張德選，范道芝，黃獻(xiàn)生

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214）

1 概述

龍開(kāi)口電站水輪機(jī)[1]額定水頭67.0 m，單機(jī)容量360 MW，型號(hào)為HL263-LJ-800，共布置5臺(tái)立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組。在水電站投產(chǎn)初期各機(jī)組均開(kāi)展了甩負(fù)荷試驗(yàn)等工作，對(duì)輸水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等水力過(guò)渡過(guò)程控制性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試參數(shù)與調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)計(jì)算值存在一定程度偏差，有必要根據(jù)試驗(yàn)情況復(fù)核調(diào)節(jié)保證[2]設(shè)計(jì)成果，采取優(yōu)化機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律等措施，對(duì)轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中滿足水力過(guò)渡過(guò)程相關(guān)限制性參數(shù)。

2 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算與實(shí)測(cè)值分析

（1）水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算仿真程序基本理論

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算仿真程序的編程計(jì)算[3]應(yīng)用的是特征線法，水輪機(jī)壓力管道中水流的瞬變流態(tài)可以應(yīng)用該程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算假設(shè)：水輪機(jī)壓力管道壁是具有彈性的；壓力管道中水體不可壓縮；水中含氣量變化對(duì)水錘波速的影響不予考慮；水力學(xué)相關(guān)參數(shù)在水輪機(jī)管道斷面內(nèi)的差異不予考慮，水輪機(jī)管道斷面的水力學(xué)特性采用此斷面參數(shù)平均值來(lái)表征；水的空化狀態(tài)不予考慮。按上述假設(shè)建立壓力波動(dòng)和流量變化間的基本方程，應(yīng)用于水輪機(jī)壓力鋼管的某斷面時(shí)，由x座標(biāo)軸進(jìn)行定位（由水流的反方向進(jìn)行測(cè)定）該斷面；當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，建立動(dòng)態(tài)方程和質(zhì)量守恒方程如下：

動(dòng)態(tài)方程：

質(zhì)量守恒方程：

由于座標(biāo)x和時(shí)間t的連續(xù)性，且假定管路內(nèi)流態(tài)為理想的一元流動(dòng)，可將上述兩式變?yōu)椴▌?dòng)方程：

因f1、f2是自變量“x-at”與“x+at”的任意函數(shù)，當(dāng)時(shí)刻t、位置為x時(shí)，可用上述兩式疊加求解沿水輪機(jī)管線座標(biāo)軸分布任意一點(diǎn)的流量Q和壓力H。

該計(jì)算仿真程序編制是采用逐步迭代的數(shù)值近似法求解上述兩個(gè)基本方程。水輪機(jī)壓力鋼管的分段按長(zhǎng)度Δx=aΔt為單位，節(jié)點(diǎn)為壓力鋼管中各段的兩端，各節(jié)點(diǎn)處的流量Q和壓力H應(yīng)用程序進(jìn)行求解。開(kāi)始計(jì)算時(shí)，t=0，H和Q是已知的，工況為穩(wěn)定工況，函數(shù)f1和f2可以確定。

經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間步長(zhǎng)后，此時(shí)各節(jié)點(diǎn)H和Q可按下式進(jìn)行求出。

應(yīng)用水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算仿真程序時(shí)需輸入機(jī)組甩負(fù)荷前穩(wěn)定運(yùn)行工況、水輪機(jī)蝸殼及尾水管流道、轉(zhuǎn)輪特性、引水管路系統(tǒng)等相關(guān)參數(shù)。此外需輸入導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及導(dǎo)葉接力器行程-開(kāi)度關(guān)系曲線；另外，可從模型綜合特性曲線中獲得力矩、流量及相應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度等轉(zhuǎn)輪特性參數(shù)。

（2）水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算

在龍開(kāi)口電站設(shè)計(jì)階段，根據(jù)水力試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用計(jì)算仿真程序軟件對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的各種不同甩負(fù)荷過(guò)渡工況進(jìn)行了計(jì)算，在設(shè)計(jì)規(guī)定的水頭和出力范圍內(nèi)進(jìn)行了不同工況的調(diào)節(jié)保證計(jì)算。龍開(kāi)口電站水輪機(jī)導(dǎo)葉均采用一段方式關(guān)閉，導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間為13.4 s（含調(diào)速器遲滯時(shí)間0.2 s），由于導(dǎo)葉開(kāi)口留有余量，接力器由最大行程100%至全關(guān)時(shí)間為16.2 s（含調(diào)速器遲滯時(shí)間0.2 s）；根據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)階段對(duì)真機(jī)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)測(cè)情況，由于水流旋轉(zhuǎn)使尾水管進(jìn)口的壓力分布極為不均，蝸殼進(jìn)口處在過(guò)渡過(guò)程中也存在高頻壓力脈動(dòng)，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的調(diào)節(jié)保證計(jì)算修正結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算值

（3）水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值分析

在龍開(kāi)口電站投產(chǎn)初期各機(jī)組均開(kāi)展了甩負(fù)荷試驗(yàn)等工作，對(duì)輸水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等水力過(guò)渡過(guò)程控制性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，以電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為例調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值，見(jiàn)表2。

表2 投產(chǎn)初期水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值

按GB/T 15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》相關(guān)條款[4]要求及龍開(kāi)口電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)定，蝸殼最大壓力不超過(guò)1.15 MPa、最高轉(zhuǎn)速上升率不大于50%額定轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口真空度不大于6.5 m，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等實(shí)測(cè)參數(shù)與調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)計(jì)算值存在一定程度偏差，且與設(shè)計(jì)要求有一定安全裕度，結(jié)合試驗(yàn)情況及現(xiàn)場(chǎng)需求可采取優(yōu)化機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律等措施，對(duì)轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整

（1）導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整必要性研究

通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算，可以確保水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中滿足水力過(guò)渡過(guò)程相關(guān)限制性參數(shù)，保障電站的運(yùn)行安全。但在水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可能需要對(duì)轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如某些電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或多次甩負(fù)荷后，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子變形或圓度超標(biāo)情況，進(jìn)而導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組擺度、振動(dòng)增加影響安全運(yùn)行[5]，通過(guò)降低水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率有利于減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形；另在某些電站水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升導(dǎo)致電氣過(guò)速、機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作停機(jī)情況，有必要采取降低水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率措施，或者調(diào)整電氣過(guò)速、機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值；另外，水輪發(fā)電機(jī)組在一些特殊情況下出現(xiàn)蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口壓力等限制性參數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，有必要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

龍開(kāi)口電站水輪發(fā)電機(jī)組和與其連接的輔機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)按能承受最大飛逸轉(zhuǎn)速運(yùn)行5 min不產(chǎn)生有害變形或損壞考慮，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛浮動(dòng)轉(zhuǎn)速為1.4倍的額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)保證計(jì)算及實(shí)測(cè)甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速均達(dá)145%以上。鑒于蝸殼進(jìn)口最大壓力等實(shí)測(cè)參數(shù)小于調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)計(jì)算值，且與設(shè)計(jì)要求有一定安全裕度，為降低水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率，減小甩負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形風(fēng)險(xiǎn)，可采取優(yōu)化機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律等措施，對(duì)轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證復(fù)核計(jì)算及實(shí)測(cè)保障電站的運(yùn)行安全。

（2）導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整

通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算，在蝸殼最大壓力許可的條件下，對(duì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后導(dǎo)葉仍采用一段關(guān)閉方式，導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間調(diào)整為11.24 s（含調(diào)速器遲滯時(shí)間0.2 s），接力器正常關(guān)閉行程由100%至8%，由8%至全關(guān)為接力器緩沖行程。即接力器行程由100%至全關(guān)的時(shí)間為12 s。優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，見(jiàn)圖1。

圖1 優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律圖

4 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算復(fù)核與分析

經(jīng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整，并通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足水力過(guò)渡過(guò)程相關(guān)限制性參數(shù)；并在導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整后對(duì)3號(hào)、4號(hào)機(jī)組開(kāi)展了甩負(fù)荷試驗(yàn)等工作，對(duì)輸水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等水力過(guò)渡過(guò)程控制性參數(shù)進(jìn)行了再次測(cè)試，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。

表3 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證實(shí)測(cè)值

結(jié)合上述水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整后甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，并使用計(jì)算軟件對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組各種不同甩負(fù)荷過(guò)渡工況進(jìn)行仿真分析計(jì)算復(fù)核。仿真計(jì)算時(shí)，未考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其作為轉(zhuǎn)速上升的裕度；若考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的最大轉(zhuǎn)速約下降1%，并對(duì)蝸殼最大壓力計(jì)算值按3%修正，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速和尾水管進(jìn)口最小壓力計(jì)算值不做修正基本符合電站實(shí)際情況，調(diào)節(jié)保證計(jì)算復(fù)核結(jié)果可以保證電站的運(yùn)行安全；復(fù)核結(jié)果滿足按GB/T15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》相關(guān)條款要求及龍開(kāi)口電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)定，計(jì)算的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速146.8%比導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化前的149.2%下降了2.4%。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的調(diào)節(jié)保證計(jì)算復(fù)核修正結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算復(fù)核值

5 結(jié)語(yǔ)

目前，龍開(kāi)口水電站5臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組均完成了導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整，并結(jié)合機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)再次實(shí)測(cè)了轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼進(jìn)口最大壓力等水力過(guò)渡過(guò)程控制性參數(shù)，水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行的水頭條件下甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速降至140%以下，且蝸殼進(jìn)口最大壓力等參數(shù)滿足要求并有一定裕度。通過(guò)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整改善了機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，降低了水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形或圓度超標(biāo)等風(fēng)險(xiǎn)，但導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化調(diào)整時(shí)不宜單純考慮降低甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率，應(yīng)綜合合理考慮蝸殼進(jìn)口最大壓力、轉(zhuǎn)輪出口壓力等參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整提升機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，保證機(jī)組運(yùn)行安全。希望上述水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證復(fù)核計(jì)算及關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化研究經(jīng)驗(yàn)?zāi)軐?duì)其他類(lèi)似機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行起到一定的借鑒作用。