抽蓄电站机组不同甩负荷方式对过渡过程的影响

梁晓玲，徐 靖，田瑞娇，姜 萍

（河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243031）

抽蓄电站机组不同甩负荷方式对过渡过程的影响

梁晓玲，徐 靖，田瑞娇，姜 萍

（河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243031）

本文以某电站1号机和2号机组为例，针对抽水蓄能电站机组的过渡过程特性，在球阀-导叶联动延时关闭规律下，通过Suter特征线的方法对比分析两机组同时甩负荷、1号机后甩负荷和2号机后甩负荷三种甩负荷方式下的性能参数.并通过工程实例验证：两机组同时甩负荷时机组转速上升率较相继甩负荷平均降低3%，蜗壳进口最大水压力最少降低17mH2O，尾水管进口最低水压力升高20mH2O.相继甩负荷使尾水管进口最小压力严重降低，不能满足调保参数限制值要求.

抽水蓄能电站；甩负荷；过渡过程；可逆机组

在抽水蓄能电站机组事故甩负荷时，机组突然甩去负荷必然会导致转速和流量相继发生变化，继而在水道系统内部引发剧烈的水锤效应[1]，进而改变蜗壳和尾水管进口水压力[2]，最终影响机组使用寿命，威胁电站的运行安全.相对于其他改善措施，目前抽水蓄能电站中多关注选择合适的导叶关闭规律来降低水锤效应并限制机组转速的升高[3]，该方法实行较为简单且投资小[4]，但对机组甩负荷时是否同时甩负荷或相继甩负荷对过渡过程的影响大小报道甚少，且相关论文多在解释输水系统布置方式对相继甩负荷过渡过程特性的影响[5].朱冠宏对宜兴抽水蓄能电站进行了一管双机甩负荷试验，并与调保计算结果进行了分析比较[6].李建辉等人对机组甩负荷后球阀与导叶联动关闭规律进行了优化分析[7].游光华对抽水蓄能电站一管一机和一管双机现场甩负荷试验结果进行了对比，并进行了仿真分析[8].近年对引水管道的布置引起的蜗壳压力与尾水管压力变化研究也逐渐增加[9].蒋玮分析了输水洞径对机组相继甩负荷尾水进口压力的影响[10].但是很少进行定量的分析，鉴于此，本文对设计水头为430m某抽水蓄能电站同一单元的1号机和2号机施行同时甩负荷和相继甩负荷，并从原理上分析过渡过程中各性能参数变化的原因，再通过Suter特征线法[11]计算各参数理论值，并与工程实例结果相比较，为抽水蓄能电站机组安全运行提供依据.

1 过渡过程数学模型

1.1 机组转速变化

机组紧急甩负荷时，负载力矩突然降为0，因为能量不平衡导致机组转速开始上升，转速上升率公式为：

式中,N0为机组初始状态所载负荷；TS1与导叶开度由全开至全关所需时间有关；f为修正系数；n0为机组初始转速；GD2为机组转动惯量；G为机组转子重量；D为转轮惯性直径.

1.2 蜗壳进水压力变化

机组甩负荷开始，当压力水管末端流量发生变化时，水管内部将出现非恒定流现象，流速变化同时伴随着显著的压强变化.即会发生水锤现象.水锤分为直接水锤和间接水锤，直接水锤计算方法为：

式中，c为波速；V0为初始流速；V为终了流速.

而间接水锤计算相对比较复杂，将直接水锤与间接水锤叠加即为最终水锤压力，估算水锤压力公式为：

式中,TW为压力管道水流惯性加速试验常数；TS为导叶有效的关闭时间；q0、q1分别为水轮机在初始和终了时的相对流量值.

1.3 尾水管真空度变化

在非恒定流情况下，由公式得尾水管真空度为：

式中，HS为静力真空，与机组安装高程、下游水位相关；αv2为动力真空，与尾水管尺寸和机组引用流量相关；ΔHB为尾水管内水压力降低的绝对值.

2 实例分析

2.1 基本参数

某电站由2台单机容量为300MW的机组组成.设计水头H=430m.该机组转速上升率最大允许值为50%，蜗壳进口最大水压力为676mH2O，尾水管进口最低水压力为27.04mH2O.

本文采用的导叶关闭规律为导叶－球阀联动的延时直线关闭规律，延迟时间T0=10s，直线关闭时间Ts=25s（简写为10-25）.球阀关闭规律为延迟时间Tv0=10s，直线关闭规律TVs=42s（简写为 10-42）.

该抽水蓄能电站输水系统的机组上游共用一个有压引水隧洞.尾水道排布方式目前常见的有两种，一种是单洞单机的排布方式，即每一个机组有各自的尾水洞；另一种是几个机组同时共用同一个尾水洞，该洞又称尾水主洞.该抽水蓄能电站尾水道采用单洞单机的排布方式，排布方式如图3.

图1 导叶延时直线关闭规律

图2 球阀延时直线关闭规律

图3 尾水道单机单洞排布方式

2.2 结果分析

采用上述导叶关闭规律在相隔时间0s到30s时间内，对两台机组分别进行同时甩负荷、1号机后甩负荷和2号机后甩负荷过渡过程计算，计算结果如表1所示.

表1 机组不同甩负荷方式下各参数值

由上表可以得出：

1.对于转速上升，三种不同甩负荷方式转速上升率均小于最大允许值50%，满足调保计算要求；但两机同时甩负荷时上升最小；1号机、2号机分别后甩负荷时转速上升相近.

2.对于蜗壳进口最大水压力，三种不同甩负荷方式都小于最大允许值，满足调保计算要求；但两机同时甩负荷时最大水压力最小，优于其他两种甩负荷方式；且1号机、2号机分别甩负荷时蜗壳进口最大水压力相近.

3.在本文设定的球阀-导叶联动延时关闭规律下，只有两机同时甩负荷时的尾水管进口最低水压力能够达到最低水压力允许值27.04mH2O，满足调保计算要求；其他两种方式均无法达到最低允许值，不能满足调保计算.

首先，对于多台机组的抽水蓄能电站而言，多台机组同时甩负荷要优于其他两种相继甩负荷方式.多台机组相继甩负荷等于变相延长了导叶关闭时间，由式（1）可得，导叶关闭时间越长，机组转速上升率越高.其次，对于图3的尾水道排布图而言，在机组同时甩负荷时，两台机组的流量变化互相没有干扰，因而对水锤压力变化及尾水管进口最低压力影响较小，而当机组相继甩负荷时，两台机组流量之间互有影响；当2号机后甩负荷时，因为1号机先甩负荷，该支管流量相对于两机组同时甩负荷时，初始流量必然较大，由公式（3）得，其流量差变大，虽然导叶有效关闭时间变长，但其影响度没有流量差大，因而水锤压力变大，即蜗壳进口最大水压力会增大，当1号机后甩负荷时会产生相同效果.同样，由公式（4）可知，当机组相继甩负荷时，机组流量变大，则动力真空变大，导致其尾水管真空度变大，降低了尾水管进口最小压力.

3 结语

1.三种不同甩负荷方式转速上升率都满足调保计算要求，但是两台机组同步甩负荷时，机组转速上升率最小、明显优于相继甩负荷，单台机组甩负荷转速上升相近.

2.当两台机组同时甩负荷时，蜗壳进口最大水压力最小，明显低于其他两种甩负荷方式，尾水管进口水压力要高于机组相继甩负荷，满足调保计算要求.

3.本文设定的球阀-导叶联动延时关闭规律，使尾水管进口最小压力严重降低，不能满足调保参数限制值要求.应改变导叶关闭规律，确保抽水蓄能电站正常运行.

〔1〕Ghidaoui MS,Zhao M,Mcinnis DA,etal.Areview of water hammer the oryandpractice[J].Applied Mechanics Reviews,2005,58(1).

〔2〕Bergant A,Simpson A R,Tijsseling AS.Water hammer with column separation：A historical review[J].Journal of fluidsands tructures,2006,22(2)：135-171.

〔3〕刘立志,樊红刚,陈乃祥.抽水蓄能电站导叶关闭规律的优化[J].清华大学学报(自然科学版),2006,46(11)：25-39.

〔4〕王慧莉.导叶两段关闭规律研究[J].甘肃水利水电技术,1997(3)：37-39.

〔5〕张健,卢伟华,范波芹,等.输水系统布置对抽水蓄能电站相继甩负荷水力过渡过程影晌[J].水力发电学报,2008(5)：158-162.

〔6〕朱冠宏.江苏宜兴抽水蓄能电站一管双机甩负荷试验[J].水利规划与设计,2014(10)：49-52.

〔7〕李建辉,朱海锋.惠州抽水蓄能机组甩负荷后的球阀与导叶联动关闭规律优化[J].广东电力,2012,25(3)：97-101.

〔8〕游光华,刘德有,王丰,等.天荒坪抽水蓄能电站甩负荷过渡过程实测成果仿真分析[J].水电能源科学,2005(1)：24-27.

〔9〕李婷婷,赖旭,等.引水道布置对抽水蓄能电站尾水管最小压力的影响[J].水电能源科学,2014(8).

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〔11〕郑源,张健.水力机组过渡过程[M].北京：北京大学出版社,2008.16-22.

TM612

A

1673-260X（2017）10-0021-02

2017-07-09

安徽省自然科学基金面上项目（1608085ME119）；河海大学文天学院校级重点科研项目（WT16003ZD）