抽水蓄能电站过渡工况中影响水力参数的原因分析

沈龙 哈尔滨电机厂有限责任公司

一、前言

随着中国经济的发展，电力需求越来越大，也带动了水力水电技术的发展，单机容量和水头越来越高，目前中国在建的敦化抽水蓄能电站其容量达到375MW。机组容量增大的方式一是增加水头高度，二是增加过流面积，提高流量。高水头机组在过渡工况运行时，水力工况复杂，负载突变，工况转换，导叶响应速度都会影响水力参数，对导水部件及转动部件的安装要求也较高，对水力技术的研究也日新月异。本文将主要分析上述三种因素与过渡工况中水力参数的因果关系。以期在后续试验及数据分析中能够提供帮助，可作为机组在调试阶段各工况的水力参数的实测数据进行参考，评估各种试验的风险，灵活指导下一步的调试工作，为设计人员对机组和辅助设备的设计进行优化提供依据，而机组性能试验的运行参数，可指导进一步研究，推动设计水平的提高。

二、过渡工况时水锤现象产生的原因及分析

引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现象。正常运行的水轮发电机机组，在诸如负荷突变，正常及非正常开停机时，阀门或者调速器动作，流水的流量和流速改变，因为压力管道作为容器的形变和水体的弹性，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，即为水锤。这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。以下以动水关球阀实际工况过程做分析，流道管径、材质及结构相同，球阀开关动作瞬间完成，没有延时。假设球阀处压力为H，水体流速为V，压力管道路径长度为L 不变，球阀管壁前状态如下：

t0：H=H0，V=V0，L；

当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为L1的管段发生水锤现象水体被挤压δL1，水压力上升为段水体流速变为V=0 后，这时管中水体的动能转变为压能。由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段L1中会产生剩余空间δL1，待后面的水体填满剩余空间δL1后，邻近管段L2水体又会发生水体挤压，引起水压力上升H=H0+δH1+δH2，L2段水体流速变为0，也产生剩余空间δL2。以此类推，从阀门开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度α从阀门传向上库取水口。当水锤到达引水管进口时，此时：

因为δH的作用，水体流向上水库，压力钢管中的水体压能转变为动能，压力从H=H0+δH降为H=H0，流速变为V=-V0，这相当于产生一个反射波，反射波以α的速度从水管进口向阀门处传播。此时：

当反射波到达阀门处时，水流离开阀门，在阀门处造成真空，产生负压，使水体压力从H=H0变为 H=H0-δH，流速从V=-V0变为0，水管中水体的动能转变为压能，即在阀门处产生负压波，负压波以α的速度从阀门传向上库取水口，此时：

在-δH的作用下，水体流向水管，使水管的压力从 H=H0-δH升为H=H0，流速变为V=V0，水体压能转变为动能，又产生反射波，反射波以α的速度从取水口向阀门处传播。当反射波到达阀门处时，水流恢复到初始状态，即水管的H=H0，V=V0。由于球阀仍然关闭，在球阀处又产生水锤波，水锤波将重复以上的传播过程。

t4：H=H0，V=V0（回复到t0时刻状态）；

水锤波在压力钢管中的传播经历了四个时间段完成一个周期T：

t0-t1；动能→弹性势能；

t1-t2；弹性势能→动能；

t2-t3；动能→重力势能；

t3-t4；重力势能→动能；

α值是调节保护计算中的一个重要参数，它与压力钢管管的材质、壁厚、半径，水体弹性和水体容重有关。具体计算可参照相关标准和著作，本文不做累述，α值的确定取决于上述的不变量，后续将根据现场实测α值进行直观分析说明。

三、过渡工况中转动部件的影响

机组在稳定的工作状态下，即机组以恒定功率和功率因数匀速运行，水的势能-旋转机械能-电能之间能量转换平衡。当机组负荷变化时（包括抽水和发电工况），能量转换出现不平衡状态，导致机组转速的变化。在稳定状态时，存在因机组运行导致净水头的减小的现象，此时通过调速器跟随调节满足达到能量转换平衡。但在机组正常及非正常开/停机，负荷调整，等工况转换时，球阀及调速器此时为了满足负荷调整而快速动作，产生水锤现象，短时间内出现转速变化，造成流道压力脉动增大，供电质量下降。特别是在机组100%甩负荷时，机组转速升值最大，在此过渡过程中，机组的转动惯量与机组升速有一定的关系，GD2越大，机组转速上升率β越小，在过渡工况中振摆数值也越小，提高机组稳定性，同时机组响应速度也会降低。但根据参考文献可以得知，GD2取值存在最大临界点和最小临界点，在临界范围外取值，GD2过大机组经济性差，且β改善不大；GD2过小机组响应速度提升有限，且机组稳定性能差。在临界范围内，增大GD2可以一定程度降低调保参数和缩短调节时间。

四、大波动导叶开启关闭时间对机组过渡过程的影响

根据前述水锤形成的原理，水轮机工况，同期并网后增加负荷，机组转速不变，不难得出以下结论：在机组增负荷过程中，导叶开启越快，引起的负水锤越大，蜗壳末端的最小动水压力将越小，尾水管进口的最大动水压力也将越来越大；在机组减负荷时，导叶关闭越快，引起的水锤越大，蜗壳末端的最大动水压力将越大，尾水管进口的最小动水压力也将越来越小；电气事故停机时，导叶关闭最快，此时压力也达到极值。在水泵工况时，为了提高经济型，一般导叶在全开状态工作，产生大波动过渡过程为水泵断电，调速器动作，快速关闭导叶，此时也会在蜗壳末端形成负水锤。以上分析结果表明，导叶的开启和关闭时间规律在过渡工况必须要满足调保计算参数要求。

五、结论

本文简述了水锤，导叶开启关闭规律及机组转动惯量在机组过渡过程中的影响。水锤效应在过渡过程中，随着周期运动能量递减，数个周期后消失，针对水锤效应，相应的减小措施可以采用调压井，增加导叶动作时间；转动惯量对机组在过渡过程中作为一个惯性环节，转动惯量越大，抑制水锤效应效果越明显，带来的功率波动越小，反之亦反，但参考相应文件，转动惯量的过大失去经济性，过小又会增加机组不稳定性；导叶动作速度影响在机组设计安装完成后，多水锤效应起到调节作用，在调节保证范围内，可以根据机组实际运行请款，可以适量提高动作速度，也可以在调保计算比较苛刻的情况下，减缓动作速度，较少机组压力脉动。