抽水蓄能電站過渡工況中影響水力參數的原因分析

沈龍 哈爾濱電機廠有限責任公司

一、前言

隨著中國經濟的發展，電力需求越來越大，也帶動了水力水電技術的發展，單機容量和水頭越來越高，目前中國在建的敦化抽水蓄能電站其容量達到375MW。機組容量增大的方式一是增加水頭高度，二是增加過流面積，提高流量。高水頭機組在過渡工況運行時，水力工況復雜，負載突變，工況轉換，導葉響應速度都會影響水力參數，對導水部件及轉動部件的安裝要求也較高，對水力技術的研究也日新月異。本文將主要分析上述三種因素與過渡工況中水力參數的因果關系。以期在后續試驗及數據分析中能夠提供幫助，可作為機組在調試階段各工況的水力參數的實測數據進行參考，評估各種試驗的風險，靈活指導下一步的調試工作，為設計人員對機組和輔助設備的設計進行優化提供依據，而機組性能試驗的運行參數，可指導進一步研究，推動設計水平的提高。

二、過渡工況時水錘現象產生的原因及分析

引水系統是水電站大系統中的子系統，水錘是發生在引水系統中的非恒定流現象。正常運行的水輪發電機機組，在諸如負荷突變，正常及非正常開停機時，閥門或者調速器動作，流水的流量和流速改變，因為壓力管道作為容器的形變和水體的彈性，引水系統的壓力管道的水流會產生非恒定流現象，即為水錘。這一轉換過程不是瞬間完成的，而是以波的形式在水管中來回傳播。以下以動水關球閥實際工況過程做分析，流道管徑、材質及結構相同，球閥開關動作瞬間完成，沒有延時。假設球閥處壓力為H，水體流速為V，壓力管道路徑長度為L 不變，球閥管壁前狀態如下：

t0：H=H0，V=V0，L；

當閥門突然關閉時，首先在閥門附近長度為L1的管段發生水錘現象水體被擠壓δL1，水壓力上升為段水體流速變為V=0 后，這時管中水體的動能轉變為壓能。由于管壁膨脹，水體被壓縮，在管段L1中會產生剩余空間δL1，待后面的水體填滿剩余空間δL1后，鄰近管段L2水體又會發生水體擠壓，引起水壓力上升H=H0+δH1+δH2，L2段水體流速變為0，也產生剩余空間δL2。以此類推，從閥門開始逐段產生水錘現象，水錘波以一定的速度α從閥門傳向上庫取水口。當水錘到達引水管進口時，此時：

因為δH的作用，水體流向上水庫，壓力鋼管中的水體壓能轉變為動能，壓力從H=H0+δH降為H=H0，流速變為V=-V0，這相當于產生一個反射波，反射波以α的速度從水管進口向閥門處傳播。此時：

當反射波到達閥門處時，水流離開閥門，在閥門處造成真空，產生負壓，使水體壓力從H=H0變為 H=H0-δH，流速從V=-V0變為0，水管中水體的動能轉變為壓能，即在閥門處產生負壓波，負壓波以α的速度從閥門傳向上庫取水口，此時：

在-δH的作用下，水體流向水管，使水管的壓力從 H=H0-δH升為H=H0，流速變為V=V0，水體壓能轉變為動能，又產生反射波，反射波以α的速度從取水口向閥門處傳播。當反射波到達閥門處時，水流恢復到初始狀態，即水管的H=H0，V=V0。由于球閥仍然關閉，在球閥處又產生水錘波，水錘波將重復以上的傳播過程。

t4：H=H0，V=V0（回復到t0時刻狀態）；

水錘波在壓力鋼管中的傳播經歷了四個時間段完成一個周期T：

t0-t1；動能→彈性勢能；

t1-t2；彈性勢能→動能；

t2-t3；動能→重力勢能；

t3-t4；重力勢能→動能；

α值是調節保護計算中的一個重要參數，它與壓力鋼管管的材質、壁厚、半徑，水體彈性和水體容重有關。具體計算可參照相關標準和著作，本文不做累述，α值的確定取決于上述的不變量，后續將根據現場實測α值進行直觀分析說明。

三、過渡工況中轉動部件的影響

機組在穩定的工作狀態下，即機組以恒定功率和功率因數勻速運行，水的勢能-旋轉機械能-電能之間能量轉換平衡。當機組負荷變化時（包括抽水和發電工況），能量轉換出現不平衡狀態，導致機組轉速的變化。在穩定狀態時，存在因機組運行導致凈水頭的減小的現象，此時通過調速器跟隨調節滿足達到能量轉換平衡。但在機組正常及非正常開/停機，負荷調整，等工況轉換時，球閥及調速器此時為了滿足負荷調整而快速動作，產生水錘現象，短時間內出現轉速變化，造成流道壓力脈動增大，供電質量下降。特別是在機組100%甩負荷時，機組轉速升值最大，在此過渡過程中，機組的轉動慣量與機組升速有一定的關系，GD2越大，機組轉速上升率β越小，在過渡工況中振擺數值也越小，提高機組穩定性，同時機組響應速度也會降低。但根據參考文獻可以得知，GD2取值存在最大臨界點和最小臨界點，在臨界范圍外取值，GD2過大機組經濟性差，且β改善不大；GD2過小機組響應速度提升有限，且機組穩定性能差。在臨界范圍內，增大GD2可以一定程度降低調保參數和縮短調節時間。

四、大波動導葉開啟關閉時間對機組過渡過程的影響

根據前述水錘形成的原理，水輪機工況，同期并網后增加負荷，機組轉速不變，不難得出以下結論：在機組增負荷過程中，導葉開啟越快，引起的負水錘越大，蝸殼末端的最小動水壓力將越小，尾水管進口的最大動水壓力也將越來越大；在機組減負荷時，導葉關閉越快，引起的水錘越大，蝸殼末端的最大動水壓力將越大，尾水管進口的最小動水壓力也將越來越小；電氣事故停機時，導葉關閉最快，此時壓力也達到極值。在水泵工況時，為了提高經濟型，一般導葉在全開狀態工作，產生大波動過渡過程為水泵斷電，調速器動作，快速關閉導葉，此時也會在蝸殼末端形成負水錘。以上分析結果表明，導葉的開啟和關閉時間規律在過渡工況必須要滿足調保計算參數要求。

五、結論

本文簡述了水錘，導葉開啟關閉規律及機組轉動慣量在機組過渡過程中的影響。水錘效應在過渡過程中，隨著周期運動能量遞減，數個周期后消失，針對水錘效應，相應的減小措施可以采用調壓井，增加導葉動作時間；轉動慣量對機組在過渡過程中作為一個慣性環節，轉動慣量越大，抑制水錘效應效果越明顯，帶來的功率波動越小，反之亦反，但參考相應文件，轉動慣量的過大失去經濟性，過小又會增加機組不穩定性；導葉動作速度影響在機組設計安裝完成后，多水錘效應起到調節作用，在調節保證范圍內，可以根據機組實際運行請款，可以適量提高動作速度，也可以在調保計算比較苛刻的情況下，減緩動作速度，較少機組壓力脈動。