发布时间：2021-04-17所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 水电能源科学
《抽水蓄能机组水泵工况停机策略优化研究》论文发表期刊：《水电能源科学》；发表周期：2020年12期
《抽水蓄能机组水泵工况停机策略优化研究》论文作者信息：毕智伟（1990-），男，工程师，研究方向为水电机组故障诊断与仿真分析
1引言
黑糜峰电站作为湖南省唯一建成投运的抽水蓄能电站，承担了系统备用、主力调峰调频功能，特高压入湘后，机组启停更加频繁，对设备的可靠性提出了更高要求。黑魔峰电站机组当前水泵工况停机断电策略是依据水轮机厂家给定的断电导叶开度确定的，即当导叶开度降至18%时断开发电电动机出口断路器(GCB)，实际断电时机组输入功率不满足行业标准规定的小于33%额定输入功率的要求[1。抽水蓄能机组水泵工况停机断电控制策略的制定受水、机、电等因素影响，水泵工况停机断电导叶开度、通断电流，直接影响GCB使用寿命;其次，高负荷断电、电磁力突然消失、扭矩突变等情况，对机组冲击较大，影响结构安全;另外，减小断电导叶开度、机组流道压力及压力脉动、振动/摆度等指标的变化特性尚未完全掌握。目前，对全特征曲面处理和水泵满载断电的过渡过程[23)已开展了大量研究，但对水泵工况停机时不同导叶开度断电的过渡过程研究较少，且在断电策略制定上0往往只考量GCB电气寿命、无叶区压力脉动等少数参量。鉴此，本文针对黑糜峰电站的特点，分析机组水泵工况不同导叶开度断电条件下的过渡过程特性、稳定性特性，优化水泵工况停机策略，以实现过渡过程、稳定性与GCB电气寿命指标最优。
2研究方法
在过渡过程计算中，通过特征线法、Suter曲线法、全特性空间曲面法等模拟水泵断电工况下机组转速、水压等特征参数变化2-1]，通过变换转轮的边界条件，模拟不同水泵断电工况的水力变化5。本文将数值模拟与现场测试方式相结合，根据Suter变换理论，引入修正系数，以Simulink和S-Function为基础，建立针对黑魔峰电站的机组水泵工况停机过渡过程数学模型，开展水泵工况停机过程仿真计算，指导现场真机试验，根据实测数据综合分析水泵工况不同导叶开度停机断电时机组的过渡过程特性，分析机组振动、摆度、压力脉动等稳定性特性和GCB电气寿命特性，同时对比分析水泵工况停机过程和开机过程抽水调相转抽水(CP-P)工况的稳定性参数差异，确定水泵工况停机过程断电的最佳负荷和导叶开度，优化水泵工况停机策略。其中，对比开机过程CP-P工况稳定性是基于黑魔峰电站水泵开机回水建压后持续搅水20s以上再开启导叶，机组振摆及压力脉动均维持在一定水平，借以评价水泵工况停机过程机组稳定性变化的可接受程度。
机组真机试验时以导叶开度为停机控制目标，以吸收功率为备用信号，试验工况见表1，其中，工况1，6、8为水泵工况原始策略停机测试结果，工况10为水泵CP-P工况测试结果。经统计，黑魔峰电站机组基本上是在高水头下进行水泵停机，因此试验时主要测试分析了326m左右水头下不同导叶开度停机断电的机组各参数变化特性，优化机组水泵工况停机断电策略，并分别在中低水头(即300、285m左右水头)下对比分析高水头下提出的水泵工况停机策略的适用性。
3水泵工况停机特性分析
3.1 过渡过程特性分析
根据黑糜峰电站机组流道、水轮机运转特性参数和导叶关闭特性。黑糜峰电站机组导叶关闭规律为一段关闭，关闭时间设计为18s，实测水泵工况正常停机时导叶关闭速率为6%/s，各水头下导叶关闭速率均一致。按照实测关闭规律分别分析326，300，285m水头下的水泵工况停机过渡过程。其中，326m水头下原始策略水泵工况停机仿真结果见图1，各水头下仿真结果见表2，实测结果见表3
由表2可知，326m水头下，随着水泵工况停机过程中断电导叶开度的减小，无叶区压力最大值略有上升，蜗壳进口压力最大值无较大变化，尾水管进口压力最大值逐渐减小;300m水头下，随着水泵工况停机过程中导叶分断开度的减小，无叶区压力最大值略有上升，蜗壳进口压力和尾水管进口压力最大值无较大变化;285m水头下，随着水泵工况停机过程中导叶分断开度的减小，无叶区压力最大值略有上升，蜗壳进口压力最大值略有上升，尾水管进口压力最大值略有减小。由表3可知，水泵工况停机过渡过程仿真计算结果可信，二者趋势一致，数值存在偏差的原因主要是实测数据存在一定的压力脉动。水泵工况停机过渡过程仿真与实测结果表明，各工况下停机过程中机组无叶区压力和蜗壳进口压力最大值均小于500m水头，满足调保计算要求。
3.2 机组稳定性特性分析根据实测结果，机组各水头下水泵工况停机过程中导叶从满负荷开度关至全关的时间约10s，据此，为保证试验数据的对比性，选择导叶关从满负荷开度关至全关的时间约 10s。据此，为保证试验数据的对比性，选择导叶关闭前后各10s的试验数据进行分析。其中，各测点的有效值是利用经验模式分解法对试验数据进行平稳随机过程处理后计算所得;压力脉动数据按95%置信度计算得到压力脉动峰峰值;振动、摆度测点的峰峰值算法采用 97%置信度融合平均时段法，每个计算区间包括8个周期数据
3.2.1 压力脉动变化特性分析
机组水压压力脉动主要测试了无叶区、顶盖下、尾水管进口和球阀前/后几个测点。各工况下水泵停机过渡过程测试结果见表4
试验结果表明：①高水头(326m左右)下，随着断电导叶开度的降低，各工况的压力脉动有效值、峰峰值无明显变化趋势;导叶开度在1.7%与全关GCB相比，原策略停机过程整体脉动水平有所减小，顶盖下的压力脉动略有增加，球阀后压力脉动有效值有所增加，各测点脉动水平基本小于开机过程CP-P工况的脉动水平。@中、低水头下导叶全关GCB分断相比原策略水泵停机过程，无叶区压力脉动略有升高;其他测点压力脉动变化不大，部分测点有所改善。无叶区的压力脉动水平优于开机过程CPP工况，其他测点脉动峰峰值优于CP-P工况。
3.2.2 振动、摆度变化特性分析各工况下水泵停机过渡过程测试结果见表5。
试验结果表明：0高水头下，随着GCB分断时导叶开度的降低，各摆度测值均略有增加，机组水平振动逐渐降低，垂直振动逐渐增加。按摆度分析水泵工况停机断电的最佳导叶开度为3.89%左右;按顶盖振动分析机组水泵工况停机GCB分断时最佳导叶开度为1.7%左右;按机架振动分析机组水泵工况停机GCB分断时最佳导叶开度为全关，采用导叶全关断电策略顶盖水平/垂直振动有效值相比CPP工况有所减小。@中、低水头下导叶全关断电策略较原策略水泵停机过程，机组整体振动、摆度水平均有所减小，且对机组垂直振动更为有利;在285m左右低水头下，导叶全关断电时机组下导摆度有所减小，其他摆度测点略有增加，变化幅度不大。不同水头下，水泵工况不同导叶开度停机断电时各测点摆度水平优于开机过程CP-P工况振动水平。
4水泵停机控制策略优化与效果验证
4.1 水泵停机控制策略优化根据机组水泵工况停机过渡过程仿真与实测结果，水泵工况停机断电导叶开度可在当前开度下任意选取;根据压力脉动特性分析结果，水泵工况停机断电的最佳导叶开度在1.7%以下;根据稳定性特性分析结果，机组水泵工况停机断电最佳导叶开度在3.89%以下;根据机组GCB电气寿命特性，开断电流是影响GCB电气寿命的主要因素，降低开断电流可提高GCB电气寿命[，如表1所示，随着停机断电导叶开度的减小开断电流大幅降低;综上所述，黑糜峰电站水泵工况停机断电最佳导叶开度为全关。
参考国内抽水蓄能电站的水泵工况停机控制策略，一般以停机过程中机组的吸收功率/电流或导叶开度作为判断条件。黑魔峰电站机组水泵工况停机分断GCB策略修改为：0主用信号。导叶全关@备用信号。吸收功率<65 Mw，延时0.5s。其中，65 MW为机组水泵工况开机过程中的溅水功率保护定值，现场实测机组CPP工况建压后20s内吸收功率波动范围在-36.70~-64.39Mw，平均值为-52.34 Mw，因此备用信号按溅水功率保护定值确定为<65 Mw，能够确保机组正常停机。
4.2 水泵停机控制策略效果验证
黑糜峰电站“3机组投运了优化后的停机策略，在"3机组水泵工况停机过程中，正常抽水运行的“4机组各项参数仍存在短时波动，导叶开度增大约3.5%，机组吸收功率增加约一0.5 MW，稳定性变化不大，10s左右恢复到正常状态。"3机组水泵工况停机过程稳定性测试结果见表6。
由表6可知，优化后水泵工况停机过程机组稳定性无较大变化，其中机组无叶区、尾水管进口和球阀后压力脉动有所降低，顶盖下压力脉动略有增加;水平振动测点测值略有降低，垂直振动测点测值略有增加;摆度测点有升有降，整体变化不大;优化后5次水泵工况正常停机断电时机组平均吸收功率为-55.99 Mw，平均开断电流为1.80 kA，GCB电气寿命提高1倍以上。
5结论
通过对黑魔峰抽水蓄能电站"3机组CP-P工况和不同水头、不同导叶开度工况下水泵停机过程及CP-P工况系统的振动、摆度、压力及压力脉动等信号进行监测分析，结合GCB电气寿命特性，将黑糜峰电站水泵工况停机断电策略优化为导叶全关分断GCB;停机策略优化后机组运行状态稳定，同时大幅提高GCB电气寿命。
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