改善水力機組調(diào)保參數(shù)的措施

盛國林，黃 平，廖海春

（1.三峽電力職業(yè)學院，湖北 宜昌 443000；2.葛洲壩機電建設公司，四川 成都 610092）

改善水力機組調(diào)保參數(shù)的措施

盛國林1，黃 平2，廖海春2

（1.三峽電力職業(yè)學院，湖北 宜昌 443000；2.葛洲壩機電建設公司，四川 成都 610092）

簡要地論述了水力機組調(diào)保計算的任務和作用，論述了實際生產(chǎn)中改善調(diào)保參數(shù)的不同措施，分析了不同措施對改善調(diào)保參數(shù)的具體影響方式，提出了實際生產(chǎn)過程中不同類型水力機組選擇改善調(diào)保參數(shù)措施的總體原則。

調(diào)保參數(shù)；平衡；技術措施；運行條件；設計

1 水力機組調(diào)節(jié)保證計算的任務

水力機組穩(wěn)定運行時，機組的出力與負荷保持平衡的運行狀態(tài)，這時機組的轉(zhuǎn)速恒定不變，而且壓力水管中的水流處于恒定流狀態(tài)。但是機組所承擔的負荷是不斷變化的，而且機組常會碰到較大的負荷變動，尤其是當事故而甩全負荷時，會出現(xiàn)水輪機動力矩與發(fā)電機的負荷阻力矩極不平衡而使機組轉(zhuǎn)速急劇變化，這時調(diào)速器迅速調(diào)節(jié)進入水輪機的流量以使機組出力與變化后的負荷重新保持平衡，機組進入一個新的穩(wěn)定工況。在上述調(diào)節(jié)過程中，機組轉(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)生危及機組、水電站壓力引水系統(tǒng)及電網(wǎng)安全的嚴重事故。如較大的水擊壓強變化使壓力管道爆裂或壓扁以及水輪機遭到破壞；過高的轉(zhuǎn)速變化使機組強烈振動并損害機組的強度和壽命，甚至造成機組飛逸事故等。

在水電站壓力引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機組特性確定時，對水擊壓強變化和轉(zhuǎn)速上升大小起控制作用的是導葉調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律。因此，在水電站設計時要計算調(diào)節(jié)過程中的最大水擊壓強變化值和最大轉(zhuǎn)速上升值，并據(jù)此選擇合理的導葉調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，使水擊壓強變化和轉(zhuǎn)速上升都在允許范圍內(nèi)，這在工程上稱為調(diào)節(jié)保證計算，簡稱調(diào)保計算。

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

2 改善調(diào)保參數(shù)的措施

壓力管道較長的高、中水頭水電站，當水流的慣性時間常數(shù)較大時（Tw超過2～3.5s），調(diào)保計算的結(jié)果很難同時滿足壓力上升率和轉(zhuǎn)速上升率的要求。為了保證機組安全運行，應當采用一些技術措施來降低水擊壓力或限制轉(zhuǎn)速上升。壓力管道的長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，但會增加投資。通常采用技術措施有以下幾個方面。

2.1 改善導葉關閉規(guī)律

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

圖1 導葉關閉規(guī)律對水擊壓力上升的影響

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

圖2 兩段關閉規(guī)律時甩負荷示波圖

2.2 設置調(diào)壓室

從調(diào)節(jié)過程特性對調(diào)節(jié)過程的影響可知，要減少水擊壓力升高值，可采用縮短管道長度L或增大管徑的方法來減少Tw值。但是管道長度取決于地形地質(zhì)條件,而增大管道徑會造成投資的增加，因此采用縮短管道長度L或增大管徑的方法來減小Tw值并不是可取的方法。一般采用設置調(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）兩個部分，它能有效地減少壓力管道中的水擊壓力上升值。當甩負荷時，水擊壓力波由導葉處開始，沿壓力管道傳播至調(diào)壓室時，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，其動能被暫時以調(diào)壓室水位升高形成的位能儲存起來。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，水位形成波動，由于水流在流動中因摩擦產(chǎn)生能量損失，最后調(diào)壓室水位將穩(wěn)定在水位波動發(fā)生前的水位。在上述過程中，壓力管道中的水及壓力升高由兩個部分決定，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。而當調(diào)壓室斷面越大時，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)部水位波動圖

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

調(diào)壓室建造投資大、工期長，在實際工程中是否采用調(diào)壓室，應根據(jù)水電站在電網(wǎng)中的作用、機組運行條件、電站樞紐布置以及地形、地質(zhì)條件等進行綜合技術經(jīng)濟比較后確定。在初步分析時，設不設置調(diào)壓室可用整個引水管中的水流慣性時間T值進行判斷。對于孤立系統(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Tw超過上述范圍時應考慮設置調(diào)壓室。

2.3 裝設調(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。在甩負荷后導葉關閉的同時，調(diào)壓閥打開，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，在導葉關閉后，調(diào)壓閥能自動慢慢關閉。采用調(diào)壓裝置，即使導葉以比較快的速度關閉，由于壓力管道中總流量變化不大，故水擊壓力也增加不大。這既提高了導葉的關閉速度，也會相應減小機組的速率上升值。增負荷時，調(diào)壓閥無作用。

圖4 調(diào)壓閥裝置示意圖

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

2.4 增大機組G D2

從速率上升計算公式可以知，增加機組G D2值，可以降低上升值。

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

3 總結(jié)

實際生產(chǎn)過程中，不同電站的水力機組因運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，在水利機組的設計階段，我們應綜合分析，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)代水輪機調(diào)節(jié)技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

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

TK 730.7

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1672-5387（2013）02-0007-03

2012-10-20

盛國林（1968-），男，副教授，研究方向：水力機組自動控制技術。