小型水电站水轮机导叶关闭规律的优化——以猴场水电站为例

龙 斌，郑 丽

（贵州中水建设管理股份有限公司，贵阳 550002）

水轮机组的GD2值因制造难度等原因不能加大时，可以采用分段关闭水轮机导叶的方法来有效控制水电站甩负荷时机组转速上升和蜗壳压力上升。贵州猴场水电站为引水式水电站，坝高18.5m，总库容71万m3，最大水头64.33m，最小水头59.00m，额定水头60.00m，装有三台3.2MW混流卧式水轮发电机组。电站在额定出力时调保计算成果基本满足设计规范的要求；在设备招采购标阶段应业主的要求，水轮发电机组应具备超10%出力运行的能力,但是通过调保计算复核甩负荷时机组转速上升和蜗壳压力上升不能满足设计规范的要求，设备制造商也明确机组的GD2不能再加大。现阶段最为经济的方法只有采取优化水轮机导叶关闭规律方式来控制甩负荷时机组转速上升和蜗壳压力上升的问题。

1 机组GD2与导叶关闭规律

水轮发电机组GD2是其转动部分的重量与惯性直径平方的乘积，是水电站设计中重要的机组参数之一，随着设计技术的进步和材料工艺提高，GD2有减小的趋势，GD2的减小，可减轻机组重量，降低机组设备成本。但是从引水发电系统调节保证计算来看，增加GD2有利于优化引水系统洞径，节省工程投资。进行导叶关闭规律优化计算，优选导叶分段关闭时间和关闭拐点，利用合理的GD2取值能有效解决有压输水系统水流惯性、机组惯性力矩和调整性能三者之间的关系，使水击压力和机组转速上升值均在安全合理的范围内[1]。

导叶关闭规律计算中，在转速上升率接近设计标准值时，导叶若采用直线关闭规律，通常需要机组具有较大的GD2；导叶若采用合理的分段关闭规律（如两段或三段关闭），需要机组的GD2相对较小。

2 直线关闭规律的过渡过程计算

猴场水电站在初步设计阶段，由于业主未提及机组超出力的要求，所以在进行水力过渡过程分析计算时，只考虑单台机组的额定出力工况，也是机组的最大出力。在初步设计阶段机组GD2一般是电站由调节保证计算来确定，但机组GD2也有一个范围，为了确保调节保证计算确定的GD2的合理性，根据设计手册的经验公式[2]，初步计算GD2为11.8tm2。通过导叶关闭规律的分析计算[3，4]，机组在额定出力下，导叶采用直线关闭规律能够满足调保计算参数的设计规范要求。计算结果见表1。

根据猴场水电站的特点，结合设计规范的规定，猴场水电站调节保证计算参数设计标准值选定为机组转速上升率55%，最大蜗壳压力0.95 MPa，尾水管进口最小压力-0.08MPa。通过导叶直线关闭规律计算可知，随着导叶关闭时间的增大，机组甩负荷后转速上升率相应的增大，蜗壳进口压力逐步降低。当导叶关闭时间为5s时，转速上升率1＃机组为55.50%、2＃机组为54.87%、3＃机组为55.57%，甩负荷后机组转速上升率接近或稍超出调节保证计算参数设计标准值的55%，当导叶关闭时间为3s、4s时均能满足，但取4s较好。所以初步设计阶段导叶关闭规律采用直线关闭，GD2选取为11.8tm2，关闭时间为4s，甩负荷后机组最大转速上升率为51.85%，最大蜗壳进口压力为0.793 MPa，尾水管进口最小压力-0.048 MPa，均在设计标准值范围内。

表1 导叶直线关闭规律计算成果表

在招标阶段业主提出猴场水电站水轮发电机组应具有超出力10%负荷的能力。根据业主的要求重新进行调节保证计算的复核，计算工况为三台机组在额定水头下甩110%额定负荷。复核结果见表2。

通过复核计算结果可知，蜗壳进口最大压力上升值和尾水管进口最小压力值均比额定工况有所增加，都在设计标准值范围内，但转速最大上升率已经远远超过设计标准值55%的要求。所以在机组超出力10%负荷时，调节保证计算参数不能满足要求，必须采用有效技术措施。一般采取三种措施：加大压力钢管直径、增加机组GD2和优化导叶关闭规律。加大压力钢管直径，势必增大投资。若采用增加机组GD2，通过与厂家沟通讨论，由于机组额定转速较高，机组的GD2最大只能到达12tm2，比初步设计采用的GD2增加不多，对抑制机组转速上升效果不大。因此，采用优化导叶关闭规律，即采用分段关闭，选取合理的折点和各段的关闭时间，以达到机组超出力运行时甩负荷调保计算参数满足设计规范要求。

3 导叶关闭规律优化

在机组甩负荷时，为控制蜗壳进口压力上升，导叶关闭速度不宜太快；为控制机组转速上升，导叶关闭速度不宜太慢；为了协调机组转速最大上升和蜗壳进口压力上升的矛盾，可采用分段关闭 （两段或三段关闭）。三段关闭规律对缓解转速上升和压力上升的矛盾优于两段关闭规律，但三段关闭规律实现方法比较复杂，一般在进行调保分析计算时，若两段关闭规律能满足工程要求，就不再进行三段关闭规律的论证。实际采用两段关闭规律的水电站较多，技术较为成熟。

3.1 导叶分段关闭规律优化计算

对猴场水电站机组进行导叶分段关闭规律优化计算，选择合适关闭时间和关闭拐点位置。优化计算结果见表3。

通过计算可知，随着关闭拐点位置逐渐增大，机组转速最大上升增大，对应计算工况的蜗壳进口最大压力则逐渐下降。K2工况蜗壳进口最大压力比K1下降0.02MPa，K3工况蜗壳进口最大压力比K2下降0.021MPa，K4工况蜗壳进口最大压力比K3下降0.017MPa。K2工况机组转速最大上升率比K1增加1.97%，K3工况机组转速最大上升率比K2增加0.43%，K4工况机组转速最大上升率比K3增加1.4%。当拐点位置为0.45时机组最大转速和蜗壳进口最大压力出现折点 （以1#机组的计算成果作为分析数据），所以选择拐点位置为0.45。通过对第二段不同关闭时间tk2（5s，6s，7s）进行计算，发现蜗壳进口压力基本不变化，而转速的变化相比较大，故选择第二段关闭时间为5s。由于第一段关闭时间tk1采用3s时，不管第二段关闭时间tk2和拐点位置y1如何调整，机组转速上升值都远远超过设计标准值，在此不再进行第一段关闭时间的论证。所以，选择第一段关闭时间tk1为2s，第二段关闭时间tk2为5s，拐点位置y1为0.45。

表2 复核调保计算结果

表3 导叶分段关闭规律优化

3.2 分段关闭规律调节保证计算

用以上导叶分段关闭规律优化计算结果，进行不同工况[5]的调节保证计算，验证导叶分段关闭规律优化计算结果的合理性。计算工况如下：

D1水头为60.7m时，三台机组额定负荷运行时甩全部负荷；

D2水头为62.7m时，三台机组额定负荷运行时甩全部负荷；

D3水头为64.0m时，一台机组额定负荷运行时甩全部负荷,另外两台机组停机；

D4水头为60.0m时，三台机组110%额定负荷运行时甩全部负荷；

D5水头为62.2m时，三台机组110%额定负荷运行时甩全部负荷；

D6水头为64.1m时，一台机组110%额定负荷运行时甩全部负荷；另外两台机组停机。

计算结果见表4。

工况D1～D3为额定出力下甩全部负荷，蜗壳进口压力均在0.9MPa以下，机组转速上升都不到44%。工况D4～D6为110%额定出力下甩全部负荷，蜗壳进口最大压力值出现在D5工况为0.932 MPa，机组转速上升出现在D4工况为51.6%，以上计算结果均在设计标准值范围内。所以水轮发电机组的GD2最大值收到限制的情况下通过优化水轮机导叶关闭规律，可以满足机组超负荷情况下甩全部负荷时设计规范对机组调保计算的要求。

表4 分段关闭规律过渡过程计算 （t k1=2s，t k2=5s，y1=0.45）

4 结论

1）在水电站初步设计阶段要仔细计算水轮发电机组的GD2，以免到设备采购阶段与设备厂家提供的GD2偏差较大，影响水电站的调节保证计算结果，从而影响水电站引水系统设计。

2）在水电站前期设计阶段，应考虑是否对本电站机组有超出力的要求。

3）如果设计时没有考虑上述两种情况，当水轮机组的GD2不能满足水电站调节保证计算要求时，采用导叶分段关闭措施，可以有效控制机组转速上升和蜗壳进口压力上升。

4）小型水电站的水库调节库容一般较小或无调节库容，为了增加经济效益，往往在丰水期使机组超负荷运行。所以在进行小型水电站设计时，为了使水电站安全运行，调保计算应适当预留安全余量。

[1]刘生国.浅析水轮机导叶两段关闭规律的选择[J].水电能源科学，2007（3）：173-174.

[2]水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）[M].北京：水利电力出版社，1983.

[3]水电站水力-机械过渡过程仿真计算通用软件技术[R].南?京：河海大学水利水电学院，2001.

[4]沈祖诒.Wondows界面下水力-机械过渡过程仿真计算通用软件[J].水力发电，2000（7）：57-59.