黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾_郑建兴.pdf

87郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾0引言黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城县桥驿镇，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区，为湖南省第一座建成投运的抽水蓄能电站1。装设 4 台单机容量为300MW 的单级立轴混流可逆式机组，电站毛水头/静扬程335.0 272.8m，水轮机工况额定水头 295m，属 300m 中水头段机组，比转速适中，最大扬程与最小水头的比值达到 1.27，水头变幅范围大，水力设计难度高。2005 年，在国家发展改革委统一部署下，对抽水蓄能机组进行打捆招标，开展国际合作，以市场换技术，黑麋峰电站机组为打捆招标的第二批项目。2006 年 12 月，签订机组及其附属设备设计供货合同，首次由国内制造厂（东方电机有限公司，以下简称东电）担任机组及其附属设备合同的主包方，负责设计、制造、供货，并提供安装、调试、试验全过程服务；按照“技术引进、消化吸收”，然后再“扶一程”的原则，阿尔斯通作为技术支持方和关键部件的分包商，水力设计及首台机组整机供货由阿尔斯通负责，、机组逐步过渡到全国产化。2009 年 8 月，电站首台机组投入商业运行，2010 年全厂 4 台机组全部投入商业运行，并首次由中方牵头完成调试试验工作。电站机组在调试试运行期间，存在水轮机工况转速波动大、并网困难问题，后通过设置非同步导叶预开启装置得到解决；水轮机工况甩负荷需要采用导叶延时关闭、球阀参与调节等措施；过渡工况振动、摆度偏大且压力脉动剧烈。同时，电站输水系统高压岔管上方山体区域存在环境振动问题，夜间机组运行时，存在较明显的振感，严重影响居民的正常生活和社会安定。电站机组转轮叶片数与活动导叶数采用 9+20 组合，几乎囊括了我国抽水蓄能机组技术引进、消化吸收阶段，阿尔斯通水力设计所有的典型特征，是我国抽水蓄能电站重要装备国产化的“试验田”和“试金石”。2011 年，电站进行了现场甩负荷试验，在进行单机甩100%负荷试验和同一流道双机甩 50%负荷时，发现包含压力脉动的蜗壳进口压力已达 480m 左右，超出数值模拟计算值较多，当时由于缺乏足够的认识，相关试验未予全部完成。黑麋峰抽水蓄能机组国产化与 水力优化总结回顾郑建兴1，刘平2，梁权伟3，任绍成4，曾艳梅1（1中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014；2国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市410200；3东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市618000；4中国水利水电科学研究院，北京市100038）摘要：本文简要介绍了黑麋峰抽水蓄能机组经历了“技术引进、消化吸收”阶段，在水力过渡过程、水轮机空载并网、现场甩负荷试验以及土建结构与区域环境振动遇到的诸多问题，通过不断地去探索问题的本质和根源，寻求解决措施及方法。国内制造厂“自主创新”阶段，通过对机组水力优化和改造升级，全面解决了上述问题，成为第一座由国内制造厂自主对引进技术的可逆式机组进行水力优化、改造升级的抽水蓄能电站，标志着我国抽水蓄能电站在设计、建设、运行维护和技术改造水平得到了稳步提高，在水力设计等关键技术领域取得了重大突破，其改造思路和方法，可作为同类电站借鉴和参考。关键词：抽水蓄能机组国产化；水泵水轮机“S”特性；导叶延时关闭；非同步导叶；水力激振；区域环境振动；水力优化与改造中图分类号：TV743文献标识码：A学科代码：570.3520DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.01588水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20232014 年，在国网新源控股有限公司（以下简称国网新源公司）的领导下，黑麋峰公司组织相关单位重新启动并全面完成了机组甩负荷试验。2015 年 3 月，国网新源公司专家技术委员会在北京主持召开了黑麋峰机组运行方式审查会，针对机组压力脉动较大问题，专家建议对与其他三台机组差异性作进一步分析比对，并对下一步机组全方式运行作进一步研究。2015 2016 年，黑麋峰公司联合设计院和科研单位，针对输水系统区域环境振动问题，通过现场试验和三维有限元数值模拟计算相结合的手段，对其产生的机理、振源及其传递路径和运行规律等进行了系统全面的分析研究。从 2016 年开始，黑麋峰公司联合设计院与制造厂，在充分消化吸收可逆式机组技术转让成果基础上，攻坚克难，历时 2 年，全面开展了机组水力优化工作。2019 年 1 月，国网新源公司在北京主持召开了黑麋峰机组水力优化成果专家评审会，水力优化关键性能及主要目标参数合理，优化结果全面达到预期目标，水力优化方案通过评审，技术上已具备开展下一步工作的条件。随后，第三方模型验收试验在中立试验台中国水利水电科学研究院大兴试验基地水力机械实验台 TP1 上进行，经验收试验验证，东电自主开发的 D961C模型水泵水轮机各项关键水力性能和主要技术参数全面达到了预期目标。2020 年 12 月，结合机组 A 修更换了新的转轮及导水机构，经过调试、试验及实际运行验证，全面解决了困扰电站运行多年的诸多问题，实现了既定目标。电站成为第一座由国内制造厂自主对引进技术的抽蓄机组进行水力优化改造升级的项目，标志着我国抽水蓄能电站在设计、建设、运行维护和技术改造水平得到了稳步提高，在水力设计等关键技术领域取得了重大突破，其改造思路和方法，可作为同类电站借鉴和参考。1探路1.1水泵水轮机模型试验2007 年 1 月，黑麋峰水泵水轮机模型验收试验在法国阿尔斯通 TP3 试验台进行。在进行水泵水轮机四象限特性试验时，水泵水轮机全特性曲线出现了非常明显的“S”形区域1-2（见图 1）。在水轮机实际运行水头范围内，空载开度 为 5 12，处于不稳定的“S”形区域。在此区域内，机组的同一个单位转速 n11对应 3 个不同的单位流量 Q11，而其中 1 个单位流量 Q11为负值，即水轮机工况空载同期并网、甩负荷等过渡工况易进入反水泵区，产生不稳定现象3。同时，在 16 个同步导叶开度为 6，其他 4 个导叶非同步开度为 25下，对水轮机空载区域“S”特性重新进行了试验1，试验结果得到明显改善。在之前投入运行天荒坪、张河湾抽水蓄能电站均遇到了此问题，后通过采用非同步导叶方案予以解决。从当时的技术水平来看，尚没有提出“S”区裕度的概念，也没有在合同中明确规定水轮机空载并网不允许采用非同步导叶方案。因此，从当时的技术水平、工程进度和阿尔斯通的项目饱和程度等综合考量，模型验收试验组最终在验收会议纪要上签字，验收试验予以通过。105100959085757080200180160140120100806040200单位转速n11/(r.min1)单位流量Q11/(L.s1)图 1水轮机空载区域“S”特性1Figure 1 “S”characteristics in no load area of turbine89郑建兴等：黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾另外还注意到，水轮机空载和部分负荷工况，导叶与转轮之间的压力脉动相对较大。同时，水泵水轮机空化试验结果表明，在 49.5Hz、最大扬程、最小流量工况和 50.5Hz、最小扬程、最大流量工况运行时，初生空化系数稍大于电站空化系数。但从目前电网频率的实际偏差范围来看，机组运行在上述两个极限频率区的可能性几乎不存在。从整体来看，黑麋峰水泵水轮机虽然可满足电站长期在无空化状态下运行的要求，但是空化裕度偏小1。1.2水力过渡过程问题2004 年，可研阶段利用相近水头和比转速的机组全特性曲线进行了水力过渡过程计算，蜗壳、尾水管等主要部位压力极值以及机组最大转速上升率均满足调节保证值要求。2007 年，机组完成模型验收试验后，为解决水轮机工况甩负荷时尾水管真空度问题，阿尔斯通先后提出了导叶延时 10s关闭1、进水球阀参与调节（先后提出了一段和两段关闭规律）等非常规手段（见图 2），并召开了多轮次的专题研究会议。鉴于此，还先后委托了武汉大学、河海大学进行复核计算与分析，均没有找到更好的导叶关闭规律和解决措施。通过不断地深入研究和探索，究其问题的根源，为水泵水轮机“S”特性对水力过渡过程的影响，在此不再赘述。605040302010010080604020导叶/球阀开度/%时间/s水泵工况导叶关闭规律水轮机工况导叶关闭规律老的球阀关闭规律：一段60s新的球阀关闭规律：二段15s+150s图 2导叶和进水球阀关闭规律图Figure 2Closure law for guide vane and intake spherical valve1.3水轮机工况空载并网问题2009 年 5 月，电站首台机组开始有水调试，调试试运行初期转速波动大（约 8%），难以并网（见图 3），阿尔斯通通过设置 6 个非同步导叶预开启装置得以解决，且在所有运行水头下空载起动并网时均需要投入，在水头301.7m 以上运行时需投入 4 个非同步导叶，在水头 301.7m及以下运行时需投入 6 个非同步导叶2（见图 4），这在行业内尚属首次。在水泵水轮机全特性曲线表现为，水轮机制动工况全水头运行范围内均存在明显的“S”形不稳定区域特性。然而，非同步导叶实际上是破坏了转轮腔体内的水力平衡，水轮机工况空载并网问题虽然得到了解决，但是过渡工况机组振动、摆度较大，部分指标甚至超出规范要求2。1.4现场甩负荷试验2011 年 1 月，电站 4 台机组全部投产后，进行了现场甩负荷试验，在进行单机甩 100%负荷试验和同一流道双机甩50%负荷时，发现包含压力脉动的蜗壳进口压力超出计算值较多，相关试验未予完成4。2013 年 10 月，黑麋峰公司组织相关单位重新启动机组甩负荷试验，中南院联合武汉大学首次将经验模态分析法系统全面地应用到抽蓄机组的甩负荷试验反演分析中4-5。经过对全厂 4 台机组累计 40 多次甩负荷试验，预测压力极值与实测压力极值吻合性较好，为机组历次甩负荷试验提供了可靠的技术保障，规避了试验存在的技术风险，圆满完成了同一流道双机同时甩 100%负荷试验。同时，取得的几点成果和认识如下：（1）经过对历次甩负荷试验数据的频谱分析，求得的均90水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023120.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.00100.0080.0060.0040.0020.000.00250.00260.00270.00280.00290.00300.00310.00320.00时间/s转速/(r.min1)转速：Hmax=335m导叶开度：Hmax=335m导叶开度：Hn=315m导叶开度：Hmin=272.8m转速：Hn=315m转速：Hxin=272.8m导叶开度/%图 3同步导叶条件下的机组转速波动Figure 3Unit speed fluctuation under synchronous guide vane condition370.0350.0330.0310.0290.0270.0250.00.02.04.06.08.010.012.014.0272.8m301.7m335m导叶开度/()非同步导叶工况:14个同步导叶和6个非同步导叶(其中2个导叶10,4个导叶22)16个同步导叶处于开启状态14个同步导叶处于开启状态非同步导叶工况:16个同步导叶和4个非同步导叶(其中2个导叶10,2个导叶22)非同步导叶工况下的同步导叶开度模型试验(20个同步导叶)现场试验(6个非同步导叶)导叶开度限制线水轮机水头4个非同步导叶6个非同步导叶水头/m图 4非同步导叶开启条件Figure 4Opening conditions of asynchronous guide van