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1、抽水蓄能电站工程建设文集纪念抽水蓄能专业委员会成立十周年关于抽水蓄能电站安全稳定运行的几点思考冯伊平1林肖男2( 1 华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司2 原华东电力集团公司)自2 0 世纪9 0 年代初以来，我国的抽水蓄能电站建设快速发展。在建设和运行的实践中，积累了丰富的设计和运行经验，对电站在电网中的作用也经历了认识一实践一再认识的过程，逐步从抽象的感知上升到实践经验的积累。建设初期，项目可行性研究和设计的主要依据是把抽水蓄能电站看成是一个调峰填谷的能源，如果认为电站不能充分发挥调峰填谷作用，项目立项就比较困难。而用户却把抽水蓄能电站看成是一项对系统有求必应的灵活调节工具，提出了一些过于苛刻
2、的要求。通过运行实践，人们对抽水蓄能电站在电网中的定位认识有了进一步的深化。实践证明，抽水蓄能电站的调峰填谷作用是无可非议的，尤其在目前电力供需矛盾突出的形势下，抽水蓄能电站的日运行方式出现了两抽三发的工况，对缓和电力供需矛盾取得了积极的效果，同时也减轻了火电机组频繁调节负荷的压力。使电网感到特别受益的，还在于电力系统中发生事故时，抽水蓄能电站能起到快速顶出力和应急调频的作用，为电力系统安全运行作出重要贡献。但可逆式抽水蓄能机组需同时满足水轮发电机和水泵电动机性能的要求，在运转特性上会有一定的局限性。鉴于抽水蓄能电站在电网中地位的特殊、运行方式的多变、机组启停的频繁和调节要求的严格，要在电网中
3、充分发挥作用，电站自身必须具有较高的稳定性和可靠性。因此，在电站规划、设计、建设和运行的全过程中应加强可靠性管理。本文基于运行实践的情况，浅议提高抽水蓄能电站机电设备安全稳定运行可靠性的几个问题。 1 主机设备的可靠性为提高抽水蓄能电站主机设备的可靠性，关键要把握两个问题，一是合理选型和确定设备参数，另一是保证设备制造和安装的质量。根据实践情况，提出以下几个有关机组运行稳定性的问题：( 1 ) 合理确定抽水蓄能机组的额定水头。国内第一批建设的大型抽水蓄能电站，为充分利用电站的调峰能力，额定水头一般均选得较低。如天荒坪蓄能电站将水轮机设计水头取为电站最低水头，即要求转轮在电站最低水头时保证发出额
4、定负荷，为此需要水轮机具有相对较大的过水能力，还需要满足较高的效率保证值，同时在水泵工况下要求无空化运行，这给水泵水轮机的设计提出了很高的要求。通常，确定机组额定水头主要考虑的因素有：电网对电站运行的要求，尤其是对运行时段末的负荷要求；机组在水轮机正常运行范围内有较高的效率；机组运行的稳定性，包括水轮机低水头并网和水泵工况的稳定性等。如适当提高机组的额定水头，可改善机组运行稳定性，但在低于额定水头运行时，机组出力将受阻。因此，必须综合考虑多方面因素，确定合理的额定水头。从提高机组运行稳定性出发，近期建设的蓄能机组都适当提高了额定水头。( 2 ) 避免水泵水轮机进入反水泵运行的不稳定区。天荒坪抽
5、水蓄能电站第一台机组投运六、运行与维护3 5 1时，由于初期运行水头较低，出现了低水头运行不稳定的问题，即机组运行进入了水泵水轮机全特性的反水泵区“s ”形不稳定区。天荒坪抽水蓄能电站利用不同步开启导叶装置( M G V ) 解决了机组空载不稳定问题，但在调试中，花费了相当多的时间和精力，对调试工期产生了较大影响，同时调速系统需增设辅助小导叶，当M G V 投入运行时又存在较大的水力扰动。由此启示，在水泵水轮机模型试验验收时，必须严格把握机组运行性能的稳定性。( 3 ) 合理确定机组工作频率和短时允许工作频率。水泵工况的空蚀对运行频率极为敏感。水泵流量和扬程主要决定于水泵的转速，频率变化相当于
6、转速变化，扬程也随之变化。水泵在高扬程、高频率与低扬程、低频率运行时容易出现较严重的空蚀。早期建设的电站，根据当时电网的需要，确定的机组工作频率范围相对较大。随着电网容量的增大和供电质量的提高，机组允许工作频率范围及短时允许工作频率范围宜适当缩小，以免对水泵水轮机设计提出过高的要求。具体的工作频率范围由电网要求确定，表1 所示的工作频率范围可供参考。表1蓄能机组工作频率范围的选取运行工况正常工作频率范围短时允许工作频率范围发电工况4 9 7 5 0 4 H z4 8 5 5 0 5 H z电动工况4 9 7 5 0 4 H z4 9 5 5 1 H z( 4 ) 关于调节保证计算问题。由于抽水
7、蓄能电站采用一管多机和转轮可能存在“S ”特性的特点，调节保证计算相对常规机组计算考虑的边界条件要复杂些。由于考虑的边界条件和经验不同，所提供和推荐的最优关闭曲线和计算结果可能不一致。天荒坪抽水蓄能电站第一台机组投运时，正是因此而只能通过调试摸索最佳关闭规律，先后对五家单位提供的关闭规律进行了测试，对三家的关闭曲线的进行了优化组合，经过2 2 次甩负荷试验，考验了七种不同关闭规律，才确定了最优方案。机组如此频繁甩负荷实属无奈，对机组寿命必定会产生一定影响。试验应该在理论指导下进行，希望以后电站设计能提出尽可能正确的调节保证计算结果。天荒坪抽水蓄能机组的运行实践还表明，为避免甩负荷时进入反水泵区
8、，采取先快关再缓关的两段关闭方案，能较好地满足调节保证的要求。此外，对一管多机的电站采用合理错开导叶关闭拐点方式来降低蜗壳最大压力的效果是明显的，可以借鉴。( 5 ) 根据系统实际情况，选择合理的电压调节范围及调压手段。抽水蓄能电站母线电压波动范围由系统设计计算确定。加大调压范围的方式有两种，一为增加发电电动机机端调压范围；另一种是主变压器采用带负荷调节装置。经征询认为两者在经济上花费相差不大。欧洲多数国家认为有载分接开关故障率较高，多采用加大发电机机端调压范围方式，最大调压范围可到1 0 U 。，而日本多采用带负荷调压的变压器，认为这是经济有效的调压方式。从我国国情出发，笔者认为在要求调压范
9、围不大的情况下，采用机端调压有利于电站的安全可靠运行。至于主变压器设置有载分接开关问题，由于抽水蓄能电站主变压器多位于地下厂房，受到地下厂房空间及运输条件的局限，使变压器的尺寸受到较大的限制，如果能取消有载分接开关，不仅可缩小变压器尺寸，也有利于提高变压器的可靠性。因此，如果要求电站的调压范围不大，可借助增加发电电动机机端调压范围的方法满足要求时，尽量不采用有载分接开关装置。( 6 ) 水泵电动机的启动和停机。抽水蓄能电站通常设置l 组S F C 启动装置作为水泵电动3 5 2抽水蓄能电站工程建设文集纪念抽水蓄能专业委员会成立十周年机启动的主要措施，背靠背启动作备用手段，由于S F C 设备可
10、靠性较高，这样的配置能保证水泵电动机的可靠启动。为抑止S F C 装置引起的谐波对系统产生干扰，通常在其输入侧加装谐波滤波器。滤波器不仅占用场地大，而且设备可靠性差，此外，对这类短时工作的装置所采用的谐波标准尚有不同观点。从实践看，S F C 输入侧加装隔离变压器对抑止谐波具有很好的效果，如将6 6 脉冲可控硅桥改用1 2 1 2 脉冲或1 2 6 脉冲也可减少谐波分量。多年运行实践证明，如在S F C 输入侧装有隔离变压器，而滤波器退出运行时，S F C 产生的谐波没有对电站和系统的运行产生实质性影响。因此，对短时工作的S F C 启动装置允许产生的谐波标准问题值得进一步探讨。水泵电动机停机
11、时，采取适当关闭导叶，将开断容量降至较低值，再开断发电机断路器，可以延长发电机断路器触头的使用寿命。( 7 ) 机组运行工况的转换。极大多数电站对抽水蓄能机组水泵工况满负荷向发电工况满负荷紧急转换模式的要求，是不经过停机，在1 2 0 s 内完成转换过程，这种转换具有一定的风险，很少进行试验验证，更无实际应用先例。天荒坪抽水蓄能电站从实际应用出发，采取关闭导叶、球阀，待机组转速降至2 0 额定转速后，再开启球阀、导叶反冲制动，而后进入发电工况，这种转换模式比较现实。经实测，转换时间为3 5 0 s ，是电力系统可以接受，又具有实际应用价值的方案。( 8 ) 关于主机结构和质量的保证。对主机结构
12、设计原则上以尊重制造厂家的成熟经验为前提，如发电电动机采用浮动结构的问题，进口机组定子机座下部与基础板、上机架与混凝土机坑壁，转子中心体与磁轭间及机架与机墩基础间采用切向键固定，使发电机结构能在径向不产生过度约束，允许径向相对位移，而由切向传递电磁和机械力。使设备结构以最小的结构强度满足电站热膨胀和冷却收缩的运行要求，从电站运行情况看，只要设计合理，加工精度和装配质量满足设计要求时，设备就能稳定可靠运行。关于水泵水轮机拆卸方式，从目前运行情况看，机组稳定性及空蚀情况均较好，需要吊出转轮的概率较小，拆卸方式对电站检修影响不大，多数电站采用上拆方式。如采用中拆法会给机组检修带来方便，但要求水机室开
13、口很大，给电站土建设计增加难度。如在尾水锥管段不浇混凝土，保留底环可以下拆的条件( 但底环不能拆出尾水锥管室) ，机组可通过下拆底环来检修导叶，会给电站设备检修提供良好的检修手段。水泵水轮机的主轴密封问题，由于运行工况多变，下库水位变幅大，加上调相压气的需要，使主轴密封设计难度增大，能适应各种工况压力变化进行智能调节的主轴密封设计尚需进一步开发，在没有成熟经验的情况下，还是取用简单结构为好。总之，在决策机组结构引用制造厂经验时，必须首先认真考察厂家的业绩，特别是要复核该经验是否在曾与本电站相应的水头、水头变幅及转速的机组上有成功应用的业绩。如果没有相应的业绩时，至少需要补充计算或模型试验的验证
14、，同时增加相应的保证条款。 2 监控系统的可靠性我国大型抽水蓄能电站起步建设时，正处在人们对计算机监控技术逐步接受和信任的阶段。在逐步认识和实践过程中，监控系统的设计也经历了不断修正，逐步完善，付之实施并取得成功。但也由于这些原因，对整个监控系统的性能指标带来一定的影响。从天荒坪电站的情况看，笔者认为以下几点值得注意。( 1 ) 出于安全和可靠性考虑，在计算机监控系统中保留较多的常规控制部件，如中控室模拟屏重要显示、紧急停机按钮和硬布线逻辑跳闸矩阵等，这些常规控制部分给整个计算机六、运行与维护监控系统的设计、制作、安装调试以及运行带来一定的不便。在当时又没有充分利用通信技术，大量的模拟量信号通
15、过电缆传送，致使电缆工程过于繁杂。随着技术进步，可尽量减少常规显示和控制，对于大量的模拟量信号传送，可以通过通信方式实现，这样不仅节省大量的电缆和模拟量模块，同时也为电缆的布置提供方便。( 2 ) 从运行安全性和可靠性出发，提出了监控系统全冗余的概念，即整个系统从信息采集配置到信息处理全冗余的要求。但如何对不冗余的测量元件进行冗余处理或对冗余的元件信号如何判断其准确性成了系统处理的难题。尽管最后机组和5 0 0 k V 控制基本满足了合同的冗余要求，但实践证明全冗余的监控系统并不能提高系统的安全性和可靠性，反而成了系统处理的累赘。( 3 ) 电站设置了中文显示系统，但并没有发挥实际作用。而设置
16、中文显示功能却使供货商对计算机过程监控软件的选择受到了制约，市场利益的驱动使得带有中文显示的软件不是供货商发展的主流方向，投入开发和完善的精力有限。因此该系统软件始终是制约电站监控系统整体性能的瓶颈，如系统可运行的硬件平台、数据库的容量、系统任务进程的管理、软件的兼容性等。( 4 ) 在计算机监控系统的设计过程中，不宜提出过多的或过于复杂的功能要求，以免给监控系统的软件设计带来很大的难度，同时也给系统的运行造成较大的负担，而其中部分功能在日后基本没有使用，从而造成较多的资源和人力的浪费，同时也影响系统的性能。关于参与电网成组调节问题较为复杂。由于抽水蓄能机组运行工况繁多，如何与常规发电厂的A G C 协调以及蓄能电站参与电网调节的原则，还需要进一步认真考虑。( 5 ) 由于计算机技术发展迅速，而监控系统一般与电站主机设备一起招标，制造周期长，往往在电站投产后不久，部分计算机备件在市场上就很难买到，对电站的安全运行带来隐患。因此在监控系统的选型设计过程中，对通用的计算机硬件要具备开放性，以适应计算机技术的发展。但系统的开放可能会带来
