梁曉玲，徐 靖，田瑞嬌，姜 萍

（河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031）

抽蓄電站機(jī)組不同甩負(fù)荷方式對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響

梁曉玲，徐 靖，田瑞嬌，姜 萍

（河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031）

本文以某電站1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)組為例，針對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組的過(guò)渡過(guò)程特性，在球閥-導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)延時(shí)關(guān)閉規(guī)律下，通過(guò)Suter特征線的方法對(duì)比分析兩機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷、1號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷和2號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷三種甩負(fù)荷方式下的性能參數(shù).并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證：兩機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率較相繼甩負(fù)荷平均降低3%，蝸殼進(jìn)口最大水壓力最少降低17mH2O，尾水管進(jìn)口最低水壓力升高20mH2O.相繼甩負(fù)荷使尾水管進(jìn)口最小壓力嚴(yán)重降低，不能滿足調(diào)保參數(shù)限制值要求.

抽水蓄能電站；甩負(fù)荷；過(guò)渡過(guò)程；可逆機(jī)組

在抽水蓄能電站機(jī)組事故甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組突然甩去負(fù)荷必然會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和流量相繼發(fā)生變化，繼而在水道系統(tǒng)內(nèi)部引發(fā)劇烈的水錘效應(yīng)[1]，進(jìn)而改變蝸殼和尾水管進(jìn)口水壓力[2]，最終影響機(jī)組使用壽命，威脅電站的運(yùn)行安全.相對(duì)于其他改善措施，目前抽水蓄能電站中多關(guān)注選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律來(lái)降低水錘效應(yīng)并限制機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高[3]，該方法實(shí)行較為簡(jiǎn)單且投資小[4]，但對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)是否同時(shí)甩負(fù)荷或相繼甩負(fù)荷對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響大小報(bào)道甚少，且相關(guān)論文多在解釋輸水系統(tǒng)布置方式對(duì)相繼甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程特性的影響[5].朱冠宏對(duì)宜興抽水蓄能電站進(jìn)行了一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，并與調(diào)保計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析比較[6].李建輝等人對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷后球閥與導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化分析[7].游光華對(duì)抽水蓄能電站一管一機(jī)和一管雙機(jī)現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并進(jìn)行了仿真分析[8].近年對(duì)引水管道的布置引起的蝸殼壓力與尾水管壓力變化研究也逐漸增加[9].蔣瑋分析了輸水洞徑對(duì)機(jī)組相繼甩負(fù)荷尾水進(jìn)口壓力的影響[10].但是很少進(jìn)行定量的分析，鑒于此，本文對(duì)設(shè)計(jì)水頭為430m某抽水蓄能電站同一單元的1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)施行同時(shí)甩負(fù)荷和相繼甩負(fù)荷，并從原理上分析過(guò)渡過(guò)程中各性能參數(shù)變化的原因，再通過(guò)Suter特征線法[11]計(jì)算各參數(shù)理論值，并與工程實(shí)例結(jié)果相比較，為抽水蓄能電站機(jī)組安全運(yùn)行提供依據(jù).

1 過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型

1.1 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化

機(jī)組緊急甩負(fù)荷時(shí)，負(fù)載力矩突然降為0，因?yàn)槟芰坎黄胶鈱?dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升，轉(zhuǎn)速上升率公式為：

式中,N0為機(jī)組初始狀態(tài)所載負(fù)荷；TS1與導(dǎo)葉開(kāi)度由全開(kāi)至全關(guān)所需時(shí)間有關(guān)；f為修正系數(shù)；n0為機(jī)組初始轉(zhuǎn)速；GD2為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；G為機(jī)組轉(zhuǎn)子重量；D為轉(zhuǎn)輪慣性直徑.

1.2 蝸殼進(jìn)水壓力變化

機(jī)組甩負(fù)荷開(kāi)始，當(dāng)壓力水管末端流量發(fā)生變化時(shí)，水管內(nèi)部將出現(xiàn)非恒定流現(xiàn)象，流速變化同時(shí)伴隨著顯著的壓強(qiáng)變化.即會(huì)發(fā)生水錘現(xiàn)象.水錘分為直接水錘和間接水錘，直接水錘計(jì)算方法為：

式中，c為波速；V0為初始流速；V為終了流速.

而間接水錘計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜，將直接水錘與間接水錘疊加即為最終水錘壓力，估算水錘壓力公式為：

式中,TW為壓力管道水流慣性加速試驗(yàn)常數(shù)；TS為導(dǎo)葉有效的關(guān)閉時(shí)間；q0、q1分別為水輪機(jī)在初始和終了時(shí)的相對(duì)流量值.

1.3 尾水管真空度變化

在非恒定流情況下，由公式得尾水管真空度為：

式中，HS為靜力真空，與機(jī)組安裝高程、下游水位相關(guān)；αv2為動(dòng)力真空，與尾水管尺寸和機(jī)組引用流量相關(guān)；ΔHB為尾水管內(nèi)水壓力降低的絕對(duì)值.

2 實(shí)例分析

2.1 基本參數(shù)

某電站由2臺(tái)單機(jī)容量為300MW的機(jī)組組成.設(shè)計(jì)水頭H=430m.該機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率最大允許值為50%，蝸殼進(jìn)口最大水壓力為676mH2O，尾水管進(jìn)口最低水壓力為27.04mH2O.

本文采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為導(dǎo)葉－球閥聯(lián)動(dòng)的延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律，延遲時(shí)間T0=10s，直線關(guān)閉時(shí)間Ts=25s（簡(jiǎn)寫(xiě)為10-25）.球閥關(guān)閉規(guī)律為延遲時(shí)間Tv0=10s，直線關(guān)閉規(guī)律TVs=42s（簡(jiǎn)寫(xiě)為 10-42）.

該抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的機(jī)組上游共用一個(gè)有壓引水隧洞.尾水道排布方式目前常見(jiàn)的有兩種，一種是單洞單機(jī)的排布方式，即每一個(gè)機(jī)組有各自的尾水洞；另一種是幾個(gè)機(jī)組同時(shí)共用同一個(gè)尾水洞，該洞又稱尾水主洞.該抽水蓄能電站尾水道采用單洞單機(jī)的排布方式，排布方式如圖3.

圖1 導(dǎo)葉延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律

圖2 球閥延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律

圖3 尾水道單機(jī)單洞排布方式

2.2 結(jié)果分析

采用上述導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律在相隔時(shí)間0s到30s時(shí)間內(nèi)，對(duì)兩臺(tái)機(jī)組分別進(jìn)行同時(shí)甩負(fù)荷、1號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷和2號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 機(jī)組不同甩負(fù)荷方式下各參數(shù)值

由上表可以得出：

1.對(duì)于轉(zhuǎn)速上升，三種不同甩負(fù)荷方式轉(zhuǎn)速上升率均小于最大允許值50%，滿足調(diào)保計(jì)算要求；但兩機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)上升最??；1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)分別后甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升相近.

2.對(duì)于蝸殼進(jìn)口最大水壓力，三種不同甩負(fù)荷方式都小于最大允許值，滿足調(diào)保計(jì)算要求；但兩機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)最大水壓力最小，優(yōu)于其他兩種甩負(fù)荷方式；且1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)分別甩負(fù)荷時(shí)蝸殼進(jìn)口最大水壓力相近.

3.在本文設(shè)定的球閥-導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)延時(shí)關(guān)閉規(guī)律下，只有兩機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)的尾水管進(jìn)口最低水壓力能夠達(dá)到最低水壓力允許值27.04mH2O，滿足調(diào)保計(jì)算要求；其他兩種方式均無(wú)法達(dá)到最低允許值，不能滿足調(diào)保計(jì)算.

首先，對(duì)于多臺(tái)機(jī)組的抽水蓄能電站而言，多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷要優(yōu)于其他兩種相繼甩負(fù)荷方式.多臺(tái)機(jī)組相繼甩負(fù)荷等于變相延長(zhǎng)了導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，由式（1）可得，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率越高.其次，對(duì)于圖3的尾水道排布圖而言，在機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組的流量變化互相沒(méi)有干擾，因而對(duì)水錘壓力變化及尾水管進(jìn)口最低壓力影響較小，而當(dāng)機(jī)組相繼甩負(fù)荷時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組流量之間互有影響；當(dāng)2號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷時(shí)，因?yàn)?號(hào)機(jī)先甩負(fù)荷，該支管流量相對(duì)于兩機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，初始流量必然較大，由公式（3）得，其流量差變大，雖然導(dǎo)葉有效關(guān)閉時(shí)間變長(zhǎng)，但其影響度沒(méi)有流量差大，因而水錘壓力變大，即蝸殼進(jìn)口最大水壓力會(huì)增大，當(dāng)1號(hào)機(jī)后甩負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生相同效果.同樣，由公式（4）可知，當(dāng)機(jī)組相繼甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組流量變大，則動(dòng)力真空變大，導(dǎo)致其尾水管真空度變大，降低了尾水管進(jìn)口最小壓力.

3 結(jié)語(yǔ)

1.三種不同甩負(fù)荷方式轉(zhuǎn)速上升率都滿足調(diào)保計(jì)算要求，但是兩臺(tái)機(jī)組同步甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率最小、明顯優(yōu)于相繼甩負(fù)荷，單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升相近.

2.當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大水壓力最小，明顯低于其他兩種甩負(fù)荷方式，尾水管進(jìn)口水壓力要高于機(jī)組相繼甩負(fù)荷，滿足調(diào)保計(jì)算要求.

3.本文設(shè)定的球閥-導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)延時(shí)關(guān)閉規(guī)律，使尾水管進(jìn)口最小壓力嚴(yán)重降低，不能滿足調(diào)保參數(shù)限制值要求.應(yīng)改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，確保抽水蓄能電站正常運(yùn)行.

〔1〕Ghidaoui MS,Zhao M,Mcinnis DA,etal.Areview of water hammer the oryandpractice[J].Applied Mechanics Reviews,2005,58(1).

〔2〕Bergant A,Simpson A R,Tijsseling AS.Water hammer with column separation：A historical review[J].Journal of fluidsands tructures,2006,22(2)：135-171.

〔3〕劉立志,樊紅剛,陳乃祥.抽水蓄能電站導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,46(11)：25-39.

〔4〕王慧莉.導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律研究[J].甘肅水利水電技術(shù),1997(3)：37-39.

〔5〕張健,盧偉華,范波芹,等.輸水系統(tǒng)布置對(duì)抽水蓄能電站相繼甩負(fù)荷水力過(guò)渡過(guò)程影晌[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008(5)：158-162.

〔6〕朱冠宏.江蘇宜興抽水蓄能電站一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2014(10)：49-52.

〔7〕李建輝,朱海鋒.惠州抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷后的球閥與導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化[J].廣東電力,2012,25(3)：97-101.

〔8〕游光華,劉德有,王豐,等.天荒坪抽水蓄能電站甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程實(shí)測(cè)成果仿真分析[J].水電能源科學(xué),2005(1)：24-27.

〔9〕李婷婷,賴旭,等.引水道布置對(duì)抽水蓄能電站尾水管最小壓力的影響[J].水電能源科學(xué),2014(8).

〔10〕蔣瑋,張健.輸水洞徑對(duì)可逆式機(jī)組相繼甩負(fù)荷尾水進(jìn)口壓力影響[J].水電能源科學(xué),2013(10)：159-161.

〔11〕鄭源,張健.水力機(jī)組過(guò)渡過(guò)程[M].北京：北京大學(xué)出版社,2008.16-22.

TM612

A

1673-260X（2017）10-0021-02

2017-07-09

安徽省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（1608085ME119）；河海大學(xué)文天學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目（WT16003ZD）