沈龍 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司

一、前言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求越來越大，也帶動了水力水電技術(shù)的發(fā)展，單機容量和水頭越來越高，目前中國在建的敦化抽水蓄能電站其容量達到375MW。機組容量增大的方式一是增加水頭高度，二是增加過流面積，提高流量。高水頭機組在過渡工況運行時，水力工況復(fù)雜，負(fù)載突變，工況轉(zhuǎn)換，導(dǎo)葉響應(yīng)速度都會影響水力參數(shù)，對導(dǎo)水部件及轉(zhuǎn)動部件的安裝要求也較高，對水力技術(shù)的研究也日新月異。本文將主要分析上述三種因素與過渡工況中水力參數(shù)的因果關(guān)系。以期在后續(xù)試驗及數(shù)據(jù)分析中能夠提供幫助，可作為機組在調(diào)試階段各工況的水力參數(shù)的實測數(shù)據(jù)進行參考，評估各種試驗的風(fēng)險，靈活指導(dǎo)下一步的調(diào)試工作，為設(shè)計人員對機組和輔助設(shè)備的設(shè)計進行優(yōu)化提供依據(jù)，而機組性能試驗的運行參數(shù)，可指導(dǎo)進一步研究，推動設(shè)計水平的提高。

二、過渡工況時水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及分析

引水系統(tǒng)是水電站大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，水錘是發(fā)生在引水系統(tǒng)中的非恒定流現(xiàn)象。正常運行的水輪發(fā)電機機組，在諸如負(fù)荷突變，正常及非正常開停機時，閥門或者調(diào)速器動作，流水的流量和流速改變，因為壓力管道作為容器的形變和水體的彈性，引水系統(tǒng)的壓力管道的水流會產(chǎn)生非恒定流現(xiàn)象，即為水錘。這一轉(zhuǎn)換過程不是瞬間完成的，而是以波的形式在水管中來回傳播。以下以動水關(guān)球閥實際工況過程做分析，流道管徑、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)相同，球閥開關(guān)動作瞬間完成，沒有延時。假設(shè)球閥處壓力為H，水體流速為V，壓力管道路徑長度為L 不變，球閥管壁前狀態(tài)如下：

t0：H=H0，V=V0，L；

當(dāng)閥門突然關(guān)閉時，首先在閥門附近長度為L1的管段發(fā)生水錘現(xiàn)象水體被擠壓δL1，水壓力上升為段水體流速變?yōu)閂=0 后，這時管中水體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗堋Ｓ捎诠鼙谂蛎?，水體被壓縮，在管段L1中會產(chǎn)生剩余空間δL1，待后面的水體填滿剩余空間δL1后，鄰近管段L2水體又會發(fā)生水體擠壓，引起水壓力上升H=H0+δH1+δH2，L2段水體流速變?yōu)?，也產(chǎn)生剩余空間δL2。以此類推，從閥門開始逐段產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，水錘波以一定的速度α從閥門傳向上庫取水口。當(dāng)水錘到達引水管進口時，此時：

因為δH的作用，水體流向上水庫，壓力鋼管中的水體壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，壓力從H=H0+δH降為H=H0，流速變?yōu)閂=-V0，這相當(dāng)于產(chǎn)生一個反射波，反射波以α的速度從水管進口向閥門處傳播。此時：

當(dāng)反射波到達閥門處時，水流離開閥門，在閥門處造成真空，產(chǎn)生負(fù)壓，使水體壓力從H=H0變?yōu)?H=H0-δH，流速從V=-V0變?yōu)?，水管中水體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，即在閥門處產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波以α的速度從閥門傳向上庫取水口，此時：

在-δH的作用下，水體流向水管，使水管的壓力從 H=H0-δH升為H=H0，流速變?yōu)閂=V0，水體壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，又產(chǎn)生反射波，反射波以α的速度從取水口向閥門處傳播。當(dāng)反射波到達閥門處時，水流恢復(fù)到初始狀態(tài)，即水管的H=H0，V=V0。由于球閥仍然關(guān)閉，在球閥處又產(chǎn)生水錘波，水錘波將重復(fù)以上的傳播過程。

t4：H=H0，V=V0（回復(fù)到t0時刻狀態(tài)）；

水錘波在壓力鋼管中的傳播經(jīng)歷了四個時間段完成一個周期T：

t0-t1；動能→彈性勢能；

t1-t2；彈性勢能→動能；

t2-t3；動能→重力勢能；

t3-t4；重力勢能→動能；

α值是調(diào)節(jié)保護計算中的一個重要參數(shù)，它與壓力鋼管管的材質(zhì)、壁厚、半徑，水體彈性和水體容重有關(guān)。具體計算可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和著作，本文不做累述，α值的確定取決于上述的不變量，后續(xù)將根據(jù)現(xiàn)場實測α值進行直觀分析說明。

三、過渡工況中轉(zhuǎn)動部件的影響

機組在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，即機組以恒定功率和功率因數(shù)勻速運行，水的勢能-旋轉(zhuǎn)機械能-電能之間能量轉(zhuǎn)換平衡。當(dāng)機組負(fù)荷變化時（包括抽水和發(fā)電工況），能量轉(zhuǎn)換出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致機組轉(zhuǎn)速的變化。在穩(wěn)定狀態(tài)時，存在因機組運行導(dǎo)致凈水頭的減小的現(xiàn)象，此時通過調(diào)速器跟隨調(diào)節(jié)滿足達到能量轉(zhuǎn)換平衡。但在機組正常及非正常開/停機，負(fù)荷調(diào)整，等工況轉(zhuǎn)換時，球閥及調(diào)速器此時為了滿足負(fù)荷調(diào)整而快速動作，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，短時間內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，造成流道壓力脈動增大，供電質(zhì)量下降。特別是在機組100%甩負(fù)荷時，機組轉(zhuǎn)速升值最大，在此過渡過程中，機組的轉(zhuǎn)動慣量與機組升速有一定的關(guān)系，GD2越大，機組轉(zhuǎn)速上升率β越小，在過渡工況中振擺數(shù)值也越小，提高機組穩(wěn)定性，同時機組響應(yīng)速度也會降低。但根據(jù)參考文獻可以得知，GD2取值存在最大臨界點和最小臨界點，在臨界范圍外取值，GD2過大機組經(jīng)濟性差，且β改善不大；GD2過小機組響應(yīng)速度提升有限，且機組穩(wěn)定性能差。在臨界范圍內(nèi)，增大GD2可以一定程度降低調(diào)保參數(shù)和縮短調(diào)節(jié)時間。

四、大波動導(dǎo)葉開啟關(guān)閉時間對機組過渡過程的影響

根據(jù)前述水錘形成的原理，水輪機工況，同期并網(wǎng)后增加負(fù)荷，機組轉(zhuǎn)速不變，不難得出以下結(jié)論：在機組增負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉開啟越快，引起的負(fù)水錘越大，蝸殼末端的最小動水壓力將越小，尾水管進口的最大動水壓力也將越來越大；在機組減負(fù)荷時，導(dǎo)葉關(guān)閉越快，引起的水錘越大，蝸殼末端的最大動水壓力將越大，尾水管進口的最小動水壓力也將越來越??；電氣事故停機時，導(dǎo)葉關(guān)閉最快，此時壓力也達到極值。在水泵工況時，為了提高經(jīng)濟型，一般導(dǎo)葉在全開狀態(tài)工作，產(chǎn)生大波動過渡過程為水泵斷電，調(diào)速器動作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，此時也會在蝸殼末端形成負(fù)水錘。以上分析結(jié)果表明，導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉時間規(guī)律在過渡工況必須要滿足調(diào)保計算參數(shù)要求。

五、結(jié)論

本文簡述了水錘，導(dǎo)葉開啟關(guān)閉規(guī)律及機組轉(zhuǎn)動慣量在機組過渡過程中的影響。水錘效應(yīng)在過渡過程中，隨著周期運動能量遞減，數(shù)個周期后消失，針對水錘效應(yīng)，相應(yīng)的減小措施可以采用調(diào)壓井，增加導(dǎo)葉動作時間；轉(zhuǎn)動慣量對機組在過渡過程中作為一個慣性環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)動慣量越大，抑制水錘效應(yīng)效果越明顯，帶來的功率波動越小，反之亦反，但參考相應(yīng)文件，轉(zhuǎn)動慣量的過大失去經(jīng)濟性，過小又會增加機組不穩(wěn)定性；導(dǎo)葉動作速度影響在機組設(shè)計安裝完成后，多水錘效應(yīng)起到調(diào)節(jié)作用，在調(diào)節(jié)保證范圍內(nèi)，可以根據(jù)機組實際運行請款，可以適量提高動作速度，也可以在調(diào)保計算比較苛刻的情況下，減緩動作速度，較少機組壓力脈動。