陕西镇安抽水蓄能有限公司 权强 李言龙 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建厦门抽水蓄能有限公司 孙领

非同步导叶在仙游抽水蓄能电站的应用

陕西镇安抽水蓄能有限公司 权强 李言龙 福建仙游抽水蓄能有限公司 余睿 福建厦门抽水蓄能有限公司 孙领

可逆式水泵水轮机组S特性使得机组空载特性不稳定并网困难。非同步导叶的投入，能有效地改善水泵水轮机S特性问题，但随之带来机组振动、摆度增加。仙游抽水蓄能电站应用水泵水轮机模型试验，获得较优的预开开度，非同步导叶的现场应用取得成功经验。

水泵水轮机 S特性 非同步导叶 模型试验

1973年卢森堡Vianden抽水蓄能电站10号机组发生事故之后，人们开始了对非同步导叶的研究，各种研究成果表明，非同步导叶（预开导叶）的投入能有效地改善低比转速水泵水轮机全特性曲线的S特性，甚至能消除S特性。近年来，国内已建成或在建的高水头抽水蓄能电站均在有效地利用非同步导叶来改善机组空载工况的稳定性，使机组易于并网，如天荒坪、惠州、宜兴、琅琊山、仙游等电站，但非同步导叶的投入同时会使机组水力特性不稳，导致机组振动、摆度加剧。福建仙游抽水蓄能电站（以下简称仙游电站）采用“1管2机”布置形式，主机为东方电机厂（以下简称东电）设计、制造，总装机容量1200 MW，额定水头430 m，机组额定转速428.6 r/min，共20个活动导叶。水泵水轮机的S特性使机组在低水头、大开度下空载运行不稳定，难于并网。本文主要介绍非同步导叶在仙游电站应用，以改善水泵水轮机的S特性及机组的振动问题。

1 机组的S特性

高转速水泵水轮机转轮在额定转速时起“截止水流”的作用，单位流量（Q1＇）的等开度线急剧向下弯曲，甚至向单位转速（n1＇）小的方向弯曲，水轮机工况下水头越低，空载工况越容易进入S区内，这样在同一单位转速下，可能存在3个单位流量（正、零、负），使机组周期波动，空载运行很不稳定。根据仙游电站水泵水轮机模型试验，在机组水轮机工况空载开度范围内，机组全特性曲线虽无明显S特性（如图1所示），但在水头较低时很容易进入S区内。

为了提高机组低水头下的稳定性及并网可靠性，改善机组的S特性，因此在水轮机设计初期就考虑在对称的导叶上增加非同步装置，研究人员做了大量的模型试验，本文选取三种较优方案进行对比，即在5号、10号、15号、20号导叶加装非同步装置，分别预开14°(如图2所示)、16°(如图3所示)、18°(如图4所示)。

2 非同步导叶预开角度的选择

在做以上模型试验时增加测量尾水管、蜗壳进口、导叶后转轮前以及顶盖的压力脉动，通过模型试验所得数据对比，尾水管、蜗壳进口的压力脉动幅值基本相当，但是随着预开导叶角度越大，导叶后转轮前及顶盖的压力脉动相应增加，导叶后转轮前测点压力脉动增加约1%～2%，顶盖压力脉动增加约1%～2%。

图1 非同步不投入时，四象限特性试验单位流量与单位转速关系曲线

图2 非同步导叶5号、10号、15号、20号导叶预开14°时四象限特性曲线

图3 非同步导叶5号、10号、15号、20号导叶预开16°时四象限特性曲线

图4 非同步导叶5号、10号、15号、20号导叶预开18°时四象限特性曲线

通过模型试验得到的曲线对比，预开14°已能改善低水头时S不稳定运行问题，考虑到模型试验的准确度以及模型与真机可能存在的差异、留有较大的安全余量，同时水轮机各部件的压力脉动值也在正常的范围内，模型试验决定将非同步导叶预开开度设计为18°。非同步导叶预开开度现在还只能通过模型试验去验证，这就存在一定的偏差及局限性，导致非同步导叶预开开度的确定存在一定的偏差。

研究表明，从非同步导叶在不同预开开度下水泵水轮机的特性曲线可以看出，随着预开开度的增大，正常运行范围内S特性逐渐消失，预开开度越大，改善效果越明显。但是随着预开开度增大，所引起转轮内水流越不稳定，转轮所受径向力越大，机组的振动及摆度越大。因此仙游电站在非同步导叶安装时，在非同步导叶小接力器活塞杆上加装锁锭块减小预开开度至10.5°，通过真机试验逐步确定预开开度。

3 非同步导叶执行机构及工作原理

机组在发电工况启动过程中，控制环带动所有导叶同步开启，之后非同步导叶装置控制4个（5号、10号、15号、20号）非同步导叶开启至10.5°，使机组避开S不稳定运行区，易于机组空载并网。并网之后非同步导叶固定不动，控制环带动同步导叶开启至设定开度后，非同步导叶装置将非同步导叶退出，此时20个导叶由控制环同步控制。

3.1 非同步导叶执行机构

仙游电站非同步导叶装置有一套独立的控制系统，非同步导叶装置执行机构结构如图5所示。

非同步导叶既能够由控制环同步控制，也可以由非同步导叶小接力器控制，非同步导叶装置控制时只有两种状态，即“投入”、“退出”，活塞杆进入液压缸内为“投入”状态，小接力器活塞杆伸出为“退出”状态。

非同步导叶装置由额定压力为16 MPa的油压系统控制，独立于调速器油压装置，由2个双线圈电磁阀控制对称的2组非同步导叶投入及退出，5号及10号为一组，15号及20号为一组。

非同步导叶盖板上装有位置开关，当非同步导叶动作之后其相应的位置开关动作，反馈给监控非同步导叶位置信号。

3.2 非同步导叶投入及退出条件

3.2.1 非同步导叶投入条件：

(1)非同步导叶在发电方向启动且水头小于475.5m；

图5 非同步导叶装置执行机构结构图1导叶；2连接板；3盖板；4导叶销；5调整垫片；6非同步导叶小接力器；7导叶臂

(2)控制环控制同步导叶开启之后，转速大于50%ne；

(3)机组出口开关（GCB）不在合位（机组作为拖动机启动时没有此条件）。

监控系统判断以上条件同时满足时，2个电磁阀投入侧线圈得电励磁后将对称的2组非同步导叶投入。

图6 机组空载转速曲线表

表1 机组各导轴承摆度值

表2 机组各部位振动值

3.2.2 非同步导叶退出条件：

机组出口开关（GCB）在合位且16个同步导叶开度大于26%（对应角度约6.75°）时，2个电磁阀退出侧线圈得电励磁后将2组非同步导叶退出。

4 非同步导叶在真机上应用试验

仙游电站在1号机调试初期，由于上库蓄水原因导致净水头在410m左右，水头很低，从单位流量与单位转速关系曲线可以看出，此时机组很容易进入S不稳定区运行，使机组转速无法稳定。试验证明，在非同步导叶未投入情况下，机组转速升至97%后无法稳定，转速在97%～101%之间波动；当投入非同导叶预开10.5°后，机组在水轮机空载时转速可稳定在额定转速（如图6所示），机组转速最大摆动值为0.14%,不超过规范要求的0.3%。当机组在低水头时并网、非同步导叶满足退出条件退出之后，机组所带负荷较低在120 MW时，机组功率无法稳定，最大波动从60 MW～150 MW，因为在低负荷下非同步导叶退出之后机组又重新进入S区运行，导致有功功率波动。

非同步导叶预开开度从19°减小至10.5°后，经试验在非同步导叶投入机组空载时机组振动、摆度值如表1、表2所示，各振动、摆度值满足要求，因此仙游电站非同步导叶预开开度最终确定为10.5°。

5 总结

非同步导叶在仙游电站国产化机组上的成功应用，积累了宝贵的经验，为后续在建抽水蓄能电站提供借鉴及参考。通过模型试验对比选择非同步导叶的预开角度后，既能使S区偏离出机组正常运行范围，又能保证机组有良好的振动、摆度。但是，在机组并网非同步导叶退出之后，若不能选择合理的初负荷，机组很容易重新进入S区内导致有功功率波动较大，甚至会出现逆功率。目前，对机组S区的改善及影响还只能通过模型试验初步获得，其理论规律还待进一步研究。

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