盛國(guó)林，黃 平，廖海春

（1.三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.葛洲壩機(jī)電建設(shè)公司，四川 成都 610092）

改善水力機(jī)組調(diào)保參數(shù)的措施

盛國(guó)林1，黃 平2，廖海春2

（1.三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.葛洲壩機(jī)電建設(shè)公司，四川 成都 610092）

簡(jiǎn)要地論述了水力機(jī)組調(diào)保計(jì)算的任務(wù)和作用，論述了實(shí)際生產(chǎn)中改善調(diào)保參數(shù)的不同措施，分析了不同措施對(duì)改善調(diào)保參數(shù)的具體影響方式，提出了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不同類型水力機(jī)組選擇改善調(diào)保參數(shù)措施的總體原則。

調(diào)保參數(shù)；平衡；技術(shù)措施；運(yùn)行條件；設(shè)計(jì)

1 水力機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)

水力機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的出力與負(fù)荷保持平衡的運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速恒定不變，而且壓力水管中的水流處于恒定流狀態(tài)。但是機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷是不斷變化的，而且機(jī)組常會(huì)碰到較大的負(fù)荷變動(dòng)，尤其是當(dāng)事故而甩全負(fù)荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水輪機(jī)動(dòng)力矩與發(fā)電機(jī)的負(fù)荷阻力矩極不平衡而使機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇變化，這時(shí)調(diào)速器迅速調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)的流量以使機(jī)組出力與變化后的負(fù)荷重新保持平衡，機(jī)組進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)定工況。在上述調(diào)節(jié)過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速與壓力水管中的水壓力都將發(fā)生急劇的變化，甚至可能產(chǎn)生危及機(jī)組、水電站壓力引水系統(tǒng)及電網(wǎng)安全的嚴(yán)重事故。如較大的水擊壓強(qiáng)變化使壓力管道爆裂或壓扁以及水輪機(jī)遭到破壞；過(guò)高的轉(zhuǎn)速變化使機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)并損害機(jī)組的強(qiáng)度和壽命，甚至造成機(jī)組飛逸事故等。

在水電站壓力引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組特性確定時(shí)，對(duì)水擊壓強(qiáng)變化和轉(zhuǎn)速上升大小起控制作用的是導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律。因此，在水電站設(shè)計(jì)時(shí)要計(jì)算調(diào)節(jié)過(guò)程中的最大水擊壓強(qiáng)變化值和最大轉(zhuǎn)速上升值，并據(jù)此選擇合理的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律，使水擊壓強(qiáng)變化和轉(zhuǎn)速上升都在允許范圍內(nèi)，這在工程上稱為調(diào)節(jié)保證計(jì)算，簡(jiǎn)稱調(diào)保計(jì)算。

調(diào)保計(jì)算的任務(wù)就是根據(jù)水電站壓力引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組特性，選擇合理的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律，進(jìn)行最大水擊壓強(qiáng)變化值和最大轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算，使水擊壓強(qiáng)變化和轉(zhuǎn)速上升都在允許范圍內(nèi)。

2 改善調(diào)保參數(shù)的措施

壓力管道較長(zhǎng)的高、中水頭水電站，當(dāng)水流的慣性時(shí)間常數(shù)較大時(shí)（Tw超過(guò)2～3.5s），調(diào)保計(jì)算的結(jié)果很難同時(shí)滿足壓力上升率和轉(zhuǎn)速上升率的要求。為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)采用一些技術(shù)措施來(lái)降低水擊壓力或限制轉(zhuǎn)速上升。壓力管道的長(zhǎng)度受地形和水電站總體布置的限制，一般較難縮短；加大管徑可以降低水及壓力，但會(huì)增加投資。通常采用技術(shù)措施有以下幾個(gè)方面。

2.1 改善導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

調(diào)節(jié)與元件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)水擊壓力的轉(zhuǎn)速變化起著決定性的影響。圖1(a）是在相同時(shí)間內(nèi)給出的3種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，圖1（b）是對(duì)應(yīng)3種關(guān)閉規(guī)律的水擊壓力變化曲線。從圖中可看出，關(guān)閉規(guī)律Ⅰ的關(guān)閉數(shù)率均勻，其水擊壓力有一穩(wěn)定值；關(guān)閉規(guī)律Ⅱ的關(guān)閉速度先快后慢，因此水擊壓力先升后降，有一極限值。關(guān)閉規(guī)律Ⅲ的關(guān)閉速度先慢后快，因此水擊壓力先小后大，此種情況相當(dāng)于縮短了關(guān)閉時(shí)間，所以這種規(guī)律對(duì)水擊壓力變化最不利。因此，確定合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)降低水擊壓力和轉(zhuǎn)速的上升有重要的意義。

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)水擊壓力上升的影響

比較規(guī)律Ⅰ、Ⅱ可知規(guī)律Ⅱ有利于在開(kāi)始階段迅速減小水輪機(jī)動(dòng)力矩，使最大轉(zhuǎn)速上升值減小。綜上可知，導(dǎo)葉關(guān)閉采用先快后慢的關(guān)閉規(guī)律為佳，此種關(guān)閉規(guī)律可以有數(shù)的降低水擊壓力和轉(zhuǎn)速上升值。目前，常采用導(dǎo)葉的兩段關(guān)閉規(guī)律，即在調(diào)速器中采取一定的措施，使接力器關(guān)閉先快后慢。圖2所示為某水電站采用兩段關(guān)閉規(guī)律時(shí)甩負(fù)荷示波圖，由圖可知在甩負(fù)荷開(kāi)始階段導(dǎo)葉關(guān)閉速度較快，因此有利于降低轉(zhuǎn)速上升值，當(dāng)壓力上升到規(guī)定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉速度減緩，使隨后發(fā)生的壓力上升不會(huì)比折點(diǎn)處的壓力上升高，所以甩負(fù)荷過(guò)程中最大壓力上升值發(fā)生在折點(diǎn)處。因此，只要適當(dāng)選擇折點(diǎn)的位置和第一、二的關(guān)閉速度，就可以達(dá)到降低水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升目的。

圖2 兩段關(guān)閉規(guī)律時(shí)甩負(fù)荷示波圖

2.2 設(shè)置調(diào)壓室

從調(diào)節(jié)過(guò)程特性對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響可知，要減少水擊壓力升高值，可采用縮短管道長(zhǎng)度L或增大管徑的方法來(lái)減少Tw值。但是管道長(zhǎng)度取決于地形地質(zhì)條件,而增大管道徑會(huì)造成投資的增加，因此采用縮短管道長(zhǎng)度L或增大管徑的方法來(lái)減小Tw值并不是可取的方法。一般采用設(shè)置調(diào)壓室的方法。

調(diào)壓室是一種修建在水電站壓力引水隧洞與壓力管道之間，具有自由水面和一定容積的調(diào)節(jié)性水工建筑物，如圖3所示。調(diào)壓室將連續(xù)的壓力引水道分成上游引水道和下游引水道（即壓力管道）兩個(gè)部分，它能有效地減少壓力管道中的水擊壓力上升值。當(dāng)甩負(fù)荷時(shí)，水擊壓力波由導(dǎo)葉處開(kāi)始，沿壓力管道傳播至調(diào)壓室時(shí)，水擊波被調(diào)壓室發(fā)射。而引水隧洞中水流由于壓力波的阻止，其動(dòng)能被暫時(shí)以調(diào)壓室水位升高形成的位能儲(chǔ)存起來(lái)。隨后，調(diào)壓室中高于穩(wěn)定水位的水體又迫使水流向上游流動(dòng)，水位形成波動(dòng)，由于水流在流動(dòng)中因摩擦產(chǎn)生能量損失，最后調(diào)壓室水位將穩(wěn)定在水位波動(dòng)發(fā)生前的水位。在上述過(guò)程中，壓力管道中的水及壓力升高由兩個(gè)部分決定，即壓力管道內(nèi)水流慣性引起的調(diào)壓室水位升高和引水隧洞中水流慣性引起的調(diào)壓室水位升高。而當(dāng)調(diào)壓室斷面越大時(shí)，后者影響越小。所以，要減少壓力管道內(nèi)的水擊壓力上升值，調(diào)壓室的位置要盡量靠近廠房。

圖3 調(diào)壓室布置及其內(nèi)部水位波動(dòng)圖

當(dāng)水電站增加負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用水量加大，如果Tw較大而未設(shè)調(diào)壓室，水流可能會(huì)出現(xiàn)斷流，設(shè)置調(diào)壓室則可暫時(shí)補(bǔ)充不足水量以保證水流的連續(xù)性。此時(shí)，調(diào)壓室中的水位將有所降低，則壓力管道內(nèi)由于增負(fù)荷引起的壓力降低也會(huì)減少，這給保證管道結(jié)構(gòu)的安全和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都會(huì)帶來(lái)好處。

調(diào)壓室建造投資大、工期長(zhǎng)，在實(shí)際工程中是否采用調(diào)壓室，應(yīng)根據(jù)水電站在電網(wǎng)中的作用、機(jī)組運(yùn)行條件、電站樞紐布置以及地形、地質(zhì)條件等進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。在初步分析時(shí)，設(shè)不設(shè)置調(diào)壓室可用整個(gè)引水管中的水流慣性時(shí)間T值進(jìn)行判斷。對(duì)于孤立系統(tǒng)或電站容量占電力系統(tǒng)容量50%以上者，允許Tw=2.5～3.0s；水電站容量占電力系統(tǒng)容量20%以下者，允許Tw=5.0～6.0s;當(dāng)Tw超過(guò)上述范圍時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置調(diào)壓室。

2.3 裝設(shè)調(diào)壓閥

由于受到地質(zhì)、地形條件限制興建調(diào)壓室有困難的中、小型電站,可考慮以調(diào)壓閥代替調(diào)壓室，一般其投資為建造調(diào)壓室的20%。

調(diào)壓閥設(shè)置在由蝸殼或壓力水管引出的排水管上，如圖4所示。在甩負(fù)荷后導(dǎo)葉關(guān)閉的同時(shí)，調(diào)壓閥打開(kāi)，部分流量（一般為管道流量的50%～80%）經(jīng)調(diào)壓閥泄出，使壓力管道中的流量變化減緩，壓力升高也減小。為了節(jié)省水量，在導(dǎo)葉關(guān)閉后，調(diào)壓閥能自動(dòng)慢慢關(guān)閉。采用調(diào)壓裝置，即使導(dǎo)葉以比較快的速度關(guān)閉，由于壓力管道中總流量變化不大，故水擊壓力也增加不大。這既提高了導(dǎo)葉的關(guān)閉速度，也會(huì)相應(yīng)減小機(jī)組的速率上升值。增負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥無(wú)作用。

圖4 調(diào)壓閥裝置示意圖

目前，在系統(tǒng)中不擔(dān)任主調(diào)頻機(jī)組的水電站，特別是單機(jī)容量占電力系統(tǒng)比重不大的水電站，或者對(duì)供電質(zhì)量沒(méi)有特別嚴(yán)格要求的農(nóng)村地區(qū)性電力系統(tǒng)中的水電站，在2～2.5s

2.4 增大機(jī)組G D2

從速率上升計(jì)算公式可以知，增加機(jī)組G D2值，可以降低上升值。

機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G D2，一般以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分為主，而水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪相對(duì)直徑較小、重量較輕，通常其G D2只占機(jī)組總G D2值的10%左右。一般情況下，大、中型反擊式水輪機(jī)組按照常規(guī)設(shè)計(jì)的G D2已基本滿足調(diào)節(jié)保證的要求；如不能滿足，應(yīng)與發(fā)電機(jī)制造部門協(xié)商解決。中、小型機(jī)組特別是轉(zhuǎn)速較高的小型機(jī)組，由于其本身的G D2較小，常用加裝飛輪的方法來(lái)增加G D2。

3 總結(jié)

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同電站的水力機(jī)組因運(yùn)行條件存在著很大的差異，因此它們各自改善調(diào)保參數(shù)的措施也不盡相同，在水利機(jī)組的設(shè)計(jì)階段，我們應(yīng)綜合分析，選擇最合理的改善調(diào)保參數(shù)的具體措施。

[1]蔡燕生.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].鄭州：黃河水利出版社，2009.

[2]魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[3]沈祖詒.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

TK 730.7

B

1672-5387（2013）02-0007-03

2012-10-20

盛國(guó)林（1968-），男，副教授，研究方向：水力機(jī)組自動(dòng)控制技術(shù)。