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        角木塘水電站水力過渡過程分析

        2018-03-15 01:33:26建勛
        四川水利 2018年6期
        關(guān)鍵詞:蝸殼導(dǎo)葉水輪機(jī)

        , ,,, ,建勛

        (1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴陽(yáng),550002;2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局,貴陽(yáng),550002)

        1 工程概況

        角木塘水電站位于貴州省遵義市道真縣境內(nèi),為芙蓉江水電梯級(jí)開發(fā)中的第10級(jí)。電站裝機(jī)容量70MW,水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容為385萬(wàn)m3。水庫(kù)校核洪水位387.034m,設(shè)計(jì)洪水位383.010m,正常蓄水位383.00m,死水位381.00m。廠房正常尾水位351.68m,廠房設(shè)計(jì)洪水位376.4m,廠房校核洪水位382.61m。電站水頭30.6m,加權(quán)平均水頭29.5m,額定水頭28.5m,最小水頭23.2m。

        2 設(shè)計(jì)輸入

        2.1 引水系統(tǒng)模型建立

        角木塘電站工程引水系統(tǒng)采用“兩洞兩機(jī)”布置方式,進(jìn)水口后接直徑2×5.1m×7.3m的引水道至機(jī)組,機(jī)組采用混凝土蝸殼,進(jìn)水口設(shè)置快速閘門。

        2.2 機(jī)組設(shè)備的基本參數(shù)

        水輪機(jī)型號(hào):ZZ C502-LH-425

        發(fā)電機(jī)型號(hào):SF35-36/6800

        原型水輪機(jī)額定出力:36.08MW

        原型額定轉(zhuǎn)速:166.7r/min

        原型額定流量:137.65m3/s

        導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角范圍:20°~58°

        圖1 角木塘電站引水系統(tǒng)布置

        槳葉轉(zhuǎn)角范圍:10°~36°

        模型單位飛逸轉(zhuǎn)速:370r/min

        發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:3600t·m2

        水輪機(jī)中心安裝高程:344.743m

        水輪機(jī)導(dǎo)葉中心高程:346.70m

        導(dǎo)葉開口相對(duì)值設(shè)定:額定水頭發(fā)額定出力設(shè)為1.0

        3 水力過渡過程計(jì)算

        3.1 水力過渡過程計(jì)算要求

        水輪機(jī)要保證在單獨(dú)的或任何組合的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)或甩負(fù)荷情況時(shí),當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不小于3600t·m2時(shí),水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和水體慣量都計(jì)入的情況下,蝸殼最大壓力升高率保證值小于60%,水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升不超過額定轉(zhuǎn)速的60%。機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí),尾水管內(nèi)的最大真空度不大于8m水柱。

        由于引水系統(tǒng)為兩洞兩機(jī)布置,因此沒有復(fù)雜的組合工況,以額定水頭和最大水頭工況做相應(yīng)計(jì)算如下表1。

        表1 計(jì)算工況

        低水頭軸流式水輪機(jī)在甩負(fù)荷時(shí),尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空,形成反水擊,以及水輪機(jī)進(jìn)入水泵工況,產(chǎn)生的水泵升力而形成反向水推力,只要反向軸向力大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總重量,就會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分抬起一定的高度,此現(xiàn)象稱為“抬機(jī)”。

        “抬機(jī)”現(xiàn)象容易造成如下破壞:

        (1)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),調(diào)速器事故停機(jī)電磁閥動(dòng)作,導(dǎo)葉全關(guān)后,機(jī)組上抬后又急速下落,容易造成發(fā)電機(jī)推力軸承及水輪機(jī)導(dǎo)軸承損壞;

        (2)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),導(dǎo)葉突然關(guān)閉,機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分上抬并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,容易造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇和擋風(fēng)板之間產(chǎn)生摩擦,并且水輪機(jī)頂蓋也會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng),嚴(yán)重情況下可能會(huì)將頂蓋連接螺栓拉斷造成破壞。

        預(yù)防“抬機(jī)”的措施有:

        (1)在保證機(jī)組甩負(fù)荷后其轉(zhuǎn)速上升不超過規(guī)定的條件下,可適當(dāng)延長(zhǎng)導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間或?qū)~采用分段關(guān)閉;

        (2)采取措施減少轉(zhuǎn)輪室的真空度,如向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)補(bǔ)入壓縮空氣,裝設(shè)在頂蓋上的真空破壞閥要求經(jīng)常保持動(dòng)作準(zhǔn)確、靈活;

        (3)裝設(shè)限制抬機(jī)高度的限位裝置,當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)抬機(jī)時(shí),由限位裝置使抬機(jī)高度限制在允許的范圍內(nèi),以免設(shè)備損壞。

        3.2 一段關(guān)閉過渡過程計(jì)算

        結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,軸流式水輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí),常常發(fā)生“抬機(jī)”事故。因此,通過水力過渡過程計(jì)算,選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律,以防止水柱中斷引起的反水錘和減小水泵工況下向上的軸向水推力。首先采用一段關(guān)閉10s和20s進(jìn)行(槳葉不動(dòng)時(shí)間0.2s、槳葉關(guān)閉時(shí)間40s)計(jì)算如下:

        表2 一段關(guān)閉大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果

        從以上計(jì)算結(jié)果可以看出:

        (1)最大速率上升發(fā)生在額定水頭發(fā)額定出力甩負(fù)荷時(shí),速率上升33.2%~45%,其值<60%要求值,滿足調(diào)保計(jì)算要求,還有一定的裕度。因此,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2=3600t·m2完全滿足要求;

        (2)最大壓力上升發(fā)生在最大水頭發(fā)額定出力甩負(fù)荷時(shí),最大蝸殼水壓值43.174m~46.114m水柱,其最大壓力上升值按最大水頭60%計(jì)應(yīng)為48.96m水柱,其值<48.96m水柱要求值,滿足調(diào)保計(jì)算要求,并有一定的裕度;

        (3)在上述工況下,尾水最大壓力值1.826m~3.262m<8m,滿足最大真空度要求值;

        (4)隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的增加,最大功率和最小功率即是瞬時(shí)最小沖擊負(fù)荷就越小,表明反水錘導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間越大,造成“抬機(jī)”可能性更大;

        (5)從大波動(dòng)過渡過程曲線圖可以看出:在甩負(fù)荷過程中,壓力波呈衰減性。

        結(jié)論:采用一段關(guān)閉規(guī)律,其速率上升和壓力上升均滿足要求,但最小沖擊負(fù)荷太大,反水錘可能引發(fā)嚴(yán)重的“抬機(jī)”現(xiàn)象。

        3.3 兩段關(guān)閉過渡過程計(jì)算

        為更好地規(guī)避“抬機(jī)”問題,采用兩段關(guān)閉進(jìn)行計(jì)算如下。

        表3 機(jī)組兩段關(guān)閉規(guī)律

        圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

        表4 兩段關(guān)閉大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果

        從以上計(jì)算結(jié)果可以看出:

        (1)在上述工況中,采用兩段關(guān)閉,最大速率和最大蝸殼水壓值相對(duì)于一段關(guān)閉有所降低;

        (2)最大沖擊負(fù)荷和最小沖擊負(fù)荷有改善,特別最小沖擊負(fù)荷有明顯變化;從兩種不同的關(guān)閉規(guī)律來(lái)看,第一種關(guān)閉規(guī)律的最小沖擊負(fù)荷更低,因此,采用第一種兩段關(guān)閉規(guī)律對(duì)電站運(yùn)行更有利;

        (3)從大波動(dòng)過渡過程曲線圖可以看出:在甩負(fù)荷過程中,壓力波呈衰減性。

        結(jié)論:速率上升和壓力上升均滿足要求,二段關(guān)閉比一段關(guān)閉的瞬時(shí)最小沖擊負(fù)荷有大大的改善,對(duì)改善“抬機(jī)”影響是有顯著效果的。

        4 甩負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證

        2017年5月,角木塘水電站進(jìn)行了1#、2#機(jī)組的甩負(fù)荷試驗(yàn),圖3為2#機(jī)組甩100%負(fù)荷時(shí)調(diào)速器錄波。

        圖3 2#機(jī)組甩100%負(fù)荷調(diào)速器錄波

        由圖3可以看出,2#機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí),在轉(zhuǎn)速變化過程中超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過2次,從接力器第一次向關(guān)閉方向移動(dòng)起到機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)值不超過±0.5%為止,所經(jīng)歷的總時(shí)間不大于40s,調(diào)速器分段關(guān)閉符合設(shè)計(jì)要求,蝸殼壓力值、轉(zhuǎn)速上升率、尾水管真空度滿足設(shè)計(jì)要求。

        5 結(jié)語(yǔ)

        角木塘水電站工程任務(wù)主要是以發(fā)電為主,在電網(wǎng)中所占比重小,不承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的作用,電站屬于低水頭大流量的徑流式電站,引水系統(tǒng)簡(jiǎn)單。對(duì)于采用軸流式水輪機(jī)的電站而言,在水力過渡過程計(jì)算中均采用了導(dǎo)葉分段關(guān)閉的規(guī)律,其目的是保證機(jī)組在轉(zhuǎn)速上升值不超過規(guī)定值的前提下,有效地降低“抬機(jī)”的影響,一般在采用兩段關(guān)閉仍不能有效避免“抬機(jī)”破壞的情況下,三段關(guān)閉會(huì)帶來(lái)更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

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