改善水力机组调保参数的措施

2013-05-16盛国林廖海春

水电站机电技术 2013年2期

关键词：调压室水击导叶

盛国林，黄平，廖海春

（1.三峡电力职业学院，湖北宜昌 443000；2.葛洲坝机电建设公司，四川成都 610092）

改善水力机组调保参数的措施

盛国林1，黄平2，廖海春2

（1.三峡电力职业学院，湖北宜昌 443000；2.葛洲坝机电建设公司，四川成都 610092）

简要地论述了水力机组调保计算的任务和作用，论述了实际生产中改善调保参数的不同措施，分析了不同措施对改善调保参数的具体影响方式，提出了实际生产过程中不同类型水力机组选择改善调保参数措施的总体原则。

调保参数；平衡；技术措施；运行条件；设计

1 水力机组调节保证计算的任务

水力机组稳定运行时，机组的出力与负荷保持平衡的运行状态，这时机组的转速恒定不变，而且压力水管中的水流处于恒定流状态。但是机组所承担的负荷是不断变化的，而且机组常会碰到较大的负荷变动，尤其是当事故而甩全负荷时，会出现水轮机动力矩与发电机的负荷阻力矩极不平衡而使机组转速急剧变化，这时调速器迅速调节进入水轮机的流量以使机组出力与变化后的负荷重新保持平衡，机组进入一个新的稳定工况。在上述调节过程中，机组转速与压力水管中的水压力都将发生急剧的变化，甚至可能产生危及机组、水电站压力引水系统及电网安全的严重事故。如较大的水击压强变化使压力管道爆裂或压扁以及水轮机遭到破坏；过高的转速变化使机组强烈振动并损害机组的强度和寿命，甚至造成机组飞逸事故等。

在水电站压力引水系统和水轮发电机组特性确定时，对水击压强变化和转速上升大小起控制作用的是导叶调节时间和调节规律。因此，在水电站设计时要计算调节过程中的最大水击压强变化值和最大转速上升值，并据此选择合理的导叶调节时间和调节规律，使水击压强变化和转速上升都在允许范围内，这在工程上称为调节保证计算，简称调保计算。

调保计算的任务就是根据水电站压力引水系统和水轮发电机组特性，选择合理的导叶调节时间和调节规律，进行最大水击压强变化值和最大转速上升值计算，使水击压强变化和转速上升都在允许范围内。

2 改善调保参数的措施

压力管道较长的高、中水头水电站，当水流的惯性时间常数较大时（Tw超过2～3.5s），调保计算的结果很难同时满足压力上升率和转速上升率的要求。为了保证机组安全运行，应当采用一些技术措施来降低水击压力或限制转速上升。压力管道的长度受地形和水电站总体布置的限制，一般较难缩短；加大管径可以降低水及压力，但会增加投资。通常采用技术措施有以下几个方面。

2.1 改善导叶关闭规律

调节与元件的运动规律，对水击压力的转速变化起着决定性的影响。图1(a）是在相同时间内给出的3种导叶关闭规律，图1（b）是对应3种关闭规律的水击压力变化曲线。从图中可看出，关闭规律Ⅰ的关闭数率均匀，其水击压力有一稳定值；关闭规律Ⅱ的关闭速度先快后慢，因此水击压力先升后降，有一极限值。关闭规律Ⅲ的关闭速度先慢后快，因此水击压力先小后大，此种情况相当于缩短了关闭时间，所以这种规律对水击压力变化最不利。因此，确定合理的导叶关闭规律对降低水击压力和转速的上升有重要的意义。

图1 导叶关闭规律对水击压力上升的影响

比较规律Ⅰ、Ⅱ可知规律Ⅱ有利于在开始阶段迅速减小水轮机动力矩，使最大转速上升值减小。综上可知，导叶关闭采用先快后慢的关闭规律为佳，此种关闭规律可以有数的降低水击压力和转速上升值。目前，常采用导叶的两段关闭规律，即在调速器中采取一定的措施，使接力器关闭先快后慢。图2所示为某水电站采用两段关闭规律时甩负荷示波图，由图可知在甩负荷开始阶段导叶关闭速度较快，因此有利于降低转速上升值，当压力上升到规定数值时，导叶关闭速度减缓，使随后发生的压力上升不会比折点处的压力上升高，所以甩负荷过程中最大压力上升值发生在折点处。因此，只要适当选择折点的位置和第一、二的关闭速度，就可以达到降低水击压力和机组转速上升目的。

图2 两段关闭规律时甩负荷示波图

2.2 设置调压室

从调节过程特性对调节过程的影响可知，要减少水击压力升高值，可采用缩短管道长度L或增大管径的方法来减少Tw值。但是管道长度取决于地形地质条件,而增大管道径会造成投资的增加，因此采用缩短管道长度L或增大管径的方法来减小Tw值并不是可取的方法。一般采用设置调压室的方法。

调压室是一种修建在水电站压力引水隧洞与压力管道之间，具有自由水面和一定容积的调节性水工建筑物，如图3所示。调压室将连续的压力引水道分成上游引水道和下游引水道（即压力管道）两个部分，它能有效地减少压力管道中的水击压力上升值。当甩负荷时，水击压力波由导叶处开始，沿压力管道传播至调压室时，水击波被调压室发射。而引水隧洞中水流由于压力波的阻止，其动能被暂时以调压室水位升高形成的位能储存起来。随后，调压室中高于稳定水位的水体又迫使水流向上游流动，水位形成波动，由于水流在流动中因摩擦产生能量损失，最后调压室水位将稳定在水位波动发生前的水位。在上述过程中，压力管道中的水及压力升高由两个部分决定，即压力管道内水流惯性引起的调压室水位升高和引水隧洞中水流惯性引起的调压室水位升高。而当调压室断面越大时，后者影响越小。所以，要减少压力管道内的水击压力上升值，调压室的位置要尽量靠近厂房。

图3 调压室布置及其内部水位波动图

当水电站增加负荷时，水轮机引用水量加大，如果Tw较大而未设调压室，水流可能会出现断流，设置调压室则可暂时补充不足水量以保证水流的连续性。此时，调压室中的水位将有所降低，则压力管道内由于增负荷引起的压力降低也会减少，这给保证管道结构的安全和调节系统的稳定性都会带来好处。

调压室建造投资大、工期长，在实际工程中是否采用调压室，应根据水电站在电网中的作用、机组运行条件、电站枢纽布置以及地形、地质条件等进行综合技术经济比较后确定。在初步分析时，设不设置调压室可用整个引水管中的水流惯性时间T值进行判断。对于孤立系统或电站容量占电力系统容量50%以上者，允许Tw=2.5～3.0s；水电站容量占电力系统容量20%以下者，允许Tw=5.0～6.0s;当Tw超过上述范围时应考虑设置调压室。

2.3 装设调压阀

由于受到地质、地形条件限制兴建调压室有困难的中、小型电站,可考虑以调压阀代替调压室，一般其投资为建造调压室的20%。

调压阀设置在由蜗壳或压力水管引出的排水管上，如图4所示。在甩负荷后导叶关闭的同时，调压阀打开，部分流量（一般为管道流量的50%～80%）经调压阀泄出，使压力管道中的流量变化减缓，压力升高也减小。为了节省水量，在导叶关闭后，调压阀能自动慢慢关闭。采用调压装置，即使导叶以比较快的速度关闭，由于压力管道中总流量变化不大，故水击压力也增加不大。这既提高了导叶的关闭速度，也会相应减小机组的速率上升值。增负荷时，调压阀无作用。

图4 调压阀装置示意图

目前，在系统中不担任主调频机组的水电站，特别是单机容量占电力系统比重不大的水电站，或者对供电质量没有特别严格要求的农村地区性电力系统中的水电站，在2～2.5s

2.4 增大机组G D2

从速率上升计算公式可以知，增加机组G D2值，可以降低上升值。

机组转动惯量G D2，一般以发电机转动部分为主，而水轮机转轮相对直径较小、重量较轻，通常其G D2只占机组总G D2值的10%左右。一般情况下，大、中型反击式水轮机组按照常规设计的G D2已基本满足调节保证的要求；如不能满足，应与发电机制造部门协商解决。中、小型机组特别是转速较高的小型机组，由于其本身的G D2较小，常用加装飞轮的方法来增加G D2。