水輪機導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化研究

張承業(yè)

（西北勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710065）

在電站運行中，常會遇到由于各種事故、機組突然與系統(tǒng)解列甩負(fù)荷的情況，此時調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)葉，機組轉(zhuǎn)速上升，引水系統(tǒng)會產(chǎn)生水擊壓力。為保證水力過渡過程中壓力升高率和機組轉(zhuǎn)速上升率都不超過允許值，有必要進行過渡過程計算。其中水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對上述兩個指標(biāo)有很大影響。工程中常用兩段關(guān)閉規(guī)律，首先是快速關(guān)閉階段，為了抑制水擊壓力的升值；接著為慢速關(guān)閉，目的是降低機組轉(zhuǎn)速的上升。本文在此基礎(chǔ)上進行水輪機導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的優(yōu)化研究，通過計算，分析快關(guān)段的時間、開度以及總關(guān)閉時間對過渡過程的影響。這將對電站實際運行中選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律起到指導(dǎo)意義。

1 計算案例簡介

本工程引水發(fā)電系統(tǒng)主要由進水口、壓力引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道等組成。引水隧洞為有壓洞，長2028.6m，設(shè)計引用流量154.83m3/s，隧洞的設(shè)計斷面為圓形，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌內(nèi)徑為8.0m，設(shè)計流速為3.08m/s。

調(diào)壓井為阻抗式調(diào)壓井，圓型斷面，直徑18 m，阻抗孔直徑4.0m，阻抗板頂部高程1569.00m，井頂出露，井頂高程1608.00m，調(diào)壓井采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為1m。

壓力管道采用地下埋管，由上平段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段組成。主管內(nèi)徑為7.0m，設(shè)計流速4.03m/s。采用鋼板混凝土襯砌，鋼板厚16mm，采用兩個“卜”型岔管與三條進廠支管相連，支管管徑為4.0m，采用鋼筋砼襯砌，厚度為1.0m，支管進入廠房與蝶閥連接。

電站廠房為岸邊式地面明廠房，廠內(nèi)安裝三臺HLA551C－LJ－272混流式水輪機組，單機容量13.4MW，機組安裝高程為1545.50m。電站尾水管后直接與尾水明渠相接，尾水出口轉(zhuǎn)向下游，通過1∶4的反坡接入下游河道。

設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn):

（1）蝸殼最大壓力升高率保證值：甩負(fù)荷工況蝸殼末端最大壓力水頭不大于53mH2O。

（2）機組最大轉(zhuǎn)速升高率保證值：在額定水頭、額定出力運行時甩滿負(fù)荷工況的最大轉(zhuǎn)速上升率不大于60%；

2 計算分析

本次計算采用某可視化過渡過程仿真計算程序，對上述案例進行了分析。所有計算均為額定水頭、三臺機同甩額定負(fù)荷工況（首先采用直線關(guān)閉時）。甩負(fù)荷后蝸殼最大壓力和機組最大轉(zhuǎn)速升高率均不能同時滿足設(shè)計控制指標(biāo)，見表1。

表1 不同關(guān)閉時間下直線關(guān)閉計算結(jié)果

圖1 t1、t2和開度S關(guān)系示意圖

采用兩段關(guān)閉規(guī)律時，先假定蝸殼末端最大壓力水頭不大于53mH2O，最大轉(zhuǎn)速上升率不超過60%，采用不同的第一段關(guān)閉時間t1、相對開度S和第二段關(guān)閉時間t2分析其對控制指標(biāo)的影響。t1、t2和拐點開度S見圖1。

圖2 關(guān)閉時間一定時拐點開度變化的計算結(jié)果

當(dāng)兩段關(guān)閉時間t1、t2一定時，機組轉(zhuǎn)速上升率隨拐點開度的增加而提高。從圖中線條可以看出，機組轉(zhuǎn)速上升率基本可以分成三段，分別為拐點開度在30以下、30至50和50以上，曲線斜率逐漸變陡，轉(zhuǎn)速上升率有逐漸惡化的趨勢；蝸殼最大壓力以拐點開度13為分界，先變小后變大，且在開度為10時，蝸殼壓力極值發(fā)生時間由蝸殼快關(guān)段關(guān)閉時刻突變?yōu)橥耆P(guān)閉時刻。

表2 關(guān)閉規(guī)律對過渡過程的影響分析結(jié)果

在快關(guān)段的兩要素t1和關(guān)閉開度S一定時，延長第二段關(guān)閉時間t2。由計算結(jié)果可以看出，機組轉(zhuǎn)速上升率恒定不變，蝸殼最大壓力逐漸變小，且降低速度越來越慢。由表2可知，最大蝸殼壓力在關(guān)閉時間增加到一定程度后基本恒定不變，達(dá)到一個極限值。

圖4 t2、拐點一定時t1變化的計算結(jié)果

在總關(guān)閉時間、拐點開度一定時，機組轉(zhuǎn)速上升率隨快關(guān)段時間t1的增加而上升，蝸殼最大壓力在5s以前遞減，5s以后逐漸增加，在5s處為最低值。

由以上分析可知，當(dāng)關(guān)閉時間一定時，蝸殼最大壓力并不是出現(xiàn)在直線關(guān)閉規(guī)律時，而是出現(xiàn)在關(guān)閉規(guī)律線下凹時。

3 結(jié)論

本文通過分析兩段關(guān)閉規(guī)律的三要素對過渡過程的影響，可以得出如下結(jié)論。

（1）機組轉(zhuǎn)速上升率取決于快關(guān)段，第一段關(guān)閉越快，機組轉(zhuǎn)速上升率越大。

（2）蝸殼最大壓力隨關(guān)閉時間加長而降低，一般出現(xiàn)在導(dǎo)葉關(guān)閉的終了時刻，但當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間超過一定限度后，該峰值降低速度明顯降低，收斂于一個極值，峰值出現(xiàn)在快關(guān)段末端。

（3）導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化應(yīng)該首先是在直線關(guān)閉規(guī)律下尋找最佳的總關(guān)閉時間，然后調(diào)整第一段關(guān)閉時間和開度使機組轉(zhuǎn)速上升率控制在指標(biāo)之下，最后適當(dāng)延長末端關(guān)閉時間，降低蝸殼最大壓力。

（4）當(dāng)關(guān)閉時間一定時蝸殼最大壓力并不是出現(xiàn)在直線關(guān)閉規(guī)律時，而是出現(xiàn)在關(guān)閉規(guī)律線下凹時。陜西水利