蘆 月，屈 波，何中偉

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

抽水蓄能電站不同水頭下導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律研究

蘆 月1，屈 波1，何中偉2

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

針對可逆機(jī)組過渡過程過流特性，通過計(jì)算分析，優(yōu)選出以不同水頭為基準(zhǔn)下適合的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。通過比對水輪機(jī)工況甩負(fù)荷情況下過渡過程參數(shù)變化及合理程度，得出結(jié)論：對于400 m以上水頭的抽水蓄能電站宜采用一段直線關(guān)閉規(guī)律；300～400 m之間水頭的抽水蓄能電站宜采用直線關(guān)閉或延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律；在300 m以下水頭的抽水蓄能電站宜使用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律。

抽水蓄能；過渡過程；水頭；導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律；水泵水輪機(jī)；甩負(fù)荷

在抽水蓄能電站中，較小的轉(zhuǎn)速變化會導(dǎo)致較大的流量變化，從而在引水系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的水錘效應(yīng)[1]，影響機(jī)組安全。而合理選用導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律不僅可以降低水錘壓強(qiáng)、限制機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，而且不需要額外增加投資，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施[2]。某電站計(jì)算表明[3]，采用使水壓上升率最小的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律，僅減小蝸殼厚度一項(xiàng)即可節(jié)約上百噸優(yōu)質(zhì)鋼材。導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律主要分為直線關(guān)閉、延時(shí)關(guān)閉和折線關(guān)閉[4]。目前國內(nèi)研究主要有針對抽水蓄能電站引水系統(tǒng)[5]的過渡過程計(jì)算研究、導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律和尾水調(diào)壓室對尾水管真空度的影響[6]以及與初始開度對蝸殼動水壓力的影響[7]；樊紅剛等對多工況優(yōu)化時(shí)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律非線性評價(jià)函數(shù)做了相關(guān)改進(jìn)[8]；徐曉燕等通過對某電站導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律中第一段關(guān)閉時(shí)間、第二段關(guān)閉時(shí)間和拐點(diǎn)三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[9]；而馬躍先則通過引入微粒群算法優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律[10]；前人研究多為針對具體電站優(yōu)化不同的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律[11]，甚少有針對水頭研究過流特性，優(yōu)選導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。黃賢榮[12]、呂為亮[13]等人雖然針對水頭研究，但實(shí)例單薄，分析不具體。本文以高水頭、中水頭和低水頭抽水蓄能電站各兩個為例，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析過渡過程參數(shù)，優(yōu)選出合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，從而滿足機(jī)組調(diào)保計(jì)算，保障機(jī)組的運(yùn)行安全。所得結(jié)果對于不同電站優(yōu)選導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化

機(jī)組緊急甩負(fù)荷時(shí)，負(fù)載力矩突然降為0，因?yàn)槟芰坎黄胶鈱?dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速開始上升，轉(zhuǎn)速上升率公式[14]為

(1)

式中，N0為機(jī)組初始狀態(tài)所載負(fù)荷；TS1與導(dǎo)葉開度由全開至全關(guān)所需時(shí)間有關(guān)；f為修正系數(shù)；n0為機(jī)組初始轉(zhuǎn)速；GD2為機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量；G為機(jī)組轉(zhuǎn)子重量；D為轉(zhuǎn)輪慣性直徑。

表1 不同水頭電站參數(shù)對比

1.2 蝸殼進(jìn)口壓力變化

機(jī)組甩負(fù)荷開始，當(dāng)壓力水管末端流量發(fā)生變化時(shí)，水管內(nèi)部將出現(xiàn)非恒定流現(xiàn)象，流速變化同時(shí)伴隨著顯著的壓強(qiáng)變化。即會發(fā)生水錘現(xiàn)象。水錘分為直接水錘和間接水錘，直接水錘計(jì)算方法[15]為

(2)

式中，c為波速；V0為初始流速；V為終了流速。

而間接水錘計(jì)算相對比較復(fù)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[16]為

ξ=(1.2～1.4)(TW/TS)(q0-q1)

(3)

式中，TW為壓力管道水流慣性加速時(shí)間常數(shù)；TS為導(dǎo)葉有效的關(guān)閉時(shí)間；q0、q1分別為水輪機(jī)在初始和終了時(shí)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[17]為

HB=HS+αν2/(2g)+ΔHB

(4)

式中，HS為靜力真空，與機(jī)組安裝高程、下游水位相關(guān)；g為加速度常數(shù)；αν2/(2g)為動力真空，與尾水管尺寸和機(jī)組引用流量相關(guān)；ΔHB為尾水管內(nèi)水壓力降低的絕對值。

1.4 特征水錘判別公式

水錘常數(shù)[18]

ρ=cν0/2gH0

(5)

式中，c為水錘波速；ν0為管道流速；H0為水頭。

2 實(shí)例與分析

本章計(jì)算采用高A、高B、中A、中B、低A、低B6個不同水頭的抽水蓄能電站進(jìn)行計(jì)算分析，各電站基本參數(shù)見表1。

2.1 高水頭抽水蓄能電站

2.1.1 水輪機(jī)發(fā)電工況甩負(fù)荷

在高水頭水電站中，一般管道較長，閥門對水錘波的反射信號為正，由特征水錘判別公式ρτ0<1(τ0為起始開度)可知其特征水錘為第一相水錘[19]。此時(shí)若采用先快后慢的兩段折線關(guān)閉規(guī)律，會明顯增大水錘波的正向反射信號。因此對高水頭電站只考慮導(dǎo)葉直線關(guān)閉和先慢后快的兩段折線關(guān)閉規(guī)律。以高A和高B兩個電站為例，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 發(fā)電工況導(dǎo)葉關(guān)閉計(jì)算結(jié)果

由表2可見，對于高A和高B兩個高水頭抽水蓄能電站，只要選取適當(dāng)?shù)年P(guān)閉時(shí)間，無論是直線關(guān)閉還是分段關(guān)閉規(guī)律，均能夠滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，即最大轉(zhuǎn)速上升小于45%，蝸殼最大水壓力上升小于允許898.3 m及755.3 m，且尾水管進(jìn)口壓力值大于允許最小壓力值，未出現(xiàn)真空。

若采用分段折線關(guān)閉規(guī)律，雖然蝸殼壓力有所降低，但機(jī)組最大轉(zhuǎn)速值增大的幅度明顯大于蝸殼進(jìn)口最大水錘壓力值降低的幅度，此時(shí)轉(zhuǎn)速最高值與控制極限值很近，這是因?yàn)楦咚^水電站機(jī)組在棄負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速上升一般較快。由于在水電站調(diào)保計(jì)算中，需同時(shí)滿足機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率和蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力上升率的控制要求，且在關(guān)閉時(shí)間上：高A電站，分段關(guān)閉6-36-0.65的實(shí)際關(guān)閉時(shí)間 與選定的直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)間21 s相近；高B電站，分段關(guān)閉6-24-0.7的實(shí)際關(guān)閉時(shí)間 與選定的直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)間15 s相近。所以，對于高水頭水電站而言，其機(jī)組導(dǎo)葉采用先慢后快兩段折線關(guān)閉規(guī)律的意義不大。

圖1 導(dǎo)葉分段關(guān)閉過渡過程曲線

導(dǎo)葉關(guān)閉過程中機(jī)組的過渡過程曲線圖見圖1(其中曲線1、2、3 分別為機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼最大水壓力和尾水管最小水壓力在不同時(shí)刻的相對變化率)。對于高A與高B，當(dāng)采用導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，各參數(shù)峰值較導(dǎo)葉采用直線關(guān)閉規(guī)律多一個。因?yàn)楫?dāng)機(jī)組采用先慢后快兩段折線關(guān)閉規(guī)律控制導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，機(jī)組水錘會出現(xiàn)兩個峰值。第一個峰值由于導(dǎo)葉進(jìn)行慢關(guān)，使原先的第一相水錘極值略有降低；第二個峰值由于導(dǎo)葉在第二段進(jìn)行快關(guān)而產(chǎn)生。

2.1.2 水泵斷電工況甩負(fù)荷

從高A和高B兩個電站的有壓引水道的布置看，上彎段前節(jié)點(diǎn)最有可能產(chǎn)生負(fù)壓的節(jié)點(diǎn)，兩個節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的洞頂高程分別為2 645.4 m和1 746.1 m。因此要保證輸水系統(tǒng)中洞頂壓力不小于2 m，則節(jié)點(diǎn)測壓管水位分別不能低于2 647.4 m和1 748.1 m，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 抽水工況導(dǎo)葉關(guān)閉計(jì)算結(jié)果

由表3可見，采用直線關(guān)閉和分段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，在水泵斷電后過渡過程中，蝸殼最大動態(tài)水壓力、尾水管最小動態(tài)水壓力及最低動態(tài)測壓管水位均滿足調(diào)保計(jì)算的要求。

綜上所述可知，400 m以上水頭的水電站機(jī)組導(dǎo)葉采用“直線關(guān)閉規(guī)律”是最簡單、有效、合理的方案。

2.2 中水頭抽水蓄能電站

2.2.1 水輪機(jī)發(fā)電工況甩負(fù)荷

對于中水頭水電站，閥門對水錘波的反射信號為負(fù)，由特征水錘判別公式ρτ0>1可知其特征水錘為極限水錘[20]。則若采用先慢后快的關(guān)閉規(guī)律控制導(dǎo)葉，易使水錘壓力過大，因此不做考慮。所以考慮使用直線關(guān)閉、直線延時(shí)關(guān)閉及先快后慢的分段關(guān)閉和延時(shí)分段關(guān)閉規(guī)律控制導(dǎo)葉，圖2為兩個電站在各關(guān)閉規(guī)律下的計(jì)算結(jié)果對比。

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉計(jì)算結(jié)果對比

從圖2來看，對于中A電站：延時(shí)關(guān)閉規(guī)律的結(jié)果明顯要優(yōu)于無延時(shí)關(guān)閉規(guī)律，蝸殼進(jìn)口最大壓力相對較低，直線關(guān)閉時(shí)間在60s及0-9-54時(shí)，蝸殼最大水壓力仍超過30%，不能滿足調(diào)保計(jì)算的要求。調(diào)速器延時(shí)關(guān)閉時(shí)，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速略有升高，但是完全滿足調(diào)保要求的45%。這是因?yàn)闄C(jī)組甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉開度先在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，流量的減小只是由轉(zhuǎn)速上升引起，變化率很小，從而水擊升值也相對較小。導(dǎo)葉開始關(guān)閉后，流量減小，但是轉(zhuǎn)速開始下降，使得流量增加，在兩者的共同作用下，流量的變化率不會太大，所以水擊升值不會太大。故延時(shí)直線關(guān)閉或延時(shí)分段關(guān)閉這兩種關(guān)閉形式滿足要求。

對于中B電站：采用延時(shí)直線或分段延時(shí)關(guān)閉規(guī)律時(shí)。當(dāng)直線延時(shí)關(guān)閉及分段延時(shí)關(guān)閉規(guī)律時(shí)，蝸殼水壓力上升和尾水管水壓力降低，均滿足要求。從調(diào)速器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行角度來看，直線關(guān)閉規(guī)律較為簡單，故中B電站優(yōu)先選用導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律。圖3為中B電站各種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下過渡過程曲線。

圖3 中B電站各種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下過渡過程曲線

2.2.2 水泵抽水工況斷電

中A和中B兩個抽水蓄能電站都沒有設(shè)置引水調(diào)壓室，因此在水泵斷電后有壓引水道中是否會出現(xiàn)負(fù)壓是一個重要因素，從有壓引水道的布置看，上彎段前節(jié)點(diǎn)最有可能產(chǎn)生負(fù)壓，另外進(jìn)水段的末端閘門井也有可能產(chǎn)生負(fù)壓。導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律選用中B電站發(fā)電工況滿足調(diào)保計(jì)算的關(guān)閉規(guī)律來計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果見表4。

表4 中B電站發(fā)電工況導(dǎo)葉關(guān)閉計(jì)算結(jié)果 m

由表4可見，當(dāng)選用直線延時(shí)關(guān)閉或分段延時(shí)關(guān)閉規(guī)律時(shí)，蝸殼水壓力上升和尾水管水壓力降低，均滿足要求。從節(jié)點(diǎn)的測壓管水位變化來看，引水道上彎段前節(jié)點(diǎn)選用以上關(guān)閉規(guī)律，也均不會出現(xiàn)負(fù)壓。

綜上所述可知，水頭在300～400 m之間水頭的水電站機(jī)組導(dǎo)葉采用“延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律”是簡單、有效、合理的方案。

2.3 低水頭抽水蓄能電站

2.3.1 水輪機(jī)發(fā)電工況甩負(fù)荷

對于低水頭水電站，一般管道較短，閥門對水錘波的反射信號為負(fù)，由特征水錘判別公式ρτ0>1可知，其特征水錘為極限水錘[20]。則若采用先慢后快的關(guān)閉規(guī)律控制導(dǎo)葉，易使水錘壓力過大，因此不做考慮。以低A和低B兩個電站為計(jì)算實(shí)例，圖4、5為導(dǎo)葉分段關(guān)閉過渡過程曲線。

圖4 低A電站各種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下過渡過程曲線

圖5 低B電站各種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下過渡過程曲線

由圖7可知，當(dāng)采用先快后慢的兩段折線關(guān)閉規(guī)律控制導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，機(jī)組水錘會有兩個峰值存在。由于第二段導(dǎo)葉慢關(guān)導(dǎo)致極限水錘壓力有所下降，減小其第二段峰值。

對于低A和低B兩個抽水蓄能電站，無論是蝸殼末端最大水壓力還是機(jī)組轉(zhuǎn)速，直線關(guān)閉規(guī)律下都比分段關(guān)閉的偏大，且尾水管進(jìn)口壓力都偏小，顯而易見，發(fā)電工況下采用分段關(guān)閉規(guī)律的過渡過程計(jì)算結(jié)果要優(yōu)于直線關(guān)閉規(guī)律。

2.3.2 水泵抽水工況斷電

低A電站上游水庫死水位為311.5 m，而上游閘門井節(jié)點(diǎn)中心高程295.11 m，豎井前節(jié)點(diǎn)288.34 m，水位差較小，在過渡過程中，水泵斷電工況最容易出現(xiàn)負(fù)壓，必須要校核關(guān)閉規(guī)律，以保證在過渡過程中管道不出現(xiàn)負(fù)壓。從有壓引水道的布置看，上彎段前節(jié)點(diǎn)最有可能產(chǎn)生負(fù)壓的節(jié)點(diǎn)，另外進(jìn)水段的末端閘門井也有可能產(chǎn)生負(fù)壓，兩個節(jié)點(diǎn)的洞頂高程分別為299.11 m和292.34 m。低B電站上彎段前節(jié)點(diǎn)及下游尾水上彎末端最有可能產(chǎn)生負(fù)壓，相應(yīng)的洞頂高程分別為548.15 m和233.8 m。仿真計(jì)算中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的最低測壓管水位應(yīng)不低于相對應(yīng)的洞頂高程，才能保證管道中不出現(xiàn)負(fù)壓。

由于主要考慮有壓引水道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓的情況，因此采用最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程時(shí)所有機(jī)組同時(shí)水泵斷電的工況來校核關(guān)閉規(guī)律計(jì)算，結(jié)果見表5。

由表5可見，低A電站選用直線關(guān)閉規(guī)律14 s時(shí)，引水管道中壓力豎井前節(jié)點(diǎn)最低測壓管水位為292.30 m，小于洞頂高程292.34 m，不滿足要求。而采用8-24-0.6分段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，引水管道中壓力豎井前節(jié)點(diǎn)測壓管水位為293.91 m，高于該節(jié)點(diǎn)所在洞頂高程約1.6 m，滿足要求。低B電站選用直線關(guān)閉規(guī)律40 s時(shí)，進(jìn)水段末端閘門井節(jié)點(diǎn)最低測壓管水位為546.62 m，低于洞頂高程548.15 m，不滿足要求。而采用6-18-0.7分段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，進(jìn)水段末端閘門井節(jié)點(diǎn)最低測壓管水位為551.14 m，高于該節(jié)點(diǎn)所在洞頂高程約4.5 m，滿足要求。

表5 抽水工況導(dǎo)葉關(guān)閉計(jì)算結(jié)果 m

綜上所述可知，對于水頭在300 m以下水頭的抽水蓄能電站，機(jī)組導(dǎo)葉采用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律。

3 結(jié) 論

對于水頭在300 m以下的低水頭抽水蓄能電站，機(jī)組導(dǎo)葉采用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律，不僅在水輪機(jī)甩負(fù)荷工況可以同時(shí)有效地降低最大水錘壓力值和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率，而且在水泵斷電工況與直線關(guān)閉規(guī)律相比，更加能夠保證有壓引水道內(nèi)不出現(xiàn)負(fù)壓。由此可見，在以上四種關(guān)閉規(guī)律類型中，“先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律”是低水頭水電站機(jī)組導(dǎo)葉的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律類型。

由理論和數(shù)值計(jì)算分析可知：對于水頭在400 m以上水頭的抽水蓄能電站進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化選擇計(jì)算時(shí)，宜采用直線關(guān)閉規(guī)律；對于水頭在300～400 m之間的水頭的抽水蓄能電站進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化選擇計(jì)算時(shí)，宜采用直線關(guān)閉規(guī)律或延時(shí)直線關(guān)閉規(guī)律；在水頭在300 m以下水頭的抽水蓄能電站進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化選擇計(jì)算時(shí)，宜使用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research on Guide Vane Closing Law of Pumped-storage Power Station under Different Water Head

LU Yue1, QU Bo1, HE Zhongwei2

(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China;2. Water Conservancy and Hydropower College, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

In view of the flow characteristics of transition process of reversible pump-turbine, suitable guide vane closing laws of pump-turbine operating in different water head are selected based on calculation analysis. By comparing the parameter changes and rationality of transient process under turbine operation condition and load rejection, it is concluded that the linear closing law is suitable for pumped-storage power stations with water head more than 400 m, the linear closing law or delayed linear closing law is suitable for the stations with water head between 300 m to 400 m, and the two-segment closing law with first faster and then slower is suitable for the stations with water head under 300 m.

pumped-storage; transient process; water head; closing law of guide vane; pump turbine; load rejection

2016-05-21

蘆月(1992—),女,新疆昌吉人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械.

TV743

A

0559-9342(2016)12-0085-05