抽水蓄能机组调相压水的稳定性分析

抽水蓄能机组调相压水的稳定性分析

在调节相压力的情况下，向转向电机室注入压缩空气，将电机室内的水位压至电机以下，以平衡装置转动。利用气体的可压缩性，大大降低了电机的振动和调相运行的阻力，降低了机组的振动。这是控制和稳定调解相的重要组成部分。1机组工况转换途径目前国内抽水蓄能电站机组基本由停机稳态(ST)、发电(G)、抽水(P)、发电调相(SCT)、抽水调相(SCP)等5个稳定运行工况组成,其中机组从停机到抽水必须通过调相压水,发电调相是在机组发电工况经压水后以满足工况要求。机组工况的转换途径及调相压水介入见图1。当机组从停机到抽水调相工况启动时,调相压水可以在零转速或低转速开始,但是在抽水转抽水调相或发电转发电调相过程中,机组将在额定转速下进行压气,两种情况下的压气控制将有所区别。2主要控制系统ELIN公司和ALSTHOM公司均为国际范围内水电行业重要的机电设备生产厂家,并在国内均有抽水蓄能电站工程实例,其中ELIN公司提供的控制系统有浙江天荒坪电站、浙江桐柏电站以及安徽琅岈山电站。ALSTHOM公司的控制系统近期在河北张河湾电站和广东惠州电站,其中张河湾电站已经完成1、2号机组的整组调试,两家公司在机组流程控制上均有各自的特点,在调相压水控制方面根据水机运行特点、要求以及辅助系统配置的不同,在工程实例中也有不同的体现,本文根据天荒坪电站和张河湾电站的调相压气的特点,分析近几年国内抽水蓄能机组在这方面控制的发展。2.1压气阀门系统组成调相压水系统由水机设备、尾水管水位测量系统、压缩空气供气系统、压气及排气阀门系统以及其控制系统、水环形成及排放和蜗壳平压及其控制系统等组成,其功能组成图见图2,管路示意图见图3。2.2尾概况和压水阀控制方案天荒坪电站抽水蓄能机组水泵水轮机及其主要辅助设备为挪威KVAERNER公司提供,水泵水轮机额定出力为306MW(发电)/333MW(抽水),额定转速为500r/min,转轮标称直径为2045mm,调相压气气源采用中压气系统,额定气压为5.9MPa,每台机组配置一个调相气罐,正常运行时,各调相气罐互通,保证各机组压水充足气源。机组调相压水及回水阀门组包括主压气阀(MAV1)、补气阀(MAV2)和回水排气阀(MAV3);调相压水过程中须操作的阀门有上下迷宫环供水阀(RLSCWV)、水环排水阀(WBPV)和蜗壳减压阀(ABPV);尾水管水位测量装置布置于尾水锥管室,水位传感器前期采用磁感应式接点,后期改造为电导式传感器,分为水位高高跳机接点,尾水水位高接点(触发补气),尾水水位低接点(停止补气)以及尾水水位低低接点。电站机组控制系统由奥地利ELIN公司提供并进行现场调试,系统包含调相压水控制,调相压水控制程序(控制MAV1/MAV2)与机组工况转换的顺序控制程序融合在一起,主要根据设定时间来控制;调相补气(控制MAV2)设置一个公共子程序执行,主要根据流程启动命令和尾水管水位来控制补气。当机组由停机转抽水调相时,在机组15%额定转速下开始压水,进气口设计可分为顶盖进气和锥管进气两种方式,后为了降低进气时造成气压冲击,采用了顶盖进气方式,并通过调节主压气阀(MAV1)操作配油管的节流片孔径,降低MAV1开/关的速率。主压气阀(MAV1)的开/关为开环控制,由顺控触发,设定固定的时间自动关闭,补气阀(MAV2)根据设计开启后由时间设定和尾水管水位低接点共同控制,第一次压水完毕后开通尾水水位高高机械跳机保护,以防止机组由于压水失败而长时间高振动运行。当机组由抽水转抽水调相时,程序执行到导叶全关并打开上下迷宫环供水阀(RLSCWV)后,此时机组在额定转速,由于导叶关闭在转轮室内形成一个建压状态,机组振动加大,程序控制立即打开主压气阀和补气阀,迅速将尾水管水位压至转轮以下,压气阀的控制与低转速压水相同,其区别在于压水时间将根据机组的不同有所调整。当机组由发电转发电调相以及机组从停机到发电调相工况时,程序执行到导叶全关并判断球阀开度降到20%及以下时,程序控制立即打开主压气阀和补气阀,迅速将尾水管水位压至转轮以下,在该情况下要考虑是如何防止机组进入深度反水泵而导致机组逆功率保护动作出口,首先在压水阀的控制要求快速压气,其次在程序中在关导叶令发出前,通过硬接线传输信号闭锁逆功率保护。上下迷宫环供水阀(RLSCWV)的开启经过延时而实现。2.3尾水水质控制系统张河湾电站抽水蓄能机组水泵水轮机及其主要辅助设备为法国ALSTHOM公司提供(部分设备在国内天津生产),水泵水轮机额定轴出力为255MW(发电)/268MW(抽水),额定转速为333.33r/min,转轮标称直径为2550mm,调相压气气源采用中压气系统,额定气压为8.0MPa,每台机组配置一个独立运行的调相气罐。机组调相压水及回水阀门组包括主压气阀(AA407)、补气阀(AA408)和两组串联的回水排气阀(AA415/AA416);调相压水过程中须操作的阀门有上下迷宫环供水阀(AA413)、蜗壳排气阀(AA414);尾水管水位测量装置布置于尾水锥管室,水位传感器压差式传感器,直接向监控系统输出模拟量,由监控系统根据模拟量设定相应点分为水位高高跳机,尾水水位高(触发补气),尾水水位低(停止补气)。调相压水进气方式采用尾水锥管段进气,回水排气口设置于顶盖处。电站机组控制系统由法国ALSTHOM公司提供并进行现场调试,该控制系统的设计在满足机组正常启停及工况转换顺序控制程序同时,在一些重要辅助设备或安全装置的操作上,独立设计公用子流程,如球阀的开关控制、调相压水、补水及回水的控制以及机组机械保护跳闸程序等。当机组由停机转抽水调相程序触发后,在拖动电气轴建立前,启动调相压水子程序(SQ93),该程序首先判断压气机系统以及调相气罐压力正常后,发令打开主压气阀、补气阀和上下迷宫供水阀,其中主压气阀、补气阀正常情况均通过延时模块实现关闭,时间整定为16s,为了防止压水过度,在压水时若尾水管水位监测装置判断到水位低,则将强制关闭上述两气阀。当主压气阀、补气阀关闭后,子程序发令打开蜗壳排气阀和水环排水阀(由于水环排水阀两端手动阀保持关闭位置,该阀打开实际无意义)。机组并网前,若尾水管水位监测装置判断水位低信号或机组并网后判断机组有功值小于设定值时,子程序判断调相压水完成,向机组启动主程序发送反馈信号,下一步是建立电气轴,机组转速开始上升。第一次压水完成后,补气阀根据尾水管水位高低信号来实现尾水水位保持的功能,为了防止补气过度,程序设计一个固定延时,当补气阀打开40s后,尾水水位低信号未能收到,则程序中止补气,并发送调相压水故障信号。张河湾机组抽水转抽水调相工况以及发电转发电调相时,其流程设计较为简洁,程序判断到球阀全关并且下游密封投入、导水叶全关后,启动公共压水子程序SQ93,此时压水是在机组额定转速下进行,在实际调试过程中,发现由于高转速压水将对尾水管水位测量装置送出水位信号有一定的影响,导致尾水管水位低信号提前送出而终止压水,该信号具有暂态性质,后通过设置一定的延时保证了机组高转速压水的成功率。3在相压水调节中应考虑的问题以及主调压水装置的影响3.1定时限控制策略机组调相压水时间的控制是根据压水水位要求而决定,其受气罐气压、尾水管部分容积、下库水位、转轮漏气量等因素的影响,根据实际调试结果,目前两家公司在主压气阀的开启控制中均用了定时限控制策略,具体的时间控制可根据现场调试情况进行修改和确定,在具体控制中应考虑下面几个问题:(1)为防止压水过度,当尾水管水位监测装置测到水位低信号应立即停止压气和补气,此时应保证水位监测装置的动作可靠性。(2)当采用顶盖进气方式压气时,为了防止开始压气时压力冲击导致主轴密封抬起,应考虑主压气阀控制回路的改进,延缓阀门从全关到全开的时间。3.2机组调相运行气压的保持取决于机组尾水管的漏气量,机组漏气量大,则压水保持时间必将缩短,正常情况调相运行的用气量也将增加,造成气机运行时间加长,影响了气机寿命和厂用电率。根据工程实际运行情况,天荒坪电站和张河湾电站压水保持时间相差很大,与天荒坪电站同一水机供货商的宜兴电站在目前的调相运行数据上看,压水保持时间均只能保持在30min以内。机组调相运行时主要有以下几个漏气点:(1)主轴密封处漏气至水车室;(2)蜗壳排气阀排气至尾水管肘段或下库;(3)水环排水夹杂气水至尾水管肘段或下库。根据天荒坪电站实际运行情况观察,密封处的漏气随着主轴密封的改造成功,在密封处的漏气很少,但在机组调相运行时,尾闸处确有大量的气体排出,这说明天荒坪电站机组调相运行时确有高压气逸向下库,这是否和压水过深、尾水管形状特点或蜗壳及水环排水管路的安装位置有一定的关系,目前尚须继续分析和探讨。3.3水环及排气阀根据国内工程实例,水环的形成有两种方法:(1)利用打开球阀旁通阀,调相运行时,蜗壳压力上升到压力钢管压力,由此造成的压差使高压水通过导水叶的立面和端面间隙形成水环(广蓄一期采用);(2)利用转轮旋转时产生的离心力,将上下迷宫冷却水供水甩向蜗壳座环处,形成水环(天荒坪以及张河湾电站采用)。水环的作用是在调相压水运行时,在转轮室与蜗壳间形成一层水密封,防止大量气体进入蜗壳。在实际运行中,如果水环过厚将导致机组振动加大,迷宫温度上升,因此必须采取一定的排水措施防止水环过厚,如设置水环排水管路,使多余的水排向尾水管。也可利用调相运行时转轮的离心力作用将高速旋转的水环水通过导叶端面间隙排向蜗壳,最后通过蜗壳排气阀进入尾水(广蓄二期VOITH机组采用该技术)。根据设计,在天荒坪电站和张河湾电站均设置了水环排水管路,但在实际应用中,张河湾电站水环排水管路一直保持人为隔断状态,机组实际在抽水和调相运行时无论是振动和温度均保持正常,而天荒坪电站若发生水环排水管路异常隔断,则机组将不能正常运行,由于转轮甩水在隔断处产生的压力将迅速上升。3.4调相运行时温度高跳机的分析蜗壳排气阀又称蜗壳平压阀,其作用是在机组调相运行时将转轮室内通过导叶间隙逸向蜗壳的高压气排到下库,当机组转抽水时蜗壳内就无大量气体,保证机组转抽水的稳定性。在张河湾1号机发电调相调试过程中,曾发生迷宫环温度高跳机,后经查,原因在于当时蜗壳排气阀(AA414)未打开,考虑到该电站调相运行时水环排水实际未投入,可以初步判断,在一定程度上其蜗壳排气阀承担了水环排水的作用,保证调相运行水环的厚度不至于影响转轮的正常在空气中旋转。在天荒坪电站实际运行中也发生过由于蜗壳排气回路中手动阀阀芯断裂堵塞蜗壳排气的事件,但实际对迷宫环运行的影响很小,具有明显表征现象是在机组转抽水运行时,急剧上行的水流夹杂蜗壳中的未能排尽的气体通过压力钢管充向上库,由此产生间断气爆的声音,给机组带来一定的轴系振动,直至气体完全排向上库,一般在1min左右稳定。3.5水位测量装置尾水管水位测量装置布置于尾水锥管段,一般利用开放容器的液位平衡原理利用上下引出平衡管液位反映尾水管内的实际水位,其主要作用是为机组调相启动和运行时提供尾水水位信号,控制调相压气和补气。天荒坪电站尾水水位测量装置在投产前期选用磁接点传感器,运行中由于振动和环境湿度大的影响,导致水位测量装置经常发生不正常动作,直接影响调相运行的稳定性,后改造为电导率传感器,实际效果显著,但其尾水的判断依旧使用独立传感器送出的开关量来实现。为了防止尾水压水异常或转轮室大量漏气时能迅速将机组停机,在天荒坪机组机械保护中设计了尾水水位高保护,其构成主要由尾水水位信号经过逻辑判断后输出,具体见图4:张河湾电站在机组控制中大量采用了模拟量信号,其中尾水水位测量也使用了压差式模拟量传感器,通过一个传感器直接将水位信号传送到机组LCU,其水位高、低信号由监控系统设置相应的限制值来实现,这种水位测量及判断的方式优点是大大减少了现地传感器的数量和连接电缆,同时各种控制及保护也容易通过组态实现,但是在实际调试和运行中,模拟量信号的准确性和压差传感器在水气混合带来影响的解决效果还有待实际运行验证。3.6动空气吹向水面在调相运行过程中,转轮室内充满压缩空气,混流式机组的转轮具有固定的叶形,在不同的旋转方向高速旋转将对机组尾水管内的水面形成不同的作用,在发电调相运行时,此时转轮将带动压缩空气吹向水面,导致尾水管水面中间低四周高的特点,抽水调相正好相反,如图5示意。由图5可以了解到,若在尾水管压水过程中或压水水位控制点较高,则在发电调相运行时,转轮室内的四周的水面将将沿着尾水锥管段管壁上升,若碰及转轮,则对转轮下迷宫供水将形成一定的阻力,在实际反馈中将有可能造成机组振动加大,迷宫供水流量降低的现象,因此,选择合理的压水水位应考虑转轮不同旋转方向带来的尾水管水位不同特点的影响,同时在迷宫环供水阀开启控制以及其供水流量低报警及跳机保护的整定上,应根据实际情况做出不同的处理。3.7调相压水程序关闭压水过程中选择停机或发生异常而跳机后,应立即停止压水,并启动回水,保证机组转轮室内的压缩空气尽快排除,水位上升后形成对机组停机的有效制动。天荒坪电站为此在流程中专门设置一个调相压水程序中断,当机组调相转换或启动过程中发生任何停机信号,则首先在各自的转换或启动流程中发出主压气阀(MAV1)关闭命令,通过公共补气子程序关闭补气阀(MAV2)后,立即打开排气阀(MAV3)并保持。张河湾电站设置公共的回水排气子程序,当机组调相转换或启动过程中发生任何停机信号,则该程序被启动,同时发出关闭主压气阀、补气阀以及蜗壳排气阀,打开回水排气阀,当尾水水位到达高高后关闭排气阀,排气阀关闭后程序发令关闭水环冷却水供水阀。该回水排气子程序也同时用于机组调相转发电或抽水流程。3.8机组水环排水阀是否关闭问题首先在机组调相启动过程中,应注意机组