抽水蓄能電站過(guò)渡工況中影響水力參數(shù)的原因分析

沈龍 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司

一、前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求越來(lái)越大，也帶動(dòng)了水力水電技術(shù)的發(fā)展，單機(jī)容量和水頭越來(lái)越高，目前中國(guó)在建的敦化抽水蓄能電站其容量達(dá)到375MW。機(jī)組容量增大的方式一是增加水頭高度，二是增加過(guò)流面積，提高流量。高水頭機(jī)組在過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)，水力工況復(fù)雜，負(fù)載突變，工況轉(zhuǎn)換，導(dǎo)葉響應(yīng)速度都會(huì)影響水力參數(shù)，對(duì)導(dǎo)水部件及轉(zhuǎn)動(dòng)部件的安裝要求也較高，對(duì)水力技術(shù)的研究也日新月異。本文將主要分析上述三種因素與過(guò)渡工況中水力參數(shù)的因果關(guān)系。以期在后續(xù)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析中能夠提供幫助，可作為機(jī)組在調(diào)試階段各工況的水力參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，評(píng)估各種試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，靈活指導(dǎo)下一步的調(diào)試工作，為設(shè)計(jì)人員對(duì)機(jī)組和輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化提供依據(jù)，而機(jī)組性能試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)，可指導(dǎo)進(jìn)一步研究，推動(dòng)設(shè)計(jì)水平的提高。

二、過(guò)渡工況時(shí)水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及分析

引水系統(tǒng)是水電站大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，水錘是發(fā)生在引水系統(tǒng)中的非恒定流現(xiàn)象。正常運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，在諸如負(fù)荷突變，正常及非正常開停機(jī)時(shí)，閥門或者調(diào)速器動(dòng)作，流水的流量和流速改變，因?yàn)閴毫艿雷鳛槿萜鞯男巫兒退w的彈性，引水系統(tǒng)的壓力管道的水流會(huì)產(chǎn)生非恒定流現(xiàn)象，即為水錘。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程不是瞬間完成的，而是以波的形式在水管中來(lái)回傳播。以下以動(dòng)水關(guān)球閥實(shí)際工況過(guò)程做分析，流道管徑、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)相同，球閥開關(guān)動(dòng)作瞬間完成，沒有延時(shí)。假設(shè)球閥處壓力為H，水體流速為V，壓力管道路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng) 不變，球閥管壁前狀態(tài)如下：

t0：H=H0，V=V0，L；

當(dāng)閥門突然關(guān)閉時(shí)，首先在閥門附近長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的管段發(fā)生水錘現(xiàn)象水體被擠壓δL1，水壓力上升為段水體流速變?yōu)閂=0 后，這時(shí)管中水體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?。由于管壁膨脹，水體被壓縮，在管段L1中會(huì)產(chǎn)生剩余空間δL1，待后面的水體填滿剩余空間δL1后，鄰近管段L2水體又會(huì)發(fā)生水體擠壓，引起水壓力上升H=H0+δH1+δH2，L2段水體流速變?yōu)?，也產(chǎn)生剩余空間δL2。以此類推，從閥門開始逐段產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，水錘波以一定的速度α從閥門傳向上庫(kù)取水口。當(dāng)水錘到達(dá)引水管進(jìn)口時(shí)，此時(shí)：

因?yàn)棣腍的作用，水體流向上水庫(kù)，壓力鋼管中的水體壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，壓力從H=H0+δH降為H=H0，流速變?yōu)閂=-V0，這相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)反射波，反射波以α的速度從水管進(jìn)口向閥門處傳播。此時(shí)：

當(dāng)反射波到達(dá)閥門處時(shí)，水流離開閥門，在閥門處造成真空，產(chǎn)生負(fù)壓，使水體壓力從H=H0變?yōu)?H=H0-δH，流速?gòu)腣=-V0變?yōu)?，水管中水體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，即在閥門處產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波以α的速度從閥門傳向上庫(kù)取水口，此時(shí)：

在-δH的作用下，水體流向水管，使水管的壓力從 H=H0-δH升為H=H0，流速變?yōu)閂=V0，水體壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，又產(chǎn)生反射波，反射波以α的速度從取水口向閥門處傳播。當(dāng)反射波到達(dá)閥門處時(shí)，水流恢復(fù)到初始狀態(tài)，即水管的H=H0，V=V0。由于球閥仍然關(guān)閉，在球閥處又產(chǎn)生水錘波，水錘波將重復(fù)以上的傳播過(guò)程。

t4：H=H0，V=V0（回復(fù)到t0時(shí)刻狀態(tài)）；

水錘波在壓力鋼管中的傳播經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)間段完成一個(gè)周期T：

t0-t1；動(dòng)能→彈性勢(shì)能；

t1-t2；彈性勢(shì)能→動(dòng)能；

t2-t3；動(dòng)能→重力勢(shì)能；

t3-t4；重力勢(shì)能→動(dòng)能；

α值是調(diào)節(jié)保護(hù)計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，它與壓力鋼管管的材質(zhì)、壁厚、半徑，水體彈性和水體容重有關(guān)。具體計(jì)算可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和著作，本文不做累述，α值的確定取決于上述的不變量，后續(xù)將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)α值進(jìn)行直觀分析說(shuō)明。

三、過(guò)渡工況中轉(zhuǎn)動(dòng)部件的影響

機(jī)組在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，即機(jī)組以恒定功率和功率因數(shù)勻速運(yùn)行，水的勢(shì)能-旋轉(zhuǎn)機(jī)械能-電能之間能量轉(zhuǎn)換平衡。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)（包括抽水和發(fā)電工況），能量轉(zhuǎn)換出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，存在因機(jī)組運(yùn)行導(dǎo)致凈水頭的減小的現(xiàn)象，此時(shí)通過(guò)調(diào)速器跟隨調(diào)節(jié)滿足達(dá)到能量轉(zhuǎn)換平衡。但在機(jī)組正常及非正常開/停機(jī)，負(fù)荷調(diào)整，等工況轉(zhuǎn)換時(shí)，球閥及調(diào)速器此時(shí)為了滿足負(fù)荷調(diào)整而快速動(dòng)作，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，造成流道壓力脈動(dòng)增大，供電質(zhì)量下降。特別是在機(jī)組100%甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升值最大，在此過(guò)渡過(guò)程中，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與機(jī)組升速有一定的關(guān)系，GD2越大，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率β越小，在過(guò)渡工況中振擺數(shù)值也越小，提高機(jī)組穩(wěn)定性，同時(shí)機(jī)組響應(yīng)速度也會(huì)降低。但根據(jù)參考文獻(xiàn)可以得知，GD2取值存在最大臨界點(diǎn)和最小臨界點(diǎn)，在臨界范圍外取值，GD2過(guò)大機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差，且β改善不大；GD2過(guò)小機(jī)組響應(yīng)速度提升有限，且機(jī)組穩(wěn)定性能差。在臨界范圍內(nèi)，增大GD2可以一定程度降低調(diào)保參數(shù)和縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

四、大波動(dòng)導(dǎo)葉開啟關(guān)閉時(shí)間對(duì)機(jī)組過(guò)渡過(guò)程的影響

根據(jù)前述水錘形成的原理，水輪機(jī)工況，同期并網(wǎng)后增加負(fù)荷，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，不難得出以下結(jié)論：在機(jī)組增負(fù)荷過(guò)程中，導(dǎo)葉開啟越快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動(dòng)水壓力將越小，尾水管進(jìn)口的最大動(dòng)水壓力也將越來(lái)越大；在機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉越快，引起的水錘越大，蝸殼末端的最大動(dòng)水壓力將越大，尾水管進(jìn)口的最小動(dòng)水壓力也將越來(lái)越小；電氣事故停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉最快，此時(shí)壓力也達(dá)到極值。在水泵工況時(shí)，為了提高經(jīng)濟(jì)型，一般導(dǎo)葉在全開狀態(tài)工作，產(chǎn)生大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程為水泵斷電，調(diào)速器動(dòng)作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，此時(shí)也會(huì)在蝸殼末端形成負(fù)水錘。以上分析結(jié)果表明，導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉時(shí)間規(guī)律在過(guò)渡工況必須要滿足調(diào)保計(jì)算參數(shù)要求。

五、結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了水錘，導(dǎo)葉開啟關(guān)閉規(guī)律及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在機(jī)組過(guò)渡過(guò)程中的影響。水錘效應(yīng)在過(guò)渡過(guò)程中，隨著周期運(yùn)動(dòng)能量遞減，數(shù)個(gè)周期后消失，針對(duì)水錘效應(yīng)，相應(yīng)的減小措施可以采用調(diào)壓井，增加導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)間；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)機(jī)組在過(guò)渡過(guò)程中作為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，抑制水錘效應(yīng)效果越明顯，帶來(lái)的功率波動(dòng)越小，反之亦反，但參考相應(yīng)文件，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的過(guò)大失去經(jīng)濟(jì)性，過(guò)小又會(huì)增加機(jī)組不穩(wěn)定性；導(dǎo)葉動(dòng)作速度影響在機(jī)組設(shè)計(jì)安裝完成后，多水錘效應(yīng)起到調(diào)節(jié)作用，在調(diào)節(jié)保證范圍內(nèi)，可以根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行請(qǐng)款，可以適量提高動(dòng)作速度，也可以在調(diào)保計(jì)算比較苛刻的情況下，減緩動(dòng)作速度，較少機(jī)組壓力脈動(dòng)。