抽水蓄能电站首机首次水泵启动工况试验研究

抽水蓄能电站首机首次水泵启动工况试验研究
王胜军;张国良;靳国云
【摘要】The operating condition of turbines has been nostly applied in
first unit's initial startup in foreign large - scale punped - storage power station so far. However,this node often leads to long construction period and high cost,laying a great burden for the project owner. Thus,in view of the actual situation of Baoquan Punped - Storage Power Station,the research and startup experinent are conducted for first unit's initial startup node under punp condition. The results show that this startup node can be connonly used for the station without water in upper reservoir or lack of runoff,which is conducive to saving water filling cost and shortening construction period,so as to nake the project put into operation and generate econonic benefits ahead of tine. Therefore,the startup node under the operating condition of punp is preferable.%迄今为止，国外一些大型抽水蓄能电站首机首次启动试验大多采用的是水轮机工况启动模式。

这种工况模式往往会导致工程建设工期长及建设成本高，对工程建设方而言是一个很大的负担。

为此，结合宝泉抽水蓄能电站的实际情况，对于将水泵工况作为该电站的首机首次启动模式展开了分析研究和启动试验。

结果表明，对于电站上库没有天然来水或者是径流不足的大型抽水蓄能电站，将该启动方式作为一种正常的首机首次启动模式，非常有利于节约充水成本，缩短建设工期，使工程提前投产发电并发挥经济效益。

因此，无论是从技术上还是从经济上来分析，水泵启动模式都应该是一种优选模式。

【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2014(000)021
【总页数】5页(P37-41)
【关键词】抽水蓄能;首机首次启动模式;水泵工况;启动试验;宝泉抽水蓄能电站【作者】王胜军;张国良;靳国云
【作者单位】华北电力大学经济管理学院，北京 102206; 国网新源河南天池抽水蓄能有限公司筹建处，河南南阳 473000;国网新源河南天池抽水蓄能有限公司筹建处，河南南阳 473000;国网新源河南天池抽水蓄能有限公司筹建处，河南南阳473000
【正文语种】中文
【中图分类】TV734
抽水蓄能机组为可逆式机组，既可作为水轮机运行，也可作为水泵运行。

但是针对抽水蓄能电站首台机组的启动模式，即究竟应以水轮机工况启动还是以水泵工况启动，至今在行业内一直没有一个统一的认识。

原有规程规范(《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》(GB/T18482-2001))提倡以水轮机工况为首次启动模式，尽管没有明确反对采用水泵工况启动模式，但在技术上缺乏标准和指导。

在此之前，国内已建抽水蓄能电站均选择以水轮机工况来实施首机首次启动试验。

工程实践表明，首台机组首次启动采取水轮机工况(即发电工况)模式，常常会带来建设工期及成本上的很大负担。

而采用水泵工况启动不仅可以减少上水库初时蓄水要求，降低调试蓄水费用，而且还可以缩短建设工期，减少水库建设动态投资，其工程经济性和环境适应性明显要优于发电工况启动模式。

抽水蓄能电站首机首次启动调试模式选择的系统性研究，是对各种工况启动的差异原理、前提条件及技术方案开展深入探讨，并依托电站建设项目对首台机组首次水泵工况启动方式进行试验研究，实现真正意义上的抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动，具有重要工程意义、经济价值和社会效益。

1 首机首次水泵工况启动模式
1．1 启动模式经验回顾
国外大型抽水蓄能电站首机首次启动试验大都采用水轮机工况启动模式，但也有采用水泵工况启动模式的先例。

如日本的喜撰山、奥多多良木、南原、奥清津、神流川，美国的路丁顿、布伦汉姆-吉尔博、卡斯泰克，比利时的COO-TROIS PONTS等抽水蓄能电站也均采用了水泵工况首机首次启动模式。

国内由于受规程规范以及工程经验的局限，在宝泉蓄能电站建设之前，所有已建抽水蓄能电站均采用的是水轮机工况启动试验模式。

可以说，在宝泉项目之前，国内尚无真正意义上的水泵工况首机首次启动试验先例［1］。

1．2 宝泉首机首次启动模式
宝泉抽水蓄能电站位于河南省新乡市境内，是一座日调节纯抽水蓄能电站。

电站装机容量为1 200 MW，即安装4台300 MW立轴、单级、混流可逆式抽水蓄能机组。

4台发电电动机与4台主变压器组成单元接线，高压侧为联合单元接线，以一回500kV线路接入华中电网，担任调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。

该电站上库无天然来水，受自然条件、工期及施工供水系统容量的限制，在首机首次启动试验前难以提前贮备较大的蓄水量。

根据上库初次蓄水、机组整组启动试验安排以及并网发电目标工期的要求，经过技术经济论证，认为采用水泵工况实施首机首次启动试验应该是一个实际可行的选择，并最终确定采用水泵工况作为首机首次整组启动试验。

在完成一系列基础性试验特别是SFC调试、机组动平衡试验、水泵调相试验之后，
于2008年8月27日至9月7日完成了水泵工况试验和水泵工况紧急停机及正常停机试验。

在此期间，水泵工况抽水9次，累计抽水时间为11．2 h，向上水库
的总充水量约达235万m3，安全顺利地完成了首机首次水泵工况启动的调试任务。

2 主要技术问题及对策
宝泉大型抽水蓄能机组在国内第一个完全采用了首机首次水泵工况启动调试。

在启动试验的过程中开展了一些技术方面的探索，以下是调试过程中需要给予特殊关注的主要技术问题。

2．1 同期回路核相工作
为了使机组能迅速、顺利地并入系统且安全稳定运行，在并网之前，机组必须与系统做相位、相序检查核对工作，即通称的核相工作。

采用水轮机工况启动调试的机组是在空载升压试验时完成核相工作的。

而水泵工况是由SFC启动机组，虽然不
能做升压试验，但是在首台机组首次启动前，为了调试SFC及用SFC启动机组，一般高压配电装置(宝泉电站为500kV系统设备)会提前由系统倒送电，在系统倒
送电时，可一直充电至发电电动机机端，这样就可从高压侧逐级核相到发电电动机出口机端电压互感器。

由于宝泉抽水蓄能电站高压配电装置(GIS)布置在地面，而主变压器及发电电动机
电压设备都布置在地下主变洞及地下厂房内，因此，主变低压侧电压互感器与高压侧(500kV)电压互感器的核相工作具有一定的难度。

所以，在现场只能采用主变低压侧电压互感器与励磁变二次侧电压进行核相。

为了能使系统电压充电到发电电动机机端电压互感器，将发电电动机出口引出线与离相封闭母线连接处断开;500 kV系统通过主变向发电电动机机端电压互感器充电，对机端电压互感器与主变低压侧电压互感器进行核相。

对于机组水泵工况启动而言，虽然不能做升压试验及相应的核相工作，但是在机组
整组启动前，系统倒送电时，通过适当的方法完全可以从高压侧逐级核相到发电电动机机端电压互感器。

2．2 差动保护电流互感器极性检查
水泵工况启动时同样也是无法做升流试验的。

因此，检查电流回路尤其是检查差动保护用电流互感器的极性有一定的难度。

对宝泉电站差动保护电流采用了以下校验方法。

在机电设备安装后、机组水泵工况启动前，首先用“对极性”法来检查差动保护每个电流互感器的极性，根据毫伏表指针的方向确定每个电流互感器的极性，再按保护装置的接线标志正确接线。

机组启动后，利用录制波形及差电流法分别进行差动保护极性的分析与校验。

发电电动机配置两组差动保护，由于差动保护电流互感器安装地点所限，因此B 组差动保护在SFC启动机组时无法用录波或差电流方法检验极性。

对于A组差动保护用电流互感器，一组安装在SFC启动隔离开关的里侧，另一组则安装在中性点侧。

当SFC启动机组升速、升压时，在转速从额定转速的20%上升至额定转速的过程中，由于电流互感器变比较大而无法采用差电流法检查差动保护的极性，在实践中采用录制电流波形图及相量图的办法来分析A组差动保护极性。

从电流波形图和相量图(见图1)可以看出，A组差动保护的极性是正确的。

在确定A组差动保护极性正确后，即可以将其投入运行。

为了保证机组启动过程的安全，在水泵调相工况时，可用差电流法进一步校验差动保护极性的正确性。

图1 发电机A组差动保护电流波形及相量示意
SFC启动机组时，500 kV系统供给的最大电流也不到20 A，而500 kV线路及500 kV电缆差动保护电流互感器变比为2 500/1 A，显然无法用差电流法和录制电流波法来判断电缆及500 kV线路差动保护极性的正确性。

为使主要电气设备运行安全，在SFC启动机组时，应缩短后备保护的时限，将后备保护作为主保护，
防止设备内部出现故障时差动保护的拒动。

水泵工况首次调相运行时，向系统申请带无功功率，用差电流法来执行差动保护极性检查，具体带多少无功功率，则应结合差动保护装置的精度来确定，宝泉电站首台机组首次调相工况运行时是申请带50 MVar无功功率。

在水泵工况调相运行时采用差电流法，对两组500 kV线路及其电缆、两组1号主变以及两组发电电动机的差动保护极性进行了检测，在确保所检测的差动保护极性正确后，才将差动保护装置投入运行。

2．3 试验扬程的确定
首次启动时的扬程能否满足模型试验的异常低扬程要求，是实际条件下以水泵方式启动机组必须考虑的关键问题。

宝泉电站水泵水轮机模型试验结果表明，水泵工况异常低扬程为470．0 m;水泵抽水流量约为54 m3/s，电网频率50 Hz时水泵输入功率为295 MW;相应的压力脉动值ΔH/H(其中ΔH为混频、峰-峰双幅值)在导叶与转轮间小于6%，尾水锥管管壁小于1．2%;相应的初生空化系数0．16及其要求的淹没深度为84．7 m。

在此扬程以上抽水运行，不会发生有害振动和空化破坏。

根据宝泉电站的现场工程条件，对启动试验扬程及相关的水力参数作了复核计算。

计算结果表明，计入水头损失后，水泵工况启动试验扬程约为502．0 m，相应的导叶开度为71．9%，抽水流量为57．0 m3/s，水泵效率为93．0%，水泵输入功率为301．5 MW。

由模型试验资料可知，相应的初生空化系数及其淹没深度分别为0．224 m和102．95 m，而实际淹没深度为103．00 m。

对于相应的各部位压力脉动值，导叶与转轮间小于5%，顶盖小于3%，尾水锥管管壁小于1%。

因此可以认为，该试验扬程能满足水泵工况空化特性和运行稳定性的要求。

宝泉电站首机首次水泵工况开机抽水试验实测的导叶开度为73．43%，水泵抽水流量(换算值)约为58．6 m3/s，各部位压力脉动值满足要求。

水泵工况首次启动扬程应根据模型试验的机组空化特性和稳定性指标来确定，扬程必须满足水泵水轮机模型试验中异常低扬程的要求，并应根据工程实际情况尽可能留有一定的安全裕度。

由于水泵工况首次启动扬程的确定关系到首机首次水泵工况的启动调试是否安全可靠，因此应给于足够的重视。

2．4 机组动平衡试验［2］
机组动平衡试验旨在通过降低发电电动机转动部件质量动、静不平衡引起的机械振动值和摆度值，从而提高机组的运行质量和使用寿命。

首机首次选择以水泵工况启动时，机组动平衡试验需要由SFC拖动机组完成。

SFC拖动机组运行时转轮在空
气中旋转，机组的动不平衡试验所检测到的由机组转动部件质量动、静不平衡引起的机械振动和摆度值，仅由机组转动部件本身所产生，不包含水力不平衡的作用和水头变化的影响，可以做到比较精确的测量和配重。

此外，SFC拖动机组转动过
程中，机组的转速上升平稳缓慢不会出现机组飞逸;同时无需考虑上水库水量消耗、水轮机工况低水头空载不稳定和水头变化等因素的影响。

由此可见水泵工况启动时的机组动平衡试验可以做到精确配重，省时省力，同时可节约投入。

通过宝泉机组动平衡试验，笔者认为，在调试时，无论是采用水轮机工况还是采用水泵工况启动的方式，在机组启动前，都应提前完成SFC系统的调试，利用SFC
拖动机组完成动平衡试验不失为更好的选择。

在采用SFC拖动机组进行动平衡试验时，要特别关注SFC去离子水冷却系统的设计原则和直流电抗器允许温升情况，以保证SFC可以连续稳定地拖动机组完成动
平衡试验。

宝泉电站的SFC系统按照连续起动电站4台机组，并留有2次起动失
败的裕度设计制造，即在一个工作周期内能连续6次起动机组，连续工作时间不
小于30 min。

经与制造厂技术人员交流确认后，认为SFC本体可按连续运行设计制造，但闭式去离子水冷却系统和直流电抗器无法满足上述运行条件。

在SFC拖
动机组升速的过程中，起动电流较大，闭式去离子水冷却系统和直流电抗器发热大，
不能过于频繁启动机组。

而当SFC系统拖动机组稳定在额定转速旋转时，由于运
行电流小、发热低，冷却系统和直流电抗器的温度不会快速升高，完全能够满足机组额定转速连续运行的要求，在宝泉电站的机组调试过程中，设定SFC拖动机组
在额定转速下的运行时间为1．5 h，能够满足动平衡试验的工作需求。

宝泉机组额定转速为500 r/min，瞬态飞逸转速为725 r/min，转子的长度与直径比为0．709 3，对于这种长轴系、小直径、高转速的机组，动平衡试验难度较大，需要在逐步升速的过程中反复多次，直至在额定转速下机组振动和摆度满足相关技术要求且基本稳定。

机组动平衡试验以转速400 r/min作为试验基准转速，以此
来校验相关的仪器标准值，并依此进行各部位摆度和振动值的测定、配重、对比试验及改进试验。

配重前SFC启动机组升速并稳定在基准转速，监测到上导和下导
轴承处的摆度较大，约为464～566 μm，上、下机架水平振动值较小，约为2～
3 μm。

经过10余次测定和配重后，其配重方位和重量见图2。

动平衡试验结果表明:①水泵调相工况下转速在额定转速时，上、下机架水平振动符合机组设备合同
要求(≤50 μm);②上导/下导轴承处的摆度值分别为180～210/150～230 μm，略大于机组设备合同规定值(≤140 μm)。

经调试工程师与制造厂调试督导确认，尽
管目前水泵调相工况下摆度值稍大于合同规定值，但仍在设计允许运行范围内，机组仍可以安全稳定运行，更为精确的配重将在水泵工况抽水试验和水轮机工况动平衡试验时进行。

后续的水泵抽水试验和水轮机工况试验也验证了SFC拖动机组的
动平衡试验是抽水蓄能机组优先选用的动平衡试验方法。

图2 宝泉电站1号机组转子配重方位及重量示意
2．5 水泵抽水试验
水泵首次启动抽水时整个电站的发电和变电系统及其辅助系统都是第一次带负荷运行，而且首次抽水扬程较低(一般略高于异常低扬程)，抽水流量大，机组的输入功率较大。

在该扬程下运行，机组的振动、摆度、压力脉动和空蚀性能指标比较恶劣，
很容易引起非正常停机。

因此要求球阀和调速系统在非正常停机时必须能够正确可靠地关闭，以防造成机组和输水系统破坏。

采用水泵工况首次启动时，球阀和调速系统已完成的调试试验与采用水轮机工况首次启动时有很大不同。

当采用水轮机工况启动调试时，在机组并网前，球阀和调速系统除完成了无水试验和静水条件下的开启、关闭试验外，还可以在机组空转的情况下模拟事故停机，以校验球阀和调速系统的动水关闭性能。

在该条件下，即使球阀和调速器不能正确可靠地关闭，也不会引起机组过速和输水系统压力过高。

在随后的部分负荷试验中，可以逐步地校验优化球阀和调速系统的参数整定及关闭规律。

当采用水泵工况首次启动时，球阀和调速系统只能完成无水试验和静水条件下的开启、关闭试验，因此球阀和调速器关闭规律的计算选择和静水条件下的关闭规律整定尤为重要。

为了保证关闭规律的正确性，宝泉公司请清华大学进行了复核计算，计算结果与制造厂计算结果完全吻合，两者均推荐在水泵工况事故停机时导叶采用一段直线快速关闭规律，关闭时间15 s(如图3中虚线所示)。

在现场整定和试验中，需要高度重视球阀和调速系统的控制回路、液压操作回路以及每个元器件的调试试验和静水条件下的关闭规律整定，以确保球阀和调速系统的正确可靠动作。

图3 两种工况下导叶和球阀开度与关闭时间关系
当发生水泵首次抽水事故停机时，为进一步确保球阀和调速系统能够正确可靠动作，经过中外双方专家共同讨论，一致推荐在水泵正式抽水前应模拟水泵工况下的事故停机。

事故停机模拟试验与水泵工况事故真实停机状况相比，除导叶处于关闭状态没有参与动作、球阀在静水中关闭以外，其他系统均与实际事故停机完全相同。

上述试验成功后，即可打开导叶开始抽水试验，相关流程与常规调试基本一致。

值得注意的是此时扬程较低，应特别控制导叶的开度限制流量，以免输入功率过大。

同时应严密监视振动、摆度和压力脉动。

抽水成功后就应开展事故停机和正常停机试验。

水泵工况抽水停机过程要经过导叶小开度区，应对该区的压力脉动给予高度关注。

在水泵水轮机模型试验过程中，针对该压力脉动特性开展了深入详细的试验。

模型试验中，导叶开度在0°～2．5°范围内，压力脉动小于等于10%;导叶开度在0°～5°范围内，压力脉动小于等于18%。

由此可见，在模型试验中，机组在该导叶小开度区内运行稳定性良好;机组在越过导叶小开度区(0°～5°)后运行稳定，实测数据与模型试验结果基本吻合，这样有利于合理选定水泵抽水停机过程中GCB的跳闸时间。

宝泉电站机组水泵抽水工况停机程序GCB跳闸时机整定为导叶全关、励磁消失延时5 s，现场试验实测延时时间为5．3 s，跳开功率为53 MW，这样更有利于保证GCB的使用寿命。

3 首机首次水泵工况启动效果及应用前景
首机首次水泵工况启动技术在宝泉抽水蓄能电站的成功应用，在我国具有里程碑式的意义，为今后我国大型抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动调试试验提供了有力的技术支撑，工程意义与社会效益显著。

与水轮机工况启动方案相比，宝泉抽水蓄能电站采用水泵工况启动方案节约了上库蓄水电费193万元，使上库提前170 d蓄满水。

若按1台机组提前投产发电170 d计算，则可获得5 909万元年度运行费。

湖北白莲河抽水蓄能电站采用首次水泵方式启动试验，节省了500万元临建成本并使上库抽水工期缩短了6个月。

实践证明，抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动方式在技术上安全、合理、可行，且经济效益显著。

宝泉电站首机首次水泵工况启动试验研究所取得的技术成果，为国家标准《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》(GB/T18482-2001)修编提供了有力的工程案例与技术支撑［3］。

水泵工况首机首次启动方式已经作为一种正常启动模式选择，被写入了上述规程中，在修编后的规程中，增加了水泵工况首机首次启动调试大纲。

随着我国抽水蓄能电站在电网中的作用越来越重要和建设力度的逐步加大，该项科
技成果在未来的可逆式抽水蓄能机组启动试验中必将具有更为广阔的应用价值和推广前景。

4 结语
宝泉抽水蓄能电站首机首次水泵工况启动试验结果表明，可将其作为大型抽水蓄能电站一种正常的首机首次起动模式，尤其是对于上库无天然来水或径流量不足的大型抽水蓄能电站，因为该启动方式有利于节约充水成本，缩短建设工期，使工程提前投产发电以，尽早发挥效益。

无论从技术上还是经济上来说，都不失为首机首次起动模式的一种优选模式。

有理由相信，宝泉电站首机首次水泵工况启动试验这一里程碑式工程实践所取得的技术成果，一定会为国内更多的抽水蓄能电站在机组设计、制造、安装调试以及建设管理等诸多方面提供有益的指导和借鉴，促进首机首次水泵工况启动模式在国内工程上更广泛的应用，并推动更多相关技术规程规范的补充和完善。

本试验研究荣获2010年中国电力建设科学技术成果奖二等奖、国家电网公司2011年度科技进步奖二等奖。

参考文献:
［1］沙滨，和扁，陈顺义，等．抽水蓄能电站首机首次启动方式研究分析［J］．水力发电，2008，34(10)：63-64．
［2］王小军，王胜军，罗胤．抽水蓄能电站首机首次启动方式选择的若干问题分析［J］．水电站机电技术，2011，34(2)：1-4．
［3］ GB/T 18482-2010可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程［S］．。