徐曉燕，張曉宏，李建斌

（ 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048）

1 研究背景

在水電站運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組瞬間丟棄負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)在調(diào)速器的作用下，快速關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉又會(huì)相應(yīng)地引起過(guò)水系統(tǒng)中水錘壓力的上升[1]。 為保證引水系統(tǒng)安全以及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，根據(jù)調(diào)保計(jì)算的要求：水錘壓力上升的最大值和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的最大值都不允許超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許值。 實(shí)際上，限制水錘壓力升高與限制水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速升高的要求往往是相互制約的。 實(shí)踐證明，與其他因素相比，導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程的變化對(duì)水錘壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速的影響更加敏感。 導(dǎo)葉調(diào)節(jié)過(guò)程稍有變化，水錘壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)明顯升降變化。 因此，合理選擇水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程是解決甩負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼水壓力升高這一矛盾的最經(jīng)濟(jì)且有效的措施[2-4]。 本文通過(guò)具體的工程實(shí)例，針對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉的關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行了深入研究。

2 計(jì)算資料簡(jiǎn)介

某有壓引水式電站， 發(fā)電引水系統(tǒng)由引水隧洞、兩條引水發(fā)電支洞、調(diào)壓室等部分組成。 水庫(kù)校核洪水位267.70 m，正常高水位263.50 m，死水位為242.00 m。 新擴(kuò)電站廠房的常遇尾水位為194.00 m?？傃b機(jī)容量為280 MW， 兩臺(tái)機(jī)組， 單機(jī)的容量為140 MW， 水輪機(jī)額定出力143 MW。 最大水頭為67.50 m，最小水頭為46 m，設(shè)計(jì)水頭為53 m。單機(jī)設(shè)計(jì)水頭引用流量296.7 m3/s。 整個(gè)系統(tǒng)引水隧洞總長(zhǎng)482.03 m，洞徑分別為10 m和9.2 m。 調(diào)壓室為阻抗升管式調(diào)壓室，調(diào)壓室的井筒斷面是直徑為19 m的圓形，其與井底洞段部分通過(guò)直徑為5.8 m，高度為14.55 m的圓形升管連接。調(diào)壓室下游兩條發(fā)電引水支洞即壓力管道的長(zhǎng)度分別為246.704 m和284.33 m。兩條壓力管道的洞徑都是7.9 m。

3 計(jì)算分析

依據(jù)計(jì)算資料，采用特征線(xiàn)計(jì)算方法[4]，建立了與水電站相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和水錘方程，編制了計(jì)算程序，首先對(duì)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉按一段直線(xiàn)關(guān)閉過(guò)程變化情況下的機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼水錘壓力進(jìn)行計(jì)算分析。所得計(jì)算結(jié)果如表1所示。均不能同時(shí)滿(mǎn)足：機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高率＜45%，蝸殼最大壓力升高率＜50%，尾水管真空度＜8 m的要求。

表1 水輪機(jī)導(dǎo)葉一段直線(xiàn)關(guān)閉過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab. 1 The calculation results of the straight line closing process of one turbine guide vane

目前， 水輪機(jī)導(dǎo)葉大多采用兩段折線(xiàn)關(guān)閉過(guò)程[5-10]，所以，下面重點(diǎn)探討兩段關(guān)閉情況。

兩段關(guān)閉過(guò)程如圖1所示， 第一段關(guān)閉時(shí)間（ t1）、第二段關(guān)閉時(shí)間（ t2）和拐點(diǎn)開(kāi)度（ s）這3個(gè)關(guān)鍵因素的取值直接影響著調(diào)節(jié)保證計(jì)算的結(jié)果。 為分析兩段關(guān)閉過(guò)程對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速和蝸殼水錘壓力的影響，分3種情況進(jìn)行了計(jì)算：①第一段關(guān)閉時(shí)間t1和拐點(diǎn)值s不變，改變第二段關(guān)閉時(shí)間t2；②第二段關(guān)閉時(shí)間t2和拐點(diǎn)值s不變，改變第一段關(guān)閉時(shí)間t1；③第一段關(guān)閉時(shí)間t1和第二段關(guān)閉時(shí)間t2不變，拐點(diǎn)值s變化。 部分計(jì)算結(jié)果如表2及圖2—圖7所示。

圖1 導(dǎo)葉兩段關(guān)閉示意圖Fig. 1 Schematic diagram of closing of two sections ofturbine guide vane

計(jì)算結(jié)果表2表明：1） 當(dāng)?shù)谝欢侮P(guān)閉時(shí)間t1和拐點(diǎn)值s不變， 第二段關(guān)閉時(shí)間t2增加時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著增大， 蝸殼最大水壓力升高率下降；反之當(dāng)?shù)诙侮P(guān)閉時(shí)間t2減小時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著減小，蝸殼最大水壓力升高率增加。 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率的增加與第二段關(guān)閉時(shí)間t2的變化仍近似呈線(xiàn)性關(guān)系，而蝸殼最大水壓力升高率的減小與第二段關(guān)閉時(shí)間t2的變化近似呈指數(shù)曲線(xiàn)下降。 2） 當(dāng)?shù)诙侮P(guān)閉時(shí)間t2和拐點(diǎn)值s不變，第一段關(guān)閉時(shí)間t1增加時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率隨之增大，蝸殼最大水壓力升高率下降， 反之當(dāng)?shù)谝欢侮P(guān)閉時(shí)間t1減小時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率隨之減小，蝸殼最大水壓力升高率增加。 而且機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率的增加和蝸殼最大水壓力升高率的減小與第一段關(guān)閉時(shí)間t1的變化近似呈線(xiàn)性關(guān)系。 3） 當(dāng)?shù)谝欢侮P(guān)閉時(shí)間t1和第二段關(guān)閉時(shí)間t2固定不變， 拐點(diǎn)值s增加時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率隨著增大， 蝸殼最大水壓力升高率下降，但這種變化為非線(xiàn)性關(guān)系。

表2 水輪機(jī)導(dǎo)葉兩段折線(xiàn)關(guān)閉過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Calculation results of two sections of the turbine guide vane in the closing process

圖2 第①種情況蝸殼末端壓力變化曲線(xiàn)Fig. 2 The pressure variation curves at the end of the volute in case ①

圖3 第①種情況機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)Fig. 3 The speed change curves of unit in case ①

圖4 第②種情況蝸殼末端壓力變化曲線(xiàn)Fig. 4 The pressure variation curves in case ②at the end of the volute

圖5 第②種情況機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)Fig. 5 The speed change curves of unit in case ②

圖6 第③種情況蝸殼末端壓力變化曲線(xiàn)Fig. 6 The pressure variation curves in case ③at the end of the volute

圖7 第③種情況機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)Fig. 7 The speed change curves of unit in case ③

4 導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程的確定

依據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知，該電站水輪機(jī)導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉過(guò)程， 當(dāng)擬選第一段關(guān)閉時(shí)間t1為1 s，第二段關(guān)閉時(shí)間t2為12.5 s，拐點(diǎn)值s為0.8時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組分別在額定水頭和最大水頭工況下同時(shí)甩去全部負(fù)荷的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果為： ①在額定水頭下，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率為44.81%， 蝸殼最大水壓力升高率為42.37%，尾水管進(jìn)口壓力－6.01 m。②在最大水頭下，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率為41.51%，蝸殼最大水壓力升高率為49.03%，尾水管進(jìn)口壓力－4.29 m。③各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均能同時(shí)滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，能有效解決突然丟棄負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼水壓升高之間的矛盾，從而降低了工程造價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)工程實(shí)例計(jì)算分析了導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中關(guān)鍵因素的變化，探討了導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉過(guò)程時(shí)，第一段關(guān)閉時(shí)間、第二段關(guān)閉時(shí)間和導(dǎo)葉位置拐點(diǎn)的改變對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過(guò)確定這3個(gè)關(guān)鍵值，選擇合理的導(dǎo)葉分段關(guān)閉模式，得到行之有效的導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程，可以更好地協(xié)調(diào)解決好調(diào)保計(jì)算中的矛盾問(wèn)題。

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