水輪機導葉關閉過程的探討研究

徐曉燕，張曉宏，李建斌

（ 西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048）

1 研究背景

在水電站運行過程中，當水輪機機組瞬間丟棄負荷時，機組轉(zhuǎn)速上升，與此同時在調(diào)速器的作用下，快速關閉水輪機導葉又會相應地引起過水系統(tǒng)中水錘壓力的上升[1]。 為保證引水系統(tǒng)安全以及機組運行的穩(wěn)定性，根據(jù)調(diào)保計算的要求：水錘壓力上升的最大值和機組轉(zhuǎn)速上升的最大值都不允許超過規(guī)范規(guī)定的允許值。 實際上，限制水錘壓力升高與限制水輪機機組轉(zhuǎn)速升高的要求往往是相互制約的。 實踐證明，與其他因素相比，導葉關閉過程的變化對水錘壓力和機組轉(zhuǎn)速的影響更加敏感。 導葉調(diào)節(jié)過程稍有變化，水錘壓力和機組轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)明顯升降變化。 因此，合理選擇水輪機導葉關閉過程是解決甩負荷過程中機組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼水壓力升高這一矛盾的最經(jīng)濟且有效的措施[2-4]。 本文通過具體的工程實例，針對水輪機導葉的關閉過程進行了深入研究。

2 計算資料簡介

某有壓引水式電站， 發(fā)電引水系統(tǒng)由引水隧洞、兩條引水發(fā)電支洞、調(diào)壓室等部分組成。 水庫校核洪水位267.70 m，正常高水位263.50 m，死水位為242.00 m。 新擴電站廠房的常遇尾水位為194.00 m。總裝機容量為280 MW， 兩臺機組， 單機的容量為140 MW， 水輪機額定出力143 MW。 最大水頭為67.50 m，最小水頭為46 m，設計水頭為53 m。單機設計水頭引用流量296.7 m3/s。 整個系統(tǒng)引水隧洞總長482.03 m，洞徑分別為10 m和9.2 m。 調(diào)壓室為阻抗升管式調(diào)壓室，調(diào)壓室的井筒斷面是直徑為19 m的圓形，其與井底洞段部分通過直徑為5.8 m，高度為14.55 m的圓形升管連接。調(diào)壓室下游兩條發(fā)電引水支洞即壓力管道的長度分別為246.704 m和284.33 m。兩條壓力管道的洞徑都是7.9 m。

3 計算分析

依據(jù)計算資料，采用特征線計算方法[4]，建立了與水電站相關的數(shù)學模型和水錘方程，編制了計算程序，首先對兩臺機組同時甩負荷后，導葉按一段直線關閉過程變化情況下的機組轉(zhuǎn)速、蝸殼水錘壓力進行計算分析。所得計算結(jié)果如表1所示。均不能同時滿足：機組轉(zhuǎn)速最大升高率＜45%，蝸殼最大壓力升高率＜50%，尾水管真空度＜8 m的要求。

表1 水輪機導葉一段直線關閉過程計算結(jié)果Tab. 1 The calculation results of the straight line closing process of one turbine guide vane

目前， 水輪機導葉大多采用兩段折線關閉過程[5-10]，所以，下面重點探討兩段關閉情況。

兩段關閉過程如圖1所示， 第一段關閉時間（ t1）、第二段關閉時間（ t2）和拐點開度（ s）這3個關鍵因素的取值直接影響著調(diào)節(jié)保證計算的結(jié)果。 為分析兩段關閉過程對機組轉(zhuǎn)速和蝸殼水錘壓力的影響，分3種情況進行了計算：①第一段關閉時間t1和拐點值s不變，改變第二段關閉時間t2；②第二段關閉時間t2和拐點值s不變，改變第一段關閉時間t1；③第一段關閉時間t1和第二段關閉時間t2不變，拐點值s變化。 部分計算結(jié)果如表2及圖2—圖7所示。

圖1 導葉兩段關閉示意圖Fig. 1 Schematic diagram of closing of two sections ofturbine guide vane

計算結(jié)果表2表明：1） 當?shù)谝欢侮P閉時間t1和拐點值s不變， 第二段關閉時間t2增加時機組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著增大， 蝸殼最大水壓力升高率下降；反之當?shù)诙侮P閉時間t2減小時機組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著減小，蝸殼最大水壓力升高率增加。 機組最大轉(zhuǎn)速升高率的增加與第二段關閉時間t2的變化仍近似呈線性關系，而蝸殼最大水壓力升高率的減小與第二段關閉時間t2的變化近似呈指數(shù)曲線下降。 2） 當?shù)诙侮P閉時間t2和拐點值s不變，第一段關閉時間t1增加時機組最大轉(zhuǎn)速升高率隨之增大，蝸殼最大水壓力升高率下降， 反之當?shù)谝欢侮P閉時間t1減小時機組最大轉(zhuǎn)速升高率隨之減小，蝸殼最大水壓力升高率增加。 而且機組最大轉(zhuǎn)速升高率的增加和蝸殼最大水壓力升高率的減小與第一段關閉時間t1的變化近似呈線性關系。 3） 當?shù)谝欢侮P閉時間t1和第二段關閉時間t2固定不變， 拐點值s增加時機組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著增大， 蝸殼最大水壓力升高率下降，但這種變化為非線性關系。

表2 水輪機導葉兩段折線關閉過程計算結(jié)果Tab. 2 Calculation results of two sections of the turbine guide vane in the closing process

圖2 第①種情況蝸殼末端壓力變化曲線Fig. 2 The pressure variation curves at the end of the volute in case ①

圖3 第①種情況機組轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 3 The speed change curves of unit in case ①

圖4 第②種情況蝸殼末端壓力變化曲線Fig. 4 The pressure variation curves in case ②at the end of the volute

圖5 第②種情況機組轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 5 The speed change curves of unit in case ②

圖6 第③種情況蝸殼末端壓力變化曲線Fig. 6 The pressure variation curves in case ③at the end of the volute

圖7 第③種情況機組轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 7 The speed change curves of unit in case ③

4 導葉關閉過程的確定

依據(jù)計算結(jié)果分析可知，該電站水輪機導葉采用兩段關閉過程， 當擬選第一段關閉時間t1為1 s，第二段關閉時間t2為12.5 s，拐點值s為0.8時，兩臺機組分別在額定水頭和最大水頭工況下同時甩去全部負荷的過渡過程計算結(jié)果為： ①在額定水頭下，機組最大轉(zhuǎn)速升高率為44.81%， 蝸殼最大水壓力升高率為42.37%，尾水管進口壓力－6.01 m。②在最大水頭下，機組最大轉(zhuǎn)速升高率為41.51%，蝸殼最大水壓力升高率為49.03%，尾水管進口壓力－4.29 m。③各項指標數(shù)據(jù)均能同時滿足調(diào)節(jié)保證計算的要求，能有效解決突然丟棄負荷過程中機組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼水壓升高之間的矛盾，從而降低了工程造價。

5 結(jié)語

本文通過工程實例計算分析了導葉關閉過程中關鍵因素的變化，探討了導葉采用兩段關閉過程時，第一段關閉時間、第二段關閉時間和導葉位置拐點的改變對水力過渡過程的計算結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過確定這3個關鍵值，選擇合理的導葉分段關閉模式，得到行之有效的導葉關閉過程，可以更好地協(xié)調(diào)解決好調(diào)保計算中的矛盾問題。

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