抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉規(guī)律淺析

權(quán) 強(qiáng)，張德浩，賈 珍，余 睿

（1.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西省鎮(zhèn)安縣 711500；2.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建省仙游縣 351267）

1 概述

抽水蓄能機(jī)組可逆式轉(zhuǎn)輪，為同時(shí)滿足雙向水流具有較好的過流特性，轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)輪直徑與葉高比大，轉(zhuǎn)輪葉片流道狹長(zhǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪離心力較大，具有明顯的截止效應(yīng)[1-2]，體現(xiàn)為流量特性曲線上水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)和反水泵區(qū)形成的S區(qū)域[3]。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有關(guān)理論，機(jī)組在S區(qū)域附近發(fā)電運(yùn)行甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉，轉(zhuǎn)輪的截止效應(yīng)不會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)速持續(xù)增大[4]，同時(shí)可避免機(jī)組轉(zhuǎn)速變化與導(dǎo)葉關(guān)閉引起的水錘壓力的疊加，水錘壓力不會(huì)出現(xiàn)大幅上升，以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求。近年來，導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉已逐漸在抽水蓄能機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用，如已投產(chǎn)的張河灣、宜興、蒲石河、黑糜峰、仙游等抽水蓄能電站采用了導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉規(guī)律。

福建仙游抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱仙游電站）2009年主體工程開工建設(shè)，2013年4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。電站采用“一管兩機(jī)”布置形式，引水隧洞長(zhǎng)約1.2km，額定水頭430m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，20個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉，機(jī)組在發(fā)電工況甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉延時(shí)10s后勻速直線關(guān)閉，在抽水工況甩負(fù)荷（斷電）時(shí)勻速直線關(guān)閉。

2 S特性對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷的影響

2.1 仙游電站機(jī)組S特性缺陷

仙游電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)表明，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行區(qū)域機(jī)組全特性曲線具有明顯的S特性（見圖1）。在該區(qū)域中，同一轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)3個(gè)流量值，其中一個(gè)為負(fù)值，在該區(qū)域內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化對(duì)過流特性影響很大，轉(zhuǎn)速發(fā)生很小變化都會(huì)引起流量發(fā)生很大變化[5]。在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化很大，從而導(dǎo)致流量對(duì)應(yīng)發(fā)生很大變化，流量的巨大變化造成較大的水錘壓力，水輪機(jī)的截止效應(yīng)越明顯，水錘壓力就越大[1]。就仙游電站機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速，若導(dǎo)葉采用直接關(guān)閉，隨著導(dǎo)葉開度減小，進(jìn)入S區(qū)域，如圖1所示，此時(shí)的飛逸轉(zhuǎn)速曲線與導(dǎo)葉開度線交點(diǎn)處的同一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)3個(gè)流量，流量受轉(zhuǎn)速變化影響很大，水錘壓力主要來自機(jī)組轉(zhuǎn)速變化與導(dǎo)葉關(guān)閉引起的流量變化共同疊加作用。根據(jù)仙游電站調(diào)保計(jì)算驗(yàn)證，機(jī)組在極端情況甩負(fù)荷時(shí)無論導(dǎo)葉采取何種斜率的關(guān)閉規(guī)律，都無法滿足蝸殼進(jìn)口中心線上的最大壓力保證值（含壓力脈動(dòng)） 7.14MPa（728m）。因此，需要根據(jù)可逆式機(jī)組所具有的S特性優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。

2.2 導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷的影響

可逆式機(jī)組的水錘壓力主要來自過渡過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速變化與導(dǎo)葉關(guān)閉引起的流量變化[6]。為了避免二者的共同作用，在甩負(fù)荷初期，導(dǎo)葉在一定時(shí)間內(nèi)可保持不動(dòng)，流量變化主要由機(jī)組轉(zhuǎn)速變化引起。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到極值后，由于轉(zhuǎn)輪的截止效應(yīng)致使流過轉(zhuǎn)輪的流量隨之減少，機(jī)組轉(zhuǎn)速及水錘壓力隨之開始降低，此時(shí)開始關(guān)閉導(dǎo)葉。轉(zhuǎn)速降低后機(jī)組過流流量開始增加，而導(dǎo)葉的關(guān)閉則使流量減少，兩者的共同作用使流量的變化率不會(huì)太大，因而也不會(huì)引起過大的水錘壓力。

導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉規(guī)律在機(jī)組甩負(fù)荷初期導(dǎo)葉保持不動(dòng)，水錘壓力僅由機(jī)組轉(zhuǎn)速變化引起，人為地避開了機(jī)組轉(zhuǎn)速變化與導(dǎo)葉關(guān)閉的共同作用，水錘壓力得到有效控制。如圖1所示，根據(jù)仙游電站機(jī)組S特性，機(jī)組甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速上升和機(jī)組流量變化相互抑制的特點(diǎn)明顯，采用導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉規(guī)律后蝸殼進(jìn)口壓力可滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求?？赡媸綑C(jī)組的水輪機(jī)方向過渡過程最為復(fù)雜，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化不確定性參數(shù)較多，為滿足調(diào)保計(jì)算要求，導(dǎo)葉延時(shí)時(shí)間及關(guān)閉規(guī)律的斜率尤為重要。

圖1 仙游電站機(jī)組全特性曲線Figure 1 Complete characteristic curve of unit in Xianyou power station

3 調(diào)保計(jì)算要求

（1）蝸殼進(jìn)口中心線上的最大壓力（含壓力脈動(dòng)） 不大于7.14MPa（728m）。

（2）尾水管進(jìn)口最小壓力（含壓力脈動(dòng)） 不小于 0.02 MPa（2.04m）。

（3）最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速小于1.5倍額定轉(zhuǎn)速。

（4）輸水隧洞全線洞頂處的最小壓力不小于 0.02MPa（2.04m）。

4 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

在考慮同一流道內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)電甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉延遲關(guān)閉時(shí)間對(duì)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高影響較小，對(duì)尾水管進(jìn)口最小水壓力有一定影響，對(duì)蝸殼進(jìn)口最大水壓力影響顯著。在導(dǎo)葉延遲關(guān)閉時(shí)間較小時(shí)，如0.2s或1s，蝸殼進(jìn)口最大水壓力超過700mH2O，考慮水壓力脈動(dòng)應(yīng)留余量52mH2O，就超過蝸殼進(jìn)口最大水壓力允許值728mH2O；導(dǎo)葉延遲關(guān)閉時(shí)間大于或等于8s時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大水壓力693mH2O（含壓力脈動(dòng)余量52mH2O）才能滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求，此時(shí)尾水管進(jìn)口最低水壓力為55mH2O。在導(dǎo)葉延遲關(guān)閉時(shí)間為10s時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大水壓力約為620mH2O，為相對(duì)最低值，此時(shí)尾水管進(jìn)口最低水壓力為51mH2O，為相對(duì)次高值。綜合，導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉時(shí)間選擇10s最為合理。

在導(dǎo)葉延時(shí)10s后開始關(guān)閉，導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間對(duì)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高沒有影響，這是因?yàn)樵谘舆t時(shí)間10s之內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到最大值。導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間對(duì)蝸殼進(jìn)口最大水壓力和尾水管進(jìn)口最低水壓力有一定影響，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果表明，直線關(guān)閉時(shí)間為25s時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大水壓力為最小值620mH2O，尾水管進(jìn)口最低水壓力為52mH2O，滿足要求。因此，導(dǎo)葉延時(shí)10s后直線關(guān)閉時(shí)間選用25s是合理的。

仙游電站優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律如圖2所示，以導(dǎo)葉最大轉(zhuǎn)角31°所對(duì)應(yīng)的接力器行程為100%，對(duì)于發(fā)電工況，先延時(shí)10s，然后以斜率為1/25的直線關(guān)閉，總關(guān)機(jī)時(shí)間為35s；水泵工況采用一段直線關(guān)閉，從100%接力器行程到關(guān)至死行程，時(shí)間為20s。

5 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律實(shí)現(xiàn)

5.1 10s延時(shí)

10s延時(shí)裝置采用在調(diào)速器主接力器開啟腔主油管路上接入一個(gè)插裝閥，通過控制該插裝閥的開關(guān)來切換調(diào)速器開啟腔回油通道，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉功能，其液壓控制如圖3所示。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)10s延時(shí)裝置退出，該插裝閥打開，調(diào)速器接力器開啟腔油回路暢通，不會(huì)對(duì)導(dǎo)葉的開關(guān)及負(fù)荷調(diào)整造成任何影響，調(diào)速器系統(tǒng)各性能指標(biāo)同樣不受影響。

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 2 Closing law of guide vane

圖3 10s延時(shí)裝置液控圖Figure 3 Hydraulic control chart for 10s delay device

5.1.1 10s延時(shí)裝置投入條件

只有滿足以下任一個(gè)條件時(shí)才投入10s延時(shí)裝置。

（1）換向隔離開關(guān)合于發(fā)電工況+導(dǎo)葉開度大于30%+機(jī)組斷路器分閘+機(jī)組曾處于發(fā)電穩(wěn)態(tài)。

（2）換向隔離開關(guān)合于發(fā)電工況+有電氣跳機(jī)令+機(jī)組曾處于發(fā)電穩(wěn)態(tài)。

（3）換向隔離開關(guān)合于發(fā)電工況+GCB分閘+機(jī)組曾處于發(fā)電穩(wěn)態(tài)+轉(zhuǎn)速大于110%額定轉(zhuǎn)速。

5.1.2 10s延時(shí)裝置功能實(shí)現(xiàn)及控制

當(dāng)機(jī)組滿足投入10s延時(shí)裝置條件時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的單線圈電磁閥EV41、EV42任一個(gè)失電動(dòng)作，即可切斷液控閥HV41的控制油路，致使液控閥HV41閥芯左移，將插裝閥關(guān)閉，調(diào)速器開啟腔正常排油通路被切斷，只能經(jīng)裝有直徑為6mm的節(jié)流孔管路排油，排油緩慢基本等同于接力器未動(dòng)導(dǎo)葉未關(guān)閉。該插裝閥投入延時(shí)10s后EV41、EV42同時(shí)得電復(fù)歸，10s延時(shí)裝置退出，該插裝閥打開，恢復(fù)接力器開啟腔正常排油，此時(shí)接力器正常關(guān)閉。

10s延時(shí)裝置插裝閥采用錐面密封設(shè)計(jì)，具有良好的密封性能，當(dāng)該插裝閥關(guān)閉時(shí)，能可靠截?cái)嗾{(diào)速器開啟腔排油回路，確保接力器不動(dòng)。該插裝閥無嚴(yán)格配合間隙要求，不易造成卡澀堵塞，保證了該插裝閥的運(yùn)行可靠性。為了確保10s延時(shí)裝置能可靠投退，插裝閥的控制電磁閥采用失電動(dòng)作設(shè)計(jì)原理，考慮到最極端情況調(diào)速器油壓裝置失電時(shí)，同樣能可靠地將該插裝閥關(guān)閉。當(dāng)插裝閥關(guān)閉后，在監(jiān)控系統(tǒng)程序內(nèi)、調(diào)速器油控柜控制程序內(nèi)以及硬布線回路中設(shè)置的延時(shí)繼電器都開始計(jì)時(shí)，以上任一計(jì)時(shí)滿足10s后均能保證該插裝閥打開。在兩個(gè)電磁閥及插裝閥控制腔上分別裝有位置開關(guān)及壓力開關(guān)，將10s延時(shí)裝置投退信號(hào)送監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.2 延時(shí)后直線關(guān)閉

導(dǎo)葉10s延時(shí)后采用直線關(guān)閉規(guī)律，通過事故配壓閥直接將接力器開啟腔油排至集油槽來實(shí)現(xiàn)。事故配壓閥安裝于10s延時(shí)裝置與主配壓閥之間，液控圖如圖4所示。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)判別滿足投入10s延時(shí)裝置時(shí)程序內(nèi)開始計(jì)時(shí)，10s后程序開出事故配壓閥投入令，電磁閥EV43動(dòng)作閥芯右移，事故配壓閥右側(cè)控制腔失壓閥芯右移，將接力器開啟腔不經(jīng)主配壓閥直接通排油，導(dǎo)葉勻速直線關(guān)閉，其斜率為1/25。

圖4 事故配壓閥液控圖Figure 4 Hydraulic control diagram of accident distributing valve

5.3 其他情況導(dǎo)葉關(guān)閉

仙游電站機(jī)組發(fā)電工況機(jī)械事故停機(jī)以及抽水工況甩負(fù)荷（斷電）時(shí)，10s延時(shí)裝置及事故配壓閥均處于退出狀態(tài)，調(diào)速器系統(tǒng)緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作，調(diào)速器接力器開啟腔通過主配壓閥排油，導(dǎo)葉勻速直線關(guān)閉，其斜率為1/20。

6 甩負(fù)荷試驗(yàn)

6.1 單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)

甩負(fù)荷時(shí)的最不利工況為在最大水頭下的額定出力，因此應(yīng)在最不利情況下檢驗(yàn)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，以1號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷為例。在上庫(kù)水位722.1m，下庫(kù)水位284.1m時(shí)，機(jī)組甩100%額定負(fù)荷（300MW），甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果見表1，甩負(fù)荷曲線如圖5所示。

從甩負(fù)荷曲線導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律可看出，導(dǎo)葉實(shí)際關(guān)閉規(guī)律與理論設(shè)置值基本吻合。在轉(zhuǎn)速變化過程中超過額定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過2次，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升至134.4%額定轉(zhuǎn)速，不超過調(diào)保計(jì)算要求值150%；蝸殼進(jìn)口最大壓力上升至6.724MPa，不超過調(diào)保計(jì)算要求值7.14MPa；尾水管進(jìn)口最低壓力0.121MPa，不低于調(diào)保計(jì)算要求值0.02MPa[3]。將甩負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)甩負(fù)荷數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算值基本一致，確認(rèn)其計(jì)算方法及過程滿足要求，其優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

表1 1號(hào)機(jī)組單機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of single unit 100% load test for unit 1

圖5 1號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗(yàn)過程曲線Figure 5 The curve of unit 1 hydrogenerator's rejection of the 100% load test process

6.2 雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)

為了確保雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)安全進(jìn)行，根據(jù)單機(jī)甩負(fù)荷后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，確定其模擬計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)際甩負(fù)荷情況，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律能滿足雙機(jī)甩負(fù)荷的要求，試驗(yàn)過程安全。以同一流道1、2號(hào)機(jī)組雙機(jī)甩負(fù)荷為例，在1、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行同時(shí)甩25%、50%、75%負(fù)荷后，對(duì)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析復(fù)核計(jì)算，確認(rèn)雙機(jī)100%甩負(fù)荷安全可控。最終在上庫(kù)水位729.32m，下庫(kù)水位287.08m時(shí)，進(jìn)行1、2號(hào)機(jī)組同時(shí)甩100%額定負(fù)荷，其甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果見表2，甩負(fù)荷曲線如圖6、圖7所示。

從甩負(fù)荷曲線可看出，導(dǎo)葉實(shí)際關(guān)閉規(guī)律與理論設(shè)置值基本吻合。在轉(zhuǎn)速變化過程中，1、2號(hào)機(jī)組超過額定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰均不超過2次，其最大轉(zhuǎn)速分別上升至138.3%、139.1%額定轉(zhuǎn)速，均不超過調(diào)保計(jì)算要求值150%；1、2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力分別上升至6.66MPa、6.64MPa，不超過調(diào)保計(jì)算要求值7.14MPa；1、2號(hào)機(jī)組尾水管進(jìn)口最低壓力分別為0.368MPa、0.382MPa，不低于調(diào)保計(jì)算要求值0.02MPa。在上下庫(kù)試驗(yàn)水位下雙機(jī)甩100%負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速最大上升值、蝸殼進(jìn)口最大壓力以及尾水管進(jìn)口最小壓力值均滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求[7]。

表2 1、2號(hào)機(jī)組雙機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of 100% load tests for 1 and 2 hydrogenerators are double throw

圖6 1、2號(hào)機(jī)組雙甩100%額定負(fù)荷—1號(hào)機(jī)組試驗(yàn)過程曲線Figure 6 Unit 1 and unit 2 double throw 100% rated load - unit 1 test process curve

圖7 1、2號(hào)機(jī)組雙甩100%額定負(fù)荷—2號(hào)機(jī)組試驗(yàn)過程曲線Figure 7 Unit 1 and unit 2 double throw 100% rated load - unit 2 test process curve

7 結(jié)束語(yǔ)

S區(qū)特性明顯的機(jī)組，為了滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求，導(dǎo)葉采用延時(shí)后直線關(guān)閉，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證機(jī)組轉(zhuǎn)速可控的條件下，保證了蝸殼進(jìn)口最大壓力及尾水管進(jìn)口最小壓力均能滿足要求。隨著我國(guó)抽水蓄能可逆式機(jī)組的快速發(fā)展，在主機(jī)招標(biāo)時(shí)要求機(jī)組在正常頻率變化范圍內(nèi)水輪機(jī)工況運(yùn)行范圍距S特性區(qū)臨界點(diǎn)的安全余量不小于30m，在轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)就有效避開S區(qū)，但可逆式機(jī)組的過渡過程極為復(fù)雜，不可確定因素較多，為了滿足調(diào)保設(shè)計(jì)計(jì)算的要求，其導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律尤為重要，仍需進(jìn)一步的研究。