抽蓄電站機組不同甩負荷方式對過渡過程的影響

梁曉玲，徐 靖，田瑞嬌，姜 萍

（河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031）

抽蓄電站機組不同甩負荷方式對過渡過程的影響

梁曉玲，徐 靖，田瑞嬌，姜 萍

（河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031）

本文以某電站1號機和2號機組為例，針對抽水蓄能電站機組的過渡過程特性，在球閥-導葉聯動延時關閉規律下，通過Suter特征線的方法對比分析兩機組同時甩負荷、1號機后甩負荷和2號機后甩負荷三種甩負荷方式下的性能參數.并通過工程實例驗證：兩機組同時甩負荷時機組轉速上升率較相繼甩負荷平均降低3%，蝸殼進口最大水壓力最少降低17mH2O，尾水管進口最低水壓力升高20mH2O.相繼甩負荷使尾水管進口最小壓力嚴重降低，不能滿足調保參數限制值要求.

抽水蓄能電站；甩負荷；過渡過程；可逆機組

在抽水蓄能電站機組事故甩負荷時，機組突然甩去負荷必然會導致轉速和流量相繼發生變化，繼而在水道系統內部引發劇烈的水錘效應[1]，進而改變蝸殼和尾水管進口水壓力[2]，最終影響機組使用壽命，威脅電站的運行安全.相對于其他改善措施，目前抽水蓄能電站中多關注選擇合適的導葉關閉規律來降低水錘效應并限制機組轉速的升高[3]，該方法實行較為簡單且投資小[4]，但對機組甩負荷時是否同時甩負荷或相繼甩負荷對過渡過程的影響大小報道甚少，且相關論文多在解釋輸水系統布置方式對相繼甩負荷過渡過程特性的影響[5].朱冠宏對宜興抽水蓄能電站進行了一管雙機甩負荷試驗，并與調保計算結果進行了分析比較[6].李建輝等人對機組甩負荷后球閥與導葉聯動關閉規律進行了優化分析[7].游光華對抽水蓄能電站一管一機和一管雙機現場甩負荷試驗結果進行了對比，并進行了仿真分析[8].近年對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機組相繼甩負荷尾水進口壓力的影響[10].但是很少進行定量的分析，鑒于此，本文對設計水頭為430m某抽水蓄能電站同一單元的1號機和2號機施行同時甩負荷和相繼甩負荷，并從原理上分析過渡過程中各性能參數變化的原因，再通過Suter特征線法[11]計算各參數理論值，并與工程實例結果相比較，為抽水蓄能電站機組安全運行提供依據.

1 過渡過程數學模型

1.1 機組轉速變化

機組緊急甩負荷時，負載力矩突然降為0，因為能量不平衡導致機組轉速開始上升，轉速上升率公式為：

式中,N0為機組初始狀態所載負荷；TS1與導葉開度由全開至全關所需時間有關；f為修正系數；n0為機組初始轉速；GD2為機組轉動慣量；G為機組轉子重量；D為轉輪慣性直徑.

1.2 蝸殼進水壓力變化

機組甩負荷開始，當壓力水管末端流量發生變化時，水管內部將出現非恒定流現象，流速變化同時伴隨著顯著的壓強變化.即會發生水錘現象.水錘分為直接水錘和間接水錘，直接水錘計算方法為：

式中，c為波速；V0為初始流速；V為終了流速.

而間接水錘計算相對比較復雜，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常數；TS為導葉有效的關閉時間；q0、q1分別為水輪機在初始和終了時的相對流量值.

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，與機組安裝高程、下游水位相關；αv2為動力真空，與尾水管尺寸和機組引用流量相關；ΔHB為尾水管內水壓力降低的絕對值.

2 實例分析

2.1 基本參數

某電站由2臺單機容量為300MW的機組組成.設計水頭H=430m.該機組轉速上升率最大允許值為50%，蝸殼進口最大水壓力為676mH2O，尾水管進口最低水壓力為27.04mH2O.

本文采用的導葉關閉規律為導葉－球閥聯動的延時直線關閉規律，延遲時間T0=10s，直線關閉時間Ts=25s（簡寫為10-25）.球閥關閉規律為延遲時間Tv0=10s，直線關閉規律TVs=42s（簡寫為 10-42）.

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

圖1 導葉延時直線關閉規律

圖2 球閥延時直線關閉規律

圖3 尾水道單機單洞排布方式

2.2 結果分析

采用上述導葉關閉規律在相隔時間0s到30s時間內，對兩臺機組分別進行同時甩負荷、1號機后甩負荷和2號機后甩負荷過渡過程計算，計算結果如表1所示.

表1 機組不同甩負荷方式下各參數值

由上表可以得出：

1.對于轉速上升，三種不同甩負荷方式轉速上升率均小于最大允許值50%，滿足調保計算要求；但兩機同時甩負荷時上升最小；1號機、2號機分別后甩負荷時轉速上升相近.

2.對于蝸殼進口最大水壓力，三種不同甩負荷方式都小于最大允許值，滿足調保計算要求；但兩機同時甩負荷時最大水壓力最小，優于其他兩種甩負荷方式；且1號機、2號機分別甩負荷時蝸殼進口最大水壓力相近.

3.在本文設定的球閥-導葉聯動延時關閉規律下，只有兩機同時甩負荷時的尾水管進口最低水壓力能夠達到最低水壓力允許值27.04mH2O，滿足調保計算要求；其他兩種方式均無法達到最低允許值，不能滿足調保計算.

首先，對于多臺機組的抽水蓄能電站而言，多臺機組同時甩負荷要優于其他兩種相繼甩負荷方式.多臺機組相繼甩負荷等于變相延長了導葉關閉時間，由式（1）可得，導葉關閉時間越長，機組轉速上升率越高.其次，對于圖3的尾水道排布圖而言，在機組同時甩負荷時，兩臺機組的流量變化互相沒有干擾，因而對水錘壓力變化及尾水管進口最低壓力影響較小，而當機組相繼甩負荷時，兩臺機組流量之間互有影響；當2號機后甩負荷時，因為1號機先甩負荷，該支管流量相對于兩機組同時甩負荷時，初始流量必然較大，由公式（3）得，其流量差變大，雖然導葉有效關閉時間變長，但其影響度沒有流量差大，因而水錘壓力變大，即蝸殼進口最大水壓力會增大，當1號機后甩負荷時會產生相同效果.同樣，由公式（4）可知，當機組相繼甩負荷時，機組流量變大，則動力真空變大，導致其尾水管真空度變大，降低了尾水管進口最小壓力.

3 結語

1.三種不同甩負荷方式轉速上升率都滿足調保計算要求，但是兩臺機組同步甩負荷時，機組轉速上升率最小、明顯優于相繼甩負荷，單臺機組甩負荷轉速上升相近.

2.當兩臺機組同時甩負荷時，蝸殼進口最大水壓力最小，明顯低于其他兩種甩負荷方式，尾水管進口水壓力要高于機組相繼甩負荷，滿足調保計算要求.

3.本文設定的球閥-導葉聯動延時關閉規律，使尾水管進口最小壓力嚴重降低，不能滿足調保參數限制值要求.應改變導葉關閉規律，確保抽水蓄能電站正常運行.

〔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.抽水蓄能電站導葉關閉規律的優化[J].清華大學學報(自然科學版),2006,46(11)：25-39.

〔4〕王慧莉.導葉兩段關閉規律研究[J].甘肅水利水電技術,1997(3)：37-39.

〔5〕張健,盧偉華,范波芹,等.輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發電學報,2008(5)：158-162.

〔6〕朱冠宏.江蘇宜興抽水蓄能電站一管雙機甩負荷試驗[J].水利規劃與設計,2014(10)：49-52.

〔7〕李建輝,朱海鋒.惠州抽水蓄能機組甩負荷后的球閥與導葉聯動關閉規律優化[J].廣東電力,2012,25(3)：97-101.

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

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〔11〕鄭源,張健.水力機組過渡過程[M].北京：北京大學出版社,2008.16-22.

TM612

A

1673-260X（2017）10-0021-02

2017-07-09

安徽省自然科學基金面上項目（1608085ME119）；河海大學文天學院校級重點科研項目（WT16003ZD）