摘要：分析了水錘現(xiàn)象、機組轉(zhuǎn)動慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時間對某抽水蓄能電站機組過渡工況的影響，選取機組100%甩負荷電氣事故停機試驗、水泵工況下電氣事故停機試驗的過渡工況進行了數(shù)據(jù)分析，為機組運行提供數(shù)據(jù)參考，為設(shè)計人員對機組或輔助設(shè)備進行設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水力參數(shù);過渡工況;現(xiàn)場試驗;水錘;轉(zhuǎn)動慣量

0 引言

國內(nèi)某抽水蓄能電站的單機容量為250 MW，總裝機容量為6×250 MW，為全國產(chǎn)化機組。在機組進行無水調(diào)試、有水調(diào)試和整組啟動試運行調(diào)試過程中，通過采集水力數(shù)據(jù)可實時對機組在調(diào)試階段各工況的水力狀態(tài)進行監(jiān)測，根據(jù)實時數(shù)據(jù)可評估各種試驗風(fēng)險，靈活指導(dǎo)下一步調(diào)試工作，并為今后機組運行提供數(shù)據(jù)參考，為設(shè)計人員對機組或輔助設(shè)備進行設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。本文將對該抽水蓄能電站在調(diào)試期間的特殊工況現(xiàn)場采集的水力數(shù)據(jù)進行分析，探討影響過渡工況的因素，并據(jù)此提出一些建議。

1 影響過渡工況的因素

正常并網(wǎng)運行的水輪發(fā)電機機組頻率不變，功率不變，假設(shè)凈水頭不變，機組是在滿足設(shè)計要求情況下的某一穩(wěn)定工況下運行，此時輸入功率與輸出功率平衡，當(dāng)輸入功率或輸出功率有變化時，就會出現(xiàn)過渡工況。機組從一個穩(wěn)定工況到另一個穩(wěn)定工況的中間過程即為過渡工況。

1.1? ? 水錘現(xiàn)象對過渡工況的影響

水錘是發(fā)生在水電站引水系統(tǒng)中的非恒定流現(xiàn)象，當(dāng)水輪發(fā)電機的輸入功率與輸出功率不平衡時就會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。水錘現(xiàn)象會造成水力參數(shù)的激烈變化，受影響最明顯的位置為導(dǎo)葉前后、轉(zhuǎn)輪進水側(cè)和出水側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪進水側(cè)和出水側(cè)壓力脈動聚變時，會引起頂蓋劇烈振動，嚴重時可影響到機組的安全運行。

1.2? ? 轉(zhuǎn)動慣量對過渡工況的影響

并網(wǎng)機組在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，即機組以恒定的功率和功率因數(shù)勻速運行，水的勢能-旋轉(zhuǎn)機械能-電能之間能量轉(zhuǎn)換平衡。當(dāng)機組輸入功率發(fā)生變化時（包括抽水和發(fā)電工況），能量轉(zhuǎn)換出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致機組輸出功率變化。在機組正常及非正常開/停機、負荷調(diào)整等工況轉(zhuǎn)換時，球閥及調(diào)速器此時為了滿足負荷調(diào)整需求而快速動作，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，造成流道壓力脈動增大，供電質(zhì)量下降。特別是在機組100%甩負荷時，機組轉(zhuǎn)速上升值最大，在此過渡過程中，機組的轉(zhuǎn)動慣量GD2與機組升速有一定的關(guān)系，GD2越大，機組轉(zhuǎn)速上升率越小，在過渡工況中振擺數(shù)值也越小，提高了機組穩(wěn)定性，同時機組響應(yīng)速度也會降低。但根據(jù)相關(guān)參考文獻可知，GD2取值存在最大臨界點和最小臨界點，在臨界范圍外取值，若GD2過大，則機組經(jīng)濟性差，且機組轉(zhuǎn)速上升率改善不明顯;GD2過小，則機組響應(yīng)速度提升有限，且機組穩(wěn)定性能差。在臨界范圍內(nèi)增大GD2可以在一定程度上降低調(diào)保參數(shù)，縮短調(diào)節(jié)時間。

1.3? ? 導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間對過渡工況的影響

根據(jù)上述水錘形成的原理，水輪機組同期并網(wǎng)后增加負荷，機組轉(zhuǎn)速不變，不難得出以下結(jié)論：在機組增負荷過程中，導(dǎo)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(dǎo)葉關(guān)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;當(dāng)機組因電氣事故停機時，導(dǎo)葉關(guān)閉最快，此時壓力也達到極限值。在水泵工況時，為了提高經(jīng)濟性，一般導(dǎo)葉在全開狀態(tài)下工作，產(chǎn)生的大波動過渡過程為水泵斷電，調(diào)速器動作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，此時也會在蝸殼末端形成負水錘。

以上分析結(jié)果表明，導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉時間在過渡工況下必須滿足調(diào)保計算參數(shù)要求。根據(jù)相關(guān)參考文獻可知，在一個電站有多臺機組情況下，單臺機在滿負荷運行時，導(dǎo)葉開度應(yīng)小于88%，當(dāng)單臺機在滿負荷運行導(dǎo)葉開度超過88%時，一旦出現(xiàn)水錘效應(yīng)，可能會出現(xiàn)調(diào)節(jié)失效的后果。

2 現(xiàn)場試驗的水力參數(shù)分析

電站現(xiàn)場試驗水力參數(shù)采集的數(shù)據(jù)種類較多，很多數(shù)據(jù)如尾水進口壓力和尾水出口壓力波形變化趨勢一致，實時差值可忽略不計。由于本文主要圍繞過渡工況，討論其與水錘現(xiàn)象、機組轉(zhuǎn)動慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時間之間的關(guān)系，所以選取了導(dǎo)葉開度、機組轉(zhuǎn)速、機組有功功率、蝸殼末端壓力、尾水出口壓力等5個典型數(shù)據(jù)進行討論，選取機組100%甩負荷電氣事故停機試驗、水泵工況下電氣事故停機試驗的過渡工況進行數(shù)據(jù)分析。

2.1? ? 機組100%甩負荷電氣事故停機試驗

機組100%甩負荷電氣事故停機試驗的甩負荷過渡工況錄波如圖1所示，導(dǎo)葉開度與蝸殼末端壓力關(guān)系如圖2所示。

從圖1、圖2可知：導(dǎo)葉在GCB斷開0.3 s后動作，分兩段關(guān)閉，第一段關(guān)閉時間為11 s，第二段關(guān)閉時間為10 s，導(dǎo)葉在15.2 s后開度降至20%（轉(zhuǎn)速為305 r/min），總關(guān)閉時間為21 s;轉(zhuǎn)速在5.7 s后升至最高速度399.6 r/min，18.7 s后，轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速300 r/min，導(dǎo)葉開度為8.4%。蝸殼末端壓力最大為4.026 MPa，波動區(qū)間為0.7 MPa，尾水進口壓力最小為0.373 MPa，波動為區(qū)間0.54 MPa。從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)分析可知，導(dǎo)葉關(guān)閉及時，在15.2 s時導(dǎo)葉關(guān)閉至開度為20%（機組空載開度）時，機組轉(zhuǎn)速因?qū)~開度無法維持轉(zhuǎn)速上升，這時即使保持原開度，轉(zhuǎn)速也會低于額定轉(zhuǎn)速。水錘效應(yīng)在一個周期后基本消失，但在此過程，蝸殼末端壓力在導(dǎo)葉開度為35%時波動很大，同時在變負荷試驗過程中，25%負荷（導(dǎo)葉開度約為35%）時有功輸出波動也較大，由此可以推測，35%導(dǎo)葉開度是機組導(dǎo)水機構(gòu)不穩(wěn)定區(qū)域，在開機或關(guān)機時應(yīng)盡量縮短此區(qū)域時間。

2.2? ? 水泵工況下電氣事故停機試驗

球閥和導(dǎo)葉在斷電后同時關(guān)閉，球閥關(guān)閉時間為53.5 s，導(dǎo)葉關(guān)閉時間為14 s，蝸殼末端最大壓力為3.82 MPa、最小壓力為2.96 MPa，尾水進口壓力最大為1.31 MPa、最小為0.47 MPa。在蝸殼末端形成負水錘，尾水進水口形成水錘，一個周期后水錘效應(yīng)消失。

3 結(jié)語

本文闡述了水錘現(xiàn)象、機組轉(zhuǎn)動慣量及導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉時間對機組過渡工況的影響。根據(jù)現(xiàn)場試驗采集的數(shù)據(jù)分析可知：水錘現(xiàn)象在過渡工況中出現(xiàn)一個周期后基本消失;轉(zhuǎn)動慣量可以抑制導(dǎo)葉動作時帶來的功率波動，但效果有限;導(dǎo)葉的開啟/關(guān)閉時間影響流道的水錘效應(yīng)大小;但機組在壓力脈動變化劇烈區(qū)域，上述3個因素對機組過渡工況的影響較小，取決于機組本身的導(dǎo)水機構(gòu)的設(shè)計。為避免壓力脈動劇烈變化對機組穩(wěn)定運行造成安全隱患，在機組調(diào)試期間，應(yīng)確定機組的穩(wěn)定運行區(qū)域，同時在后續(xù)的機組調(diào)試過程中，增加采集調(diào)壓井的液位數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，完善對機組過渡工況的水力數(shù)據(jù)采集工作。

[參考文獻]

[1] 楊建東，高志芹.機組轉(zhuǎn)動慣量GD2的取值對水電站過渡過程的影響[J].水電能源科學(xué)，2005，23（2）：47-49.

[2] 田明武.水利水電工程建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] 王丹，楊建東，高志芹.導(dǎo)葉開啟時間對水電站過渡過程的影響[J].水利學(xué)報，2005（1）：120-124.

收稿日期：2020-03-27

作者簡介：沈龍（1983—），男，安徽人，工程師，研究方向：系統(tǒng)集成。