角木塘水電站水力過渡過程分析

， ，，， ，建勛

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽，550002；2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，貴陽，550002)

1 工程概況

角木塘水電站位于貴州省遵義市道真縣境內(nèi)，為芙蓉江水電梯級開發(fā)中的第10級。電站裝機容量70MW，水庫調(diào)節(jié)庫容為385萬m3。水庫校核洪水位387.034m，設(shè)計洪水位383.010m，正常蓄水位383.00m，死水位381.00m。廠房正常尾水位351.68m，廠房設(shè)計洪水位376.4m，廠房校核洪水位382.61m。電站水頭30.6m，加權(quán)平均水頭29.5m，額定水頭28.5m，最小水頭23.2m。

2 設(shè)計輸入

2.1 引水系統(tǒng)模型建立

角木塘電站工程引水系統(tǒng)采用“兩洞兩機”布置方式，進(jìn)水口后接直徑2×5.1m×7.3m的引水道至機組，機組采用混凝土蝸殼，進(jìn)水口設(shè)置快速閘門。

2.2 機組設(shè)備的基本參數(shù)

水輪機型號：ZZ C502-LH-425

發(fā)電機型號：SF35-36/6800

原型水輪機額定出力：36.08MW

原型額定轉(zhuǎn)速：166.7r/min

原型額定流量：137.65m3/s

導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角范圍：20°～58°

圖1 角木塘電站引水系統(tǒng)布置

槳葉轉(zhuǎn)角范圍：10°～36°

模型單位飛逸轉(zhuǎn)速：370r/min

發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量：3600t·m2

水輪機中心安裝高程：344.743m

水輪機導(dǎo)葉中心高程：346.70m

導(dǎo)葉開口相對值設(shè)定：額定水頭發(fā)額定出力設(shè)為1.0

3 水力過渡過程計算

3.1 水力過渡過程計算要求

水輪機要保證在單獨的或任何組合的啟動、運行、停機或甩負(fù)荷情況時，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量不小于3600t·m2時，水輪機轉(zhuǎn)動部件和水體慣量都計入的情況下，蝸殼最大壓力升高率保證值小于60%，水輪機轉(zhuǎn)速上升不超過額定轉(zhuǎn)速的60%。機組甩全負(fù)荷時，尾水管內(nèi)的最大真空度不大于8m水柱。

由于引水系統(tǒng)為兩洞兩機布置，因此沒有復(fù)雜的組合工況，以額定水頭和最大水頭工況做相應(yīng)計算如下表1。

表1 計算工況

低水頭軸流式水輪機在甩負(fù)荷時，尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空，形成反水擊，以及水輪機進(jìn)入水泵工況，產(chǎn)生的水泵升力而形成反向水推力，只要反向軸向力大于機組轉(zhuǎn)動部分的總重量，就會使機組轉(zhuǎn)動部分抬起一定的高度，此現(xiàn)象稱為“抬機”。

“抬機”現(xiàn)象容易造成如下破壞：

(1)機組甩負(fù)荷時，調(diào)速器事故停機電磁閥動作，導(dǎo)葉全關(guān)后，機組上抬后又急速下落，容易造成發(fā)電機推力軸承及水輪機導(dǎo)軸承損壞；

(2)機組甩負(fù)荷時，導(dǎo)葉突然關(guān)閉，機組轉(zhuǎn)動部分上抬并持續(xù)較長時間，容易造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)扇和擋風(fēng)板之間產(chǎn)生摩擦，并且水輪機頂蓋也會產(chǎn)生較大的振動，嚴(yán)重情況下可能會將頂蓋連接螺栓拉斷造成破壞。

預(yù)防“抬機”的措施有：

(1)在保證機組甩負(fù)荷后其轉(zhuǎn)速上升不超過規(guī)定的條件下，可適當(dāng)延長導(dǎo)葉的關(guān)閉時間或?qū)~采用分段關(guān)閉；

(2)采取措施減少轉(zhuǎn)輪室的真空度，如向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)補入壓縮空氣，裝設(shè)在頂蓋上的真空破壞閥要求經(jīng)常保持動作準(zhǔn)確、靈活；

(3)裝設(shè)限制抬機高度的限位裝置，當(dāng)機組出現(xiàn)抬機時，由限位裝置使抬機高度限制在允許的范圍內(nèi)，以免設(shè)備損壞。

3.2 一段關(guān)閉過渡過程計算

結(jié)合工程實際經(jīng)驗來看，軸流式水輪機甩負(fù)荷時，常常發(fā)生“抬機”事故。因此，通過水力過渡過程計算，選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，以防止水柱中斷引起的反水錘和減小水泵工況下向上的軸向水推力。首先采用一段關(guān)閉10s和20s進(jìn)行(槳葉不動時間0.2s、槳葉關(guān)閉時間40s)計算如下：

表2 一段關(guān)閉大波動過渡過程計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可以看出：

(1)最大速率上升發(fā)生在額定水頭發(fā)額定出力甩負(fù)荷時，速率上升33.2%～45%，其值<60%要求值，滿足調(diào)保計算要求，還有一定的裕度。因此，發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量GD2=3600t·m2完全滿足要求；

(2)最大壓力上升發(fā)生在最大水頭發(fā)額定出力甩負(fù)荷時，最大蝸殼水壓值43.174m～46.114m水柱，其最大壓力上升值按最大水頭60%計應(yīng)為48.96m水柱，其值<48.96m水柱要求值，滿足調(diào)保計算要求，并有一定的裕度；

(3)在上述工況下，尾水最大壓力值1.826m～3.262m<8m，滿足最大真空度要求值；

(4)隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時間的增加，最大功率和最小功率即是瞬時最小沖擊負(fù)荷就越小，表明反水錘導(dǎo)葉關(guān)閉時間越大，造成“抬機”可能性更大；

(5)從大波動過渡過程曲線圖可以看出：在甩負(fù)荷過程中，壓力波呈衰減性。

結(jié)論：采用一段關(guān)閉規(guī)律，其速率上升和壓力上升均滿足要求，但最小沖擊負(fù)荷太大，反水錘可能引發(fā)嚴(yán)重的“抬機”現(xiàn)象。

3.3 兩段關(guān)閉過渡過程計算

為更好地規(guī)避“抬機”問題，采用兩段關(guān)閉進(jìn)行計算如下。

表3 機組兩段關(guān)閉規(guī)律

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

表4 兩段關(guān)閉大波動過渡過程計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可以看出：

(1)在上述工況中，采用兩段關(guān)閉，最大速率和最大蝸殼水壓值相對于一段關(guān)閉有所降低；

(2)最大沖擊負(fù)荷和最小沖擊負(fù)荷有改善，特別最小沖擊負(fù)荷有明顯變化；從兩種不同的關(guān)閉規(guī)律來看，第一種關(guān)閉規(guī)律的最小沖擊負(fù)荷更低，因此，采用第一種兩段關(guān)閉規(guī)律對電站運行更有利；

(3)從大波動過渡過程曲線圖可以看出：在甩負(fù)荷過程中，壓力波呈衰減性。

結(jié)論：速率上升和壓力上升均滿足要求，二段關(guān)閉比一段關(guān)閉的瞬時最小沖擊負(fù)荷有大大的改善，對改善“抬機”影響是有顯著效果的。

4 甩負(fù)荷試驗驗證

2017年5月，角木塘水電站進(jìn)行了1#、2#機組的甩負(fù)荷試驗，圖3為2#機組甩100%負(fù)荷時調(diào)速器錄波。

圖3 2#機組甩100%負(fù)荷調(diào)速器錄波

由圖3可以看出，2#機組甩全負(fù)荷時，在轉(zhuǎn)速變化過程中超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過2次，從接力器第一次向關(guān)閉方向移動起到機組轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%為止，所經(jīng)歷的總時間不大于40s，調(diào)速器分段關(guān)閉符合設(shè)計要求，蝸殼壓力值、轉(zhuǎn)速上升率、尾水管真空度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

角木塘水電站工程任務(wù)主要是以發(fā)電為主，在電網(wǎng)中所占比重小，不承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的作用，電站屬于低水頭大流量的徑流式電站，引水系統(tǒng)簡單。對于采用軸流式水輪機的電站而言，在水力過渡過程計算中均采用了導(dǎo)葉分段關(guān)閉的規(guī)律，其目的是保證機組在轉(zhuǎn)速上升值不超過規(guī)定值的前提下，有效地降低“抬機”的影響，一般在采用兩段關(guān)閉仍不能有效避免“抬機”破壞的情況下，三段關(guān)閉會帶來更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。