某抽水蓄能电站机组运行稳定性分析

景小兵,姜里运,许 闫

(1.辽宁东科电力有限公司,辽宁 沈阳 110179;2.国网锦州供电公司,辽宁 锦州 121000)

0 引言

随着我国经济高速发展,电力负荷需求持续增加,同时对电力系统灵活电源的需求也越来越大[1]。在国家“双碳”目标引领下,国家能源局印发的《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》中提出到2030年抽水蓄能电站投产规模将达1.2亿kW左右[2]。随着抽水蓄能电站规模快速增长,抽水蓄能机组也向着大容量、高水头、高转速方向发展,加上抽水蓄能机组启停频繁、运行工况复杂,导致机组稳定运行压力巨大,抽水蓄能机组的运行稳定性问题日趋严峻[3-5]。

1 机组参数

某抽水蓄能电站安装4台单机容量为300 MW的立轴单极混流可逆式机组。该电站总装机容量为1200 MW,年平均发电量为18.36×108kWh,年发电小时数为1530 h;年抽水用电量为24.09×108kWh,年抽水小时数为2008 h。机组采用“一洞两机”的布置形式,单机容量为300 MW,额定转速为428.6 r/min,额定水头为410 m。水泵水轮机和发电机主要参数如表1、表2所示。

表1 水泵水轮机参数

表2 发电机参数

2 测点布置及试验仪器

2.1 测点布置

在上导、下导、水导轴承基座+X、+Y方向上分别安装位移传感器来测量机组各部位摆度,在试验机组上机架、下机架、顶盖上分别沿水平及垂直方向安装振动传感器来测量机组各部位振动,在机组大轴上安装键相片,并安装1个位移传感器对准键相片以测量机组转速,在水力测量系统蜗壳进口、尾水进口、导叶后转轮前测压管路处分别安装压力及压力脉动传感器测取相应位置压力及压力脉动,机组测点布置如图1所示。

图1 机组测点布置

2.2 试验仪器

试验数据采集系统采用北京华科同安TTS332型水电机组动态信号测试分析系统,该系统可同时输入1路键相信号、8路大轴摆度或轴向位移信号(0～20 V)、16路机架振动信号(±5 V)、8路4～20 mA/0～5 V开关节点工况参数输入。振动传感器采用北京中元瑞讯LVS10低频振动传感器,位移传感器采用Bently 330180型电涡流位移传感器,压力及压力脉动传感器采用罗斯蒙特300S1BAD1/5M5型压力变送器。试验设备现场安装情况如图2所示。

图2 试验设备现场安装情况

3 试验机组稳定性分析

机组稳定性主要通过变转速、变励磁、变负荷试验分析机组转速、励磁电压、负荷与机组稳定性之间的关联性,机组在不同转速、不同励磁电压、不同负荷工况下稳定运行5 min后开始采集试验数据[6-7]。

3.1 变转速试验稳定性分析

在试验机组水轮机方向手动开机,待机组球阀开启后,手动调整导叶开度控制机组升速,分别在0.25nr、0.5nr、0.6nr、0.7nr、0.8nr、0.9nr、1.0nr(nr为机组额定转速)7种工况下测试机组振动摆度等数据,试验时上水库水位为639.1 m,下水库水位为211.7 m。

图3为机组各部位摆度随转速变化趋势图。由图3可知,该机组下导、水导摆度随机组转速升高变化较小;上导摆度随机组转速递增呈先升后降趋势,最高点出现在90%nr。图4为机组各部位振动随转速变化趋势图。由图4可知,该机组各部位振动随机组转速升高整体呈递增趋势;下机架振动变化较小,上机架振动随机组转速变化趋势与上导摆度一致;下机架振动随机组转速升高变化较小;顶盖振动在机组转速小于80%nr时变化较小,在机组转速大于80%nr后快速增加。机组升速过程中摆度数据均满足规范及主机合同规定值[8-9]。

图3 机组摆度与转速关系曲线

图4 机组振动与转速关系曲线

3.2 变励磁试验稳定性分析

试验机组在空转工况稳定运行后,通过励磁调节控制柜给机组加载励磁,逐步升高机组定子电压,分别在空载、0.25Ue、0.50Ue、0.75Ue、1.00Ue(Ue为机组额定电压)5种工况下测试机组振动摆度等数据,试验时上水库水位为638.9 m,下水库水位为211.7 m。

图5为机组各部位摆度随励磁电压变化趋势图。由图5可知,机组下导摆度受励磁电压影响较大,随励磁电压升高而增大;水导摆度几乎不受励磁电压影响。图6为机组各部位振动随励磁电压变化趋势图。由图6可知,上机架水平振动随励磁电压增大而升高;下机架、顶盖水平、垂直及下机架垂直振动几乎不受励磁电压影响。空载工况下上机架水平振动和下导Y向摆度虽满足规范要求,但略高于主机合同规定值。

图5 机组摆度与励磁电压关系曲线

图6 机组振动与励磁电压关系曲线

3.3 变负荷试验稳定性分析

试验机组自动开机至发电工况,在监控系统以0 MW、25 MW、50 MW、75 MW、100 MW、120 MW、140 MW、160 MW、180 MW、200 MW、220 MW、240 MW、260 MW、280 MW、300 MW的顺序依次调整机组有功功率,测试各工况下机组振动、摆度、压力、压力脉动试验数据(见表3—表5)。试验时上水库水位为644.3 m,下水库水位为210.3 m。

表3 不同负荷下机组摆度数据

表4 不同负荷下机组振动数据

表5 不同负荷下机组压力及压力脉动数据

图7为机组各部位摆度随负荷变化趋势图,图8为机组各部位振动随负荷变化趋势图,图9为机组各部位压力随负荷变化趋势图,图10为机组各部位压力脉动随负荷变化趋势图。由图7—图10可知,试验水头下,机组振动、摆度、蜗壳进口、尾水管进口压力、蜗壳进口压力脉动均随负荷增大整体呈下降趋势,机组负荷越大稳定性越好;机组在低负荷区域运行时,机组稳定性较差;机组负荷小于75 MW时,下导、水导摆度较大,超过主机技术合同规定值,最大值为176 μm;上机架、顶盖水平振动较大,超过主机技术合同规定值,最大值为47 μm;机组各部位振动、摆度在负荷大于140 MW时基本趋于稳定,为机组稳定运行区[10];导叶后转轮前压力随负荷增大呈先降后升趋势,压力最低点出现在负荷120 MW时;尾水管进口压力脉动随负荷增大呈先升后降趋势,压力脉动最高点出现在负荷100 MW时。

图7 机组摆度与负荷关系曲线

图8 机组振动与负荷关系曲线

图9 机组压力与负荷关系曲线

图10 机组压力脉动与负荷关系曲线

4 结论

a.试验水头下,机组振动、摆度指标均随机

组转速及励磁电压增大整体呈递增趋势,转速对上导摆度、上机架和顶盖振动影响较大,励磁电压对下导摆度和上机架振动影响较大。

b.根据不同负荷下稳定性试验数据分析结果,在低负荷区域运行时,机组稳定性较差,机组振动、摆度、蜗壳进口、尾水管进口压力、蜗壳进口压力脉动均随负荷增大整体呈下降趋势,机组负荷越大稳定性越好。