某抽水蓄能机组不同水头发电工况下的稳定性试验研究

郭建强，罗国虎，王 熙，瞿 洁，李金伟

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237333；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 概述

抽水蓄能机组在电力系统负荷低谷时利用系统富余电力将水从下水库抽到上水库储存，在负荷高峰时将上水库储存的水放到下水库进行发电，将上、下库中水的势能变化转化为电力系统电能的充放和功率的调节，是电力系统最成熟的调节电源，在系统中具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等“六大功能”[1-6]。

截至2020年底，我国抽水蓄能电站投运总装机规模3 249万kW，在建总装机规模5 393万kW。2021年至今，已有39个总装机4 770万kW抽水蓄能电站获得了签约、核准、开工等重要进展，这一数字已经超过世界最大的水电站-三峡水电站2 240万kW总装机规模的2倍[7]。

抽水蓄能机组的运行状态关系到整个抽水蓄能电站的安全稳定运行[8]，本文针对国内某抽水蓄能机组在3个水头、不同负荷工况下的稳定性进行了现场试验和分析。

2 机组基本参数

水泵水轮机基本参数如表1：

表1 水泵水轮机基本参数

3 试验测点布置

（1）摆度：水导+X方向布置1个测点。

（2）振动：顶盖+X、+Y、+Z方向各布置1个测点，共计3个。

（3）压力脉动：蜗壳进口、无叶区（活动导叶后转轮前）+X、尾水锥管、尾水肘管各布置1个测点，共计4个。

现场传感器安装如图1：

图1 现场试验传感器安装图

4 试验工况

本文着重分析3个水头下的变负荷试验数据，试验工况如下：

（1）静水头：上库平均水位372.79 m，下库平均水位65.02 m，静水头307.77 m；机组负荷：78.6 MW、106.3 MW、130.0 MW、150.5 MW、176.9 MW、201.6 MW、225.3 MW、251.3 MW、274.7 MW、291.7 MW。

（2）静水头：上库平均水位381.81 m，下库平均水位64.13 m，静水头317.68 m；机组负荷：77.8 MW、103.9 MW、128.9 MW、152.8 MW、180.0 MW、201.9 MW、227.4 MW、252.3 MW、276.2 MW、296.4 MW。

（3）静水头：上库平均水位388.64 m，下库平均水位63.18 m，静水头325.46m；机组负荷：73.8 MW、100.3 MW、126.5 MW、147.4 MW、172.0 MW、197.1 MW、222.3 MW、248.4 MW、272.3 MW、294.9 MW。

5 试验结果分析

5.1 变负荷试验1（静水头307.77 m）

不同负荷工况下的水导摆度、顶盖振动的混频峰峰值如表2所示。

不同负荷工况下的压力脉动相对幅值（Δp/ρgH，Δp为压力脉动混频峰峰值，H为静水头）如表3所示。

表2 水导摆度、顶盖振动混频峰峰值

表3 压力脉动相对幅值

5.2 变负荷试验2（静水头317.68 m）

不同负荷工况下的水导摆度、顶盖振动的混频峰峰值如表4所示。

不同负荷工况下的压力脉动相对幅值如表5所示。

表4 水导摆度、顶盖振动混频峰峰值

表5 压力脉动相对幅值

5.3 变负荷试验3（静水头325.46 m）

不同负荷工况下的水导摆度、顶盖振动的混频峰峰值如表6所示。

不同负荷工况下的压力脉动相对幅值如表7所示。

表6 水导摆度、顶盖振动混频峰峰值

表7 压力脉动相对幅值

5.4 变负荷试验综合分析

图2展示了3个水头下的摆度混频峰峰值、振动混频峰峰值、压力脉动相对幅值随负荷的变化趋势。

图2 3个水头下摆度、振动、压力脉动随负荷变化趋势

由图2可以看出：

（1）随着负荷的增大，水导摆度混频峰峰值先快速减小后趋于平缓；3个水头下水导摆度变幅转折点对应的负荷均为150 MW左右，且水导摆度混频峰峰值随负荷变化趋势基本一致，表明水头对水导摆度混频峰峰值的影响很小；根据ISO 7919-5：2005和GB/T 11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定 第5部分：水力发电厂和泵站机组》[9]可知，除75 MW负荷工况外，水导摆度混频峰峰值均不超过145 μm，转轴的摆度水平位于A区（转速为333.3 r/min时，A/B分界线约145 μm），认为机组达到新交付使用时的运行状态；

（2）随着负荷的增大，顶盖振动混频峰峰值先减小后增大再减小，当负荷位于100 MW~150 MW区间内，顶盖径向振动混频峰峰值小幅增大，符合抽水蓄能机组的典型特征；当负荷小于100 MW时，随着水头的升高，顶盖振动混频峰峰值小幅下降；当负荷大于150 MW时，3个水头下的顶盖振动混频峰峰值基本一致，受水头影响很小；根据ISO 10816-5：2000和GB/T 6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第5部分：水力发电厂和泵站机组》[10]可知，除75 MW负荷工况外，顶盖径向振动混频峰峰值均不超过50 μm，机组的振动水平位于B区（B/C分界线为50 μm），认为机组可以无限制地长期运行；

（3）随着负荷的增大，3个水头下的肘管压力脉动相对幅值均不超过2.1%，处于较低水平；蜗壳进口、无叶区、锥管的压力脉动相对幅值基本呈现出不断减小后小幅上扬的变化趋势，静水头317.68 m、负荷152.8 MW工况下，蜗壳进口和无叶区处的压力脉动出现局部峰值，需要进一步深入分析，但总体而言，3个水头下蜗壳进口、无叶区、锥管的压力脉动相对幅值随负荷变化趋势基本一致，吻合良好；当负荷超过150 MW时，三处的压力脉动相对幅值均小于5%，处于可接受水平，表明机组运行状态良好。

6 总结

本文分析了某抽水蓄能机组在3个水头下水导摆度、顶盖振动以及机组内部压力脉动随负荷的变化趋势，研究了水头对上述稳定性参数的影响，并参照相关技术标准对机组运行状态进行了评价，为了解抽水蓄能机组的运行特性提供了实例参考。