水蓄能电站上库初期蓄水可实现在首台机启动前达到水轮机空载调试运行的要求。因此，电站首台机首次启动采用水轮机空载工况+水泵工况方式。

4 溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动情况

按照研究确定的启动方式，溧阳电站首台机组于2016年6月6日进行首次启动，进行水轮机方向滑动摩擦及升速试验。升速至100%额定转速时机组稳定性指标如表2所示：

表2 首台机首次升速至100%额定转速时机组稳定性指标统计表 单位：μm

机组滑动摩擦检查及升速试验过程中，机组各部位无异声响，机组各部位振动摆度基本正常，机组各部瓦温、油温、水压均正常，各辅助设备运行正常，机组转动方向正确。

水轮机空载试验完成后，机组进行了首次水泵工况抽水试验，共抽水35 min，累计抽水18.5万m3。首次抽水试验过程中机组稳定性指标如表3所示：

首次水泵抽水试验正常，机组各部位运行稳定。

表3 首台机首次水泵工况抽水时机组稳定性指标统计表 单位：μm

5 结论

（1）首台机首次启动方式研究工作从2012年启动至2015年5月结束，历经3年多的时间，整个研究工作紧密结合溧阳电站上下库天然条件和现场施工条件，分析了水泵水轮机转轮模型试验结论，排除了水轮机空载并网运行下进入反水泵工况的情况，对纯水泵启动方式、水轮机空载+水泵工况启动方式和水轮机工况启动方式三种方案，从机组自身稳定性、外部工程投资等方面进行了综合比较，最终确定了水轮机空载工况+水泵工况方式，确保了首台机组首次启动顺利并网。

（2）抽水蓄能机组首台机首次启动方式牵涉面广、研究内容多，水泵水轮机模型验收试验结束后即可开展相关工作，溧阳抽水蓄能电站首台机首次启动方式可供其他抽水蓄能电站参考。

[1]GB/T 18482-2010可逆式抽水蓄能机组启动运行规程[S].

[2]DL/T 507-2014水轮发电机组启动试验规程[S].

TV743

B

1672-5387（2017）08-0007-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.003

2017-03-03

陈忠宾（1984—），男，工程师，从事机电设备管理工作。