張新春，蘇玉杰，呂俊武，李劍超

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3.浙江江能建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310020；4.紹興市柯橋區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 紹興 312030）

1 問(wèn)題的提出

《浙江省小水電清理整改工作實(shí)施方案》（浙水農(nóng)電〔2019〕1 號(hào)）要求2020 年底前全省小水電按照退出、整改或保留等3 類處置方案完成清理整改工作。根據(jù)文件精神，保留類小水電予以保留，退出類小水電科學(xué)清退，對(duì)于整改類小水電，除了采取完善審批手續(xù)、泄放生態(tài)流量、修復(fù)生態(tài)環(huán)境等重要措施外，需要對(duì)水電站存在安全隱患或效率低下的水工建筑物、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械電氣等設(shè)備進(jìn)行改造（報(bào)廢重建或增效擴(kuò)容）。

浙江省小水電起步較早，不少電站運(yùn)行至今面臨設(shè)備陳舊、技術(shù)落后等問(wèn)題。為改善生態(tài)環(huán)境、消除安全隱患、提升水能利用率，小水電往往需要采取新增設(shè)備、部分升級(jí)或整體重建等不同方式進(jìn)行改造。根據(jù)改造內(nèi)容的區(qū)分，大致歸納為以下5 類：①新增生態(tài)流量機(jī)組或加設(shè)生態(tài)流量閥門；②對(duì)擋水建筑物、廠房建筑物、金屬結(jié)構(gòu)及其機(jī)械電氣等設(shè)備進(jìn)行整體報(bào)廢重建；③優(yōu)化更新壓力管道及水輪發(fā)電機(jī)組等設(shè)備；④優(yōu)化升級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備；⑤僅對(duì)原有電氣自動(dòng)化設(shè)備升級(jí)改造。

2 小水電改造工程甩負(fù)荷試驗(yàn)的必要性

相關(guān)機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收規(guī)范[1-2]要求水輪機(jī)組及其輔助設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)。甩負(fù)荷試驗(yàn)作為機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，屬于破壞性試驗(yàn)，如果把水輪發(fā)電機(jī)組效率試驗(yàn)比作汽車油耗試驗(yàn)，甩負(fù)荷試驗(yàn)就類似于汽車的碰撞試驗(yàn)。甩負(fù)荷試驗(yàn)通過(guò)人為模擬機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)突然與電網(wǎng)解列事故，校驗(yàn)該過(guò)渡過(guò)程中機(jī)組調(diào)節(jié)保證參數(shù)（機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率及蝸殼末端最大水壓上升率等）是否滿足相關(guān)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，確保水輪機(jī)組本身及其流道系統(tǒng)能夠安全承受事故甩負(fù)荷緊急工況下的轉(zhuǎn)速與水壓快速上升現(xiàn)象。

甩負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)于考核小水電改造工程流道及機(jī)組安全穩(wěn)定性尤為重要。對(duì)于第1 類和第2 類新增生態(tài)流量機(jī)組或整體報(bào)廢重建的小水電站，甩負(fù)荷試驗(yàn)等同于對(duì)一座新建電站進(jìn)行考核，涉及新建或重建電站的各方面。由于機(jī)組轉(zhuǎn)輪特性和管道布置方式對(duì)電站甩負(fù)荷過(guò)程調(diào)節(jié)保證參數(shù)影響重大，因此對(duì)于第3 類和第4 類水輪發(fā)電機(jī)組升級(jí)或壓力管道更新的小水電，甩負(fù)荷試驗(yàn)需要考慮更新部件與原有部分的匹配效果；尤其是通過(guò)提高轉(zhuǎn)輪過(guò)流量增效擴(kuò)容，但僅對(duì)壓力鋼管做表面除銹、涂漆的小水電站，增強(qiáng)的水錘效應(yīng)對(duì)削薄的沿線管道構(gòu)成更嚴(yán)峻的威脅，需要引起足夠的重視。對(duì)于第5 類僅做自動(dòng)化升級(jí)以簡(jiǎn)化運(yùn)行管理程序的電站，甩負(fù)荷試驗(yàn)既是對(duì)電站運(yùn)行多年后安全狀況的考核，也是對(duì)各類電氣自動(dòng)化的保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行校驗(yàn)。

3 甩負(fù)荷試驗(yàn)的組織實(shí)施

3.1 人員組成及職能

小水電運(yùn)行管理單位作為業(yè)主方，聯(lián)合并主持各參建單位成立機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)工作小組，人員主要包括業(yè)主單位、試驗(yàn)單位、設(shè)計(jì)單位、運(yùn)行部門、安裝單位、主機(jī)廠家、調(diào)速器廠家、勵(lì)磁廠家及監(jiān)控廠家等。

業(yè)主單位派出試驗(yàn)總指揮，全面負(fù)責(zé)組織與協(xié)調(diào)試驗(yàn)進(jìn)程，匯總并判別試驗(yàn)過(guò)程中各單位提出的建議，下達(dá)試驗(yàn)繼續(xù)或停止指令。業(yè)主單位在試驗(yàn)前需要籌劃好人員撤退路線，謹(jǐn)防試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)爆管、抬機(jī)等意外事故。試驗(yàn)單位對(duì)試驗(yàn)負(fù)有技術(shù)責(zé)任，制定并實(shí)施試驗(yàn)方案，采集并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中暴露的問(wèn)題進(jìn)行分析并向試驗(yàn)總指揮匯報(bào)。設(shè)計(jì)單位及主機(jī)廠家應(yīng)根據(jù)初步設(shè)計(jì)和設(shè)備屬性對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析和指導(dǎo)。運(yùn)行部門、安裝單位及輔助設(shè)備廠家全過(guò)程配合機(jī)組調(diào)試并檢查設(shè)備情況，出現(xiàn)隱患及時(shí)上報(bào)處理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)。

3.2 甩負(fù)荷試驗(yàn)的應(yīng)對(duì)策略

當(dāng)甩負(fù)荷過(guò)程壓力和轉(zhuǎn)速升高保證值不能滿足設(shè)計(jì)或規(guī)范要求時(shí)，GB 50071 — 2014《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦以下5 種調(diào)整措施[3]：①改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律；②增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；③設(shè)置調(diào)壓閥；④設(shè)置調(diào)壓室；⑤改變輸水管道布置或尺寸。

設(shè)計(jì)單位可行性研究階段報(bào)告通常涉及輸水洞徑的敏感性分析、調(diào)壓室或調(diào)壓閥的設(shè)置論證、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的敏感性分析，以及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化等多個(gè)方面，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段從安全及經(jīng)濟(jì)層面選擇最合理的方案。當(dāng)電站建設(shè)完畢到驗(yàn)收階段，已經(jīng)不適合再采取諸如設(shè)置調(diào)壓室或改變輸水管道布置等措施，此時(shí)，優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律是解決電站調(diào)節(jié)保證問(wèn)題最主要的手段[4]。工程上往往根據(jù)轉(zhuǎn)輪型號(hào)及流道特性來(lái)調(diào)整導(dǎo)葉有效關(guān)閉時(shí)間、直線關(guān)閉規(guī)律、折線關(guān)閉規(guī)律等。對(duì)于通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律仍然無(wú)法滿足調(diào)節(jié)保證要求的，需要采取后續(xù)的工程改造措施或選擇限制機(jī)組出力運(yùn)行。

4 工程實(shí)例

4.1 電站改造情況介紹

文成縣某電站采用臥軸混流式機(jī)組，額定水頭320 m，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，在小水電中屬于高水頭高轉(zhuǎn)速機(jī)組。根據(jù)下游生態(tài)流量需求，在大壩處加設(shè)三通短管做泄放流量。根據(jù)大壩及電站運(yùn)行現(xiàn)狀，本次改造還涉及攔河壩、道路、廠房等水工建筑物，水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等機(jī)電設(shè)備，以及壓力鋼管明管段外壁防腐等。通過(guò)本次改造，機(jī)組電站裝機(jī)容量從2×5 000 kW 增加至2×6 000 kW，其中額定流量由原來(lái)的1.83 m3/s 增加至2.20 m3/s。

初設(shè)報(bào)告調(diào)節(jié)保證采用7.5 s 導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算，典型工況理論計(jì)算結(jié)果：機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值為 49.9%；蝸殼最大壓力上升率為23.2%，對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)壓力值為440.8 m。

4.2 甩負(fù)荷試驗(yàn)

參考初步設(shè)計(jì)報(bào)告調(diào)節(jié)保證理論計(jì)算采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，調(diào)整2 臺(tái)機(jī)組調(diào)速器油閥，調(diào)整后1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間實(shí)測(cè)值分別為7.5，7.0 s。試驗(yàn)水位下，2 臺(tái)機(jī)組單機(jī)甩25%，50%，75%，100%額定負(fù)荷，各工況蝸殼水壓及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升檢測(cè)值均小于理論計(jì)算結(jié)果；按試驗(yàn)計(jì)劃繼續(xù)執(zhí)行2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)，當(dāng)進(jìn)行到同時(shí)甩75%額定負(fù)荷時(shí)，2 臺(tái)機(jī)組蝸殼水壓絕對(duì)值分別為4 329 kPa（441.3 m），4 362 kPa（444.6 m），已超出理論計(jì)算結(jié)果，終止試驗(yàn)，檢查試驗(yàn)條件及試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)異樣。鑒于本次對(duì)沿線鋼管僅做除銹防腐改造，各方均認(rèn)為首要條件是阻止水壓上升，確保管道安全。決定再次調(diào)整機(jī)組導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間至9.0 s，調(diào)整后1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間實(shí)測(cè)值分別為8.7，9.3 s，試驗(yàn)過(guò)程順利，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果符合初步設(shè)計(jì)計(jì)算要求。調(diào)整前后2次試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電站甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表

為便于分析比較，將各甩負(fù)荷工況產(chǎn)生的最大蝸殼壓力值繪成圖1，并將2 機(jī)聯(lián)甩75%額定負(fù)荷工況蝸殼水壓時(shí)域變化繪成圖2。

圖1 各甩負(fù)荷工況最大蝸殼水壓值對(duì)比圖

圖2 2 機(jī)聯(lián)甩75%額定負(fù)荷工況蝸殼水壓時(shí)域圖

由表1 可知，同一機(jī)組的導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，機(jī)組最高轉(zhuǎn)速越大，蝸殼最大水壓越小，符合已有的認(rèn)知規(guī)律。在單獨(dú)比較導(dǎo)葉調(diào)整后的1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)水壓數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2 號(hào)機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)，水壓反而略高，主要是由于電站2 號(hào)機(jī)支管由主管直線引出， 1 號(hào)機(jī)支管通過(guò)月牙形彎管引出造成更大的水頭損失產(chǎn)生的。以2 機(jī)聯(lián)甩75%工況為例，2號(hào)機(jī)甩前蝸殼靜水壓高于1 號(hào)機(jī)約2 m（見(jiàn)圖2）。

水錘的形成機(jī)理顯示機(jī)組流量衰減變化率決定其基本變化趨勢(shì)，水流加速時(shí)間常數(shù)對(duì)其強(qiáng)化或弱化[5]。因此，聯(lián)甩工況蝸殼水壓顯著大于單機(jī)甩工況；同樣，調(diào)整前后聯(lián)甩工況蝸殼水壓的改善也顯著大于單機(jī)甩工況（見(jiàn)圖1）。該現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)過(guò)程具有指導(dǎo)意義，電站甩負(fù)荷試驗(yàn)遵從由單機(jī)甩至聯(lián)甩循序漸進(jìn)的過(guò)程，在聯(lián)甩工況中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)保證參數(shù)超出理論計(jì)算要求，通過(guò)再次調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律后從單機(jī)甩試驗(yàn)開(kāi)始按序進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的調(diào)整既要考慮水壓?jiǎn)栴}，又要兼顧轉(zhuǎn)速問(wèn)題，調(diào)整的過(guò)程本身也是“試”的過(guò)程，用調(diào)整前后單機(jī)甩工況水壓的改善大致測(cè)算聯(lián)甩情況，起到事半功倍的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

甩負(fù)荷試驗(yàn)作為機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)水電站流道及機(jī)組安全穩(wěn)定性的考核具有重要意義。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)保證參數(shù)超標(biāo)的問(wèn)題，可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采取快關(guān)、慢關(guān)、折線關(guān)等方式優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的方法加以解決。試驗(yàn)過(guò)程中充分考慮單機(jī)甩和聯(lián)甩工況的差異，簡(jiǎn)化調(diào)整優(yōu)化的過(guò)程。