水轮机反水泵工况下导叶异常回开分析

徐 波，王伟川（. 长江电力股份有限公司技术研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

水轮机反水泵工况下导叶异常回开分析

徐 波1，王伟川2
（1. 长江电力股份有限公司技术研究中心，湖北 宜昌 443002；2. 湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

文章介绍800MW巨型水轮发电机组在低于最低工作水头下进行过速试验时，导叶在关闭过程中发生异常回开现象。通过对试验中接力器开关腔压力及水轮机无叶区压力变化进行分析，认为试验中导叶异常回开现象与机组意外进入反水泵工况有直接关系。因反水泵工况在活动导叶的入口和出口处存在大量的回流涡结构，导致导叶异常回开。当高于最低工作水头时，异常现象消失。

最低运行水头；导叶回开；反水泵

0 引言

反水泵工况属于抽水蓄能电站水泵水轮机启动过程特有的一种工况，非可逆式水轮机出现反水泵工况较为罕见。在反水泵工况下，转轮转动方向与水轮机工况相同，水流流动的方向与水泵工况相同。

向家坝电站安装有8台单机容量为800MW的混流式水轮发电机组，单机容量世界第一。向家坝电站设计运行水位为370m～380m，运行水头范围为86.1m～114.2m，额定水头100m。根据水库分期蓄水计划安排，右岸地下电站首批机组启动试运行试验处于水库初期蓄水期间，试验水头在正常运行范围以下。机组在较低水头进行过速试验时，导叶在关闭过程中发生异常，当导叶关闭至较低开度时，关闭曲线出现停顿甚至反向回开的现象，而在机组静水试验中导叶关闭觃律正常。

1 现象描述及过程分析

1.1 现象描述

过速试验时试验水头最低的机组异常现象最为突出，该机组试验水头为80.9m，机组转速达到过速动作值时，通过动作紧急停机电磁阀关机，导叶在关闭过程中出现关闭觃律异常，导叶关闭到17.71%左右的接力器行程，导叶出现反向回开现象，接力器行程回开至25.58%左右时调头回关，直至导叶全关。而在整个动作过程中，主配一直在关位，紧急停机电磁阀投入状态未发生改变。机组过速紧停关机过程曲线如图1所示。

1.2 接力器受力分析

接力器在工作过程中受力示意图如图2所示。根据物体受力及运动原理，从示意图可知，在接力器静止或者匀速运动过程中存在的水平受力关系 Fc+F水力=Fo（忽略机械阻力），一旦该平衡关系受到破坏，接力器将会进行加速或减速运动，从而改变运动状态。根据试验观测，在整个关闭过程中，导叶始终具有自关趋势，F水力中的自关作用成分始终朝关的方向。

图1 机组过速紧停关机过程曲线

图2 接力器受力示意图

根据以上观点，对该机组在过速过程中接力器受力情况进行分解剖析，将机组过速紧停关机曲线（如图1所示）分成若干区域：

T1——开始增速点；

T2——投紧停关机点；

T3——关闭觃律第一拐点；

T4——接力器开腔压力最低点；

T5——关腔压力最大点；

T6——导叶回开最大开度；

T7——关闭觃律第二拐点。

（1）在0~T2时间段，机组从额定转速开始增速，Fo－F水力>Fc，接力器在两腔压差及水力作用下，向开的方向运动；

（2）在T2~T3时间段，由于在T2时刻投入调速器紧急停机电磁阀，接力器关腔通压力油，开腔通回油，此时Fc+F水力=Fo，接力器以第一段关闭速率匀速关闭；在T3时刻，接力器关闭到第一拐点（60%），分段关闭装置对开腔回油节流，导叶关闭速率降低到第二速率，此时Fo、Fc同时增大；

（3）在T3~T4时间段内，特别是在其中Tn－T4时间段，接力器关闭速率逐步变小，开腔压力油Fo（与回油箱连通）快速变小（最小4bar），关腔压力油Fc（与压力油罐油源连通）却逐步变大，可基本推断在此期间，流道水力因素发生了改变，F水力发生转向，对接力器产生开方向的作用，且其作用强度逐步加大，使接力器产生朝开方向的加速度；

（4）在T4~T6时间段，F水力增强到推动接力器反向朝开运动，接力器关腔油开始向压力油罐倒流。在T5时刻，F水力对接力器朝开方向的作用力达到最大，此时关腔油的压强亦达到最大值64.54bar，压油罐的压力由5.8MPa升高至6.1MPa；

（5）在T6~T7时间段，F水力对接力器的作用逐步减弱幵回复正常，其对接力器的作用方向亦逐步由开启的方向朝关闭的方向转变，在关腔压力油的作用下，接力器从T6时刻转而向关闭方向运动，Fo逐步回复正常。

1.3 过速过程水压分析

图3为机组过速过程中无叶区压力与转速的关系曲线。从图3可见，在通过紧停进行关机过程中，当转速从最高点开始下降时，无叶区压力也开始下降，当下降到278kPa时，开始迅速抬升，最高升至363kPa。据此可推断在导叶关闭后期，在活动导叶与转轮进口之间区域产生了85kPa的水压抬升效应。

图3 机组过速紧停关机过程水压曲线

1.4 综合分析

由接力器开、关腔压力的变化以及无叶区水压变化的分析来看，过速停机过程中，导叶发生小幅度回开时，接力器受到了朝开方向的巨大水力作用力。根据该型水轮机模型设计来看，在这个时间段活动导叶与转轮之间的水力情况发生了异常变化，水轮机进入反水泵工况。

2 反水泵工况

在不同水头下，机组在过速试验过程中发生导叶关闭异常的情况也有所不同，见表1。

表1 多台机组过速情况对照表

从表1可以看出，过速过程出现导叶关闭异常的程度与试验水头有着直接关系。随着试验水头逐步提高，导叶关闭异常程度逐步减轻直至完全消失。为了深入了解这种现象，在实验台上重装模型来研究反水泵问题。通过试验得出如下结论（如图4所示）：

（1）反水泵工况出现在导叶开度2°，n11=82r/min；

（2）正常运行的最大n11=73r/min，因此该现象不会出现在正常运行范围内，也不会出现在飞逸工况；

（3）最大的泵作用力出现在导叶开度5°~8°之间。

图4 反水泵工况与n11的关系

以上的试验结果和真机实验结果相符，只有净水头低于82.5m的过速试验时才会出现导叶反开现象。反开时可能会导致导叶保护装置动作（当保护装置的剪断力矩小于接力器操作力产生的力矩时）。

3 结论

通过本文分析，向家坝电站部分机组在进行过速试验时出现导叶关闭觃律异常与反水泵工况有直接关系。随着试验水头的逐步增大，该现象也随之减缓直至消失，说明机组在低于设计运行水头情况下才会出现反水泵工况。随着向家坝电站二期蓄水到370m～380m水位，机组的运行水头不会再出现首批机组调试试运行时的低水头试验工况，因此导叶关闭异常情况没有再出现。通过向家坝电站导叶反开现象研究，使我们对大型机组的水力特性有了新的认识，在以后的水力研发及试验阶段应该关注反水泵现象，避免其对机组试验及运行产生不良影响。

[1] 常近时. 水力机械过渡过程[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991.

[2] 刘大凯. 水轮机（第三版）[M]. 北京：中国水利水电出版社, 1997.

[3] 李彬. 水泵水轮机反水泵工况的特性研究[J]. 科技风, 2012(14): 155-156.

徐波（1977-），2005年7月毕业于华中科技大学能源动力系动力机械及工程专业，获得工学硕士学历，现从事水电站机械设备性能诊断测试工作，高级工程师。

审稿人：朴秀日

Analysis of Wicket Gate Back to Open at Reverse Pump Conditions of Hydraulic Turbine

XU Bo1, WANG Weichuan2
(1. Technology & Research Center of China Yangtze Power Company, Yichang 443002, China; 2.Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co., LTD, Yichang 443002, China)

This paper introduces the abnormal behavior about wicket gate back to open during over speed test under the lowest working water head for the 800MW hydro-generation unit. Based on analysis of pressure change of no leaf area and ervomotor operation cavity, the abnormal behavior is thought to be related to reverse pump conditions. There are a lot of vortexes at reverse pump conditions and the energy loss mainly distributes in the inlet and outlet of wicket gate, which may lead to wicket gate back to open. Abnormal behavior disappears above the lowest working water head.

the lowest working water head; wicket gate back to open; reverse pump

TK730.3+13

A

1000-3983(2015)06-0060-03

2014-02-25