小型水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化——以猴場(chǎng)水電站為例

龍 斌，鄭 麗

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴陽 550002）

水輪機(jī)組的GD2值因制造難度等原因不能加大時(shí)，可以采用分段關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉的方法來有效控制水電站甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼壓力上升。貴州猴場(chǎng)水電站為引水式水電站，壩高18.5m，總庫容71萬m3，最大水頭64.33m，最小水頭59.00m，額定水頭60.00m，裝有三臺(tái)3.2MW混流臥式水輪發(fā)電機(jī)組。電站在額定出力時(shí)調(diào)保計(jì)算成果基本滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；在設(shè)備招采購標(biāo)階段應(yīng)業(yè)主的要求，水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備超10%出力運(yùn)行的能力,但是通過調(diào)保計(jì)算復(fù)核甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼壓力上升不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，設(shè)備制造商也明確機(jī)組的GD2不能再加大。現(xiàn)階段最為經(jīng)濟(jì)的方法只有采取優(yōu)化水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律方式來控制甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼壓力上升的問題。

1 機(jī)組GD2與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

水輪發(fā)電機(jī)組GD2是其轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量與慣性直徑平方的乘積，是水電站設(shè)計(jì)中重要的機(jī)組參數(shù)之一，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和材料工藝提高，GD2有減小的趨勢(shì)，GD2的減小，可減輕機(jī)組重量，降低機(jī)組設(shè)備成本。但是從引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算來看，增加GD2有利于優(yōu)化引水系統(tǒng)洞徑，節(jié)省工程投資。進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)選導(dǎo)葉分段關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉拐點(diǎn)，利用合理的GD2取值能有效解決有壓輸水系統(tǒng)水流慣性、機(jī)組慣性力矩和調(diào)整性能三者之間的關(guān)系，使水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值均在安全合理的范圍內(nèi)[1]。

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律計(jì)算中，在轉(zhuǎn)速上升率接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，導(dǎo)葉若采用直線關(guān)閉規(guī)律，通常需要機(jī)組具有較大的GD2；導(dǎo)葉若采用合理的分段關(guān)閉規(guī)律（如兩段或三段關(guān)閉），需要機(jī)組的GD2相對(duì)較小。

2 直線關(guān)閉規(guī)律的過渡過程計(jì)算

猴場(chǎng)水電站在初步設(shè)計(jì)階段，由于業(yè)主未提及機(jī)組超出力的要求，所以在進(jìn)行水力過渡過程分析計(jì)算時(shí)，只考慮單臺(tái)機(jī)組的額定出力工況，也是機(jī)組的最大出力。在初步設(shè)計(jì)階段機(jī)組GD2一般是電站由調(diào)節(jié)保證計(jì)算來確定，但機(jī)組GD2也有一個(gè)范圍，為了確保調(diào)節(jié)保證計(jì)算確定的GD2的合理性，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式[2]，初步計(jì)算GD2為11.8tm2。通過導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的分析計(jì)算[3，4]，機(jī)組在額定出力下，導(dǎo)葉采用直線關(guān)閉規(guī)律能夠滿足調(diào)保計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)猴場(chǎng)水電站的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，猴場(chǎng)水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值選定為機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率55%，最大蝸殼壓力0.95 MPa，尾水管進(jìn)口最小壓力-0.08MPa。通過導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算可知，隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的增大，機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速上升率相應(yīng)的增大，蝸殼進(jìn)口壓力逐步降低。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為5s時(shí)，轉(zhuǎn)速上升率1＃機(jī)組為55.50%、2＃機(jī)組為54.87%、3＃機(jī)組為55.57%，甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率接近或稍超出調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的55%，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為3s、4s時(shí)均能滿足，但取4s較好。所以初步設(shè)計(jì)階段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用直線關(guān)閉，GD2選取為11.8tm2，關(guān)閉時(shí)間為4s，甩負(fù)荷后機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為51.85%，最大蝸殼進(jìn)口壓力為0.793 MPa，尾水管進(jìn)口最小壓力-0.048 MPa，均在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

表1 導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算成果表

在招標(biāo)階段業(yè)主提出猴場(chǎng)水電站水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有超出力10%負(fù)荷的能力。根據(jù)業(yè)主的要求重新進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算的復(fù)核，計(jì)算工況為三臺(tái)機(jī)組在額定水頭下甩110%額定負(fù)荷。復(fù)核結(jié)果見表2。

通過復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知，蝸殼進(jìn)口最大壓力上升值和尾水管進(jìn)口最小壓力值均比額定工況有所增加，都在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但轉(zhuǎn)速最大上升率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值55%的要求。所以在機(jī)組超出力10%負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)不能滿足要求，必須采用有效技術(shù)措施。一般采取三種措施：加大壓力鋼管直徑、增加機(jī)組GD2和優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。加大壓力鋼管直徑，勢(shì)必增大投資。若采用增加機(jī)組GD2，通過與廠家溝通討論，由于機(jī)組額定轉(zhuǎn)速較高，機(jī)組的GD2最大只能到達(dá)12tm2，比初步設(shè)計(jì)采用的GD2增加不多，對(duì)抑制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升效果不大。因此，采用優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，即采用分段關(guān)閉，選取合理的折點(diǎn)和各段的關(guān)閉時(shí)間，以達(dá)到機(jī)組超出力運(yùn)行時(shí)甩負(fù)荷調(diào)保計(jì)算參數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，為控制蝸殼進(jìn)口壓力上升，導(dǎo)葉關(guān)閉速度不宜太快；為控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)葉關(guān)閉速度不宜太慢；為了協(xié)調(diào)機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升和蝸殼進(jìn)口壓力上升的矛盾，可采用分段關(guān)閉 （兩段或三段關(guān)閉）。三段關(guān)閉規(guī)律對(duì)緩解轉(zhuǎn)速上升和壓力上升的矛盾優(yōu)于兩段關(guān)閉規(guī)律，但三段關(guān)閉規(guī)律實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，一般在進(jìn)行調(diào)保分析計(jì)算時(shí)，若兩段關(guān)閉規(guī)律能滿足工程要求，就不再進(jìn)行三段關(guān)閉規(guī)律的論證。實(shí)際采用兩段關(guān)閉規(guī)律的水電站較多，技術(shù)較為成熟。

3.1 導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算

對(duì)猴場(chǎng)水電站機(jī)組進(jìn)行導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算，選擇合適關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉拐點(diǎn)位置。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見表3。

通過計(jì)算可知，隨著關(guān)閉拐點(diǎn)位置逐漸增大，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升增大，對(duì)應(yīng)計(jì)算工況的蝸殼進(jìn)口最大壓力則逐漸下降。K2工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K1下降0.02MPa，K3工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K2下降0.021MPa，K4工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K3下降0.017MPa。K2工況機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率比K1增加1.97%，K3工況機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率比K2增加0.43%，K4工況機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率比K3增加1.4%。當(dāng)拐點(diǎn)位置為0.45時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速和蝸殼進(jìn)口最大壓力出現(xiàn)折點(diǎn) （以1#機(jī)組的計(jì)算成果作為分析數(shù)據(jù)），所以選擇拐點(diǎn)位置為0.45。通過對(duì)第二段不同關(guān)閉時(shí)間tk2（5s，6s，7s）進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)蝸殼進(jìn)口壓力基本不變化，而轉(zhuǎn)速的變化相比較大，故選擇第二段關(guān)閉時(shí)間為5s。由于第一段關(guān)閉時(shí)間tk1采用3s時(shí)，不管第二段關(guān)閉時(shí)間tk2和拐點(diǎn)位置y1如何調(diào)整，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，在此不再進(jìn)行第一段關(guān)閉時(shí)間的論證。所以，選擇第一段關(guān)閉時(shí)間tk1為2s，第二段關(guān)閉時(shí)間tk2為5s，拐點(diǎn)位置y1為0.45。

表2 復(fù)核調(diào)保計(jì)算結(jié)果

表3 導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

3.2 分段關(guān)閉規(guī)律調(diào)節(jié)保證計(jì)算

用以上導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行不同工況[5]的調(diào)節(jié)保證計(jì)算，驗(yàn)證導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的合理性。計(jì)算工況如下：

D1水頭為60.7m時(shí)，三臺(tái)機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；

D2水頭為62.7m時(shí)，三臺(tái)機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；

D3水頭為64.0m時(shí)，一臺(tái)機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷,另外兩臺(tái)機(jī)組停機(jī)；

D4水頭為60.0m時(shí)，三臺(tái)機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；

D5水頭為62.2m時(shí)，三臺(tái)機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；

D6水頭為64.1m時(shí)，一臺(tái)機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；另外兩臺(tái)機(jī)組停機(jī)。

計(jì)算結(jié)果見表4。

工況D1～D3為額定出力下甩全部負(fù)荷，蝸殼進(jìn)口壓力均在0.9MPa以下，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升都不到44%。工況D4～D6為110%額定出力下甩全部負(fù)荷，蝸殼進(jìn)口最大壓力值出現(xiàn)在D5工況為0.932 MPa，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升出現(xiàn)在D4工況為51.6%，以上計(jì)算結(jié)果均在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。所以水輪發(fā)電機(jī)組的GD2最大值收到限制的情況下通過優(yōu)化水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，可以滿足機(jī)組超負(fù)荷情況下甩全部負(fù)荷時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)機(jī)組調(diào)保計(jì)算的要求。

表4 分段關(guān)閉規(guī)律過渡過程計(jì)算 （t k1=2s，t k2=5s，y1=0.45）

4 結(jié)論

1）在水電站初步設(shè)計(jì)階段要仔細(xì)計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組的GD2，以免到設(shè)備采購階段與設(shè)備廠家提供的GD2偏差較大，影響水電站的調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果，從而影響水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2）在水電站前期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮是否對(duì)本電站機(jī)組有超出力的要求。

3）如果設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮上述兩種情況，當(dāng)水輪機(jī)組的GD2不能滿足水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求時(shí)，采用導(dǎo)葉分段關(guān)閉措施，可以有效控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼進(jìn)口壓力上升。

4）小型水電站的水庫調(diào)節(jié)庫容一般較小或無調(diào)節(jié)庫容，為了增加經(jīng)濟(jì)效益，往往在豐水期使機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行。所以在進(jìn)行小型水電站設(shè)計(jì)時(shí)，為了使水電站安全運(yùn)行，調(diào)保計(jì)算應(yīng)適當(dāng)預(yù)留安全余量。

[1]劉生國.淺析水輪機(jī)導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律的選擇[J].水電能源科學(xué)，2007（3）：173-174.

[2]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）[M].北京：水利電力出版社，1983.

[3]水電站水力-機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算通用軟件技術(shù)[R].南?京：河海大學(xué)水利水電學(xué)院，2001.

[4]沈祖詒.Wondows界面下水力-機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算通用軟件[J].水力發(fā)電，2000（7）：57-59.