張承業(yè)

（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710065）

在電站運(yùn)行中，常會(huì)遇到由于各種事故、機(jī)組突然與系統(tǒng)解列甩負(fù)荷的情況，此時(shí)調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)葉，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，引水系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生水擊壓力。為保證水力過(guò)渡過(guò)程中壓力升高率和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率都不超過(guò)允許值，有必要進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。其中水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)上述兩個(gè)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(jī)組轉(zhuǎn)速的上升。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水輪機(jī)導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的優(yōu)化研究，通過(guò)計(jì)算，分析快關(guān)段的時(shí)間、開(kāi)度以及總關(guān)閉時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。這將對(duì)電站實(shí)際運(yùn)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(jì)算案例簡(jiǎn)介

本工程引水發(fā)電系統(tǒng)主要由進(jìn)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(zhǎng)2028.6m，設(shè)計(jì)引用流量154.83m3/s，隧洞的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)流速4.03m/s。采用鋼板混凝土襯砌，鋼板厚16mm，采用兩個(gè)“卜”型岔管與三條進(jìn)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(jìn)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(tái)HLA551C－LJ－272混流式水輪機(jī)組，單機(jī)容量13.4MW，機(jī)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(guò)1∶4的反坡接入下游河道。

設(shè)計(jì)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(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率保證值：在額定水頭、額定出力運(yùn)行時(shí)甩滿負(fù)荷工況的最大轉(zhuǎn)速上升率不大于60%；

2 計(jì)算分析

本次計(jì)算采用某可視化過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算程序，對(duì)上述案例進(jìn)行了分析。所有計(jì)算均為額定水頭、三臺(tái)機(jī)同甩額定負(fù)荷工況（首先采用直線關(guān)閉時(shí)）。甩負(fù)荷后蝸殼最大壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率均不能同時(shí)滿足設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 不同關(guān)閉時(shí)間下直線關(guān)閉計(jì)算結(jié)果

圖1 t1、t2和開(kāi)度S關(guān)系示意圖

采用兩段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，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(guò)60%，采用不同的第一段關(guān)閉時(shí)間t1、相對(duì)開(kāi)度S和第二段關(guān)閉時(shí)間t2分析其對(duì)控制指標(biāo)的影響。t1、t2和拐點(diǎn)開(kāi)度S見(jiàn)圖1。

圖2 關(guān)閉時(shí)間一定時(shí)拐點(diǎn)開(kāi)度變化的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)兩段關(guān)閉時(shí)間t1、t2一定時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率隨拐點(diǎn)開(kāi)度的增加而提高。從圖中線條可以看出，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率基本可以分成三段，分別為拐點(diǎn)開(kāi)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(shì)；蝸殼最大壓力以拐點(diǎn)開(kāi)度13為分界，先變小后變大，且在開(kāi)度為10時(shí)，蝸殼壓力極值發(fā)生時(shí)間由蝸殼快關(guān)段關(guān)閉時(shí)刻突變?yōu)橥耆P(guān)閉時(shí)刻。

表2 關(guān)閉規(guī)律對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響分析結(jié)果

在快關(guān)段的兩要素t1和關(guān)閉開(kāi)度S一定時(shí)，延長(zhǎng)第二段關(guān)閉時(shí)間t2。由計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)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(lái)越慢。由表2可知，最大蝸殼壓力在關(guān)閉時(shí)間增加到一定程度后基本恒定不變，達(dá)到一個(gè)極限值。

圖4 t2、拐點(diǎn)一定時(shí)t1變化的計(jì)算結(jié)果

在總關(guān)閉時(shí)間、拐點(diǎn)開(kāi)度一定時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率隨快關(guān)段時(shí)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(shí)間一定時(shí)，蝸殼最大壓力并不是出現(xiàn)在直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，而是出現(xiàn)在關(guān)閉規(guī)律線下凹時(shí)。

3 結(jié)論

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

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

（2）蝸殼最大壓力隨關(guān)閉時(shí)間加長(zhǎng)而降低，一般出現(xiàn)在導(dǎo)葉關(guān)閉的終了時(shí)刻，但當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間超過(guò)一定限度后，該峰值降低速度明顯降低，收斂于一個(gè)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(shí)間，然后調(diào)整第一段關(guān)閉時(shí)間和開(kāi)度使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率控制在指標(biāo)之下，最后適當(dāng)延長(zhǎng)末端關(guān)閉時(shí)間，降低蝸殼最大壓力。

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