角木塘水电站水力过渡过程分析

， ，，， ，建勋

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳，550002；2.贵州省农村水电及电气化发展局，贵阳，550002)

1 工程概况

角木塘水电站位于贵州省遵义市道真县境内，为芙蓉江水电梯级开发中的第10级。电站装机容量70MW，水库调节库容为385万m3。水库校核洪水位387.034m，设计洪水位383.010m，正常蓄水位383.00m，死水位381.00m。厂房正常尾水位351.68m，厂房设计洪水位376.4m，厂房校核洪水位382.61m。电站水头30.6m，加权平均水头29.5m，额定水头28.5m，最小水头23.2m。

2 设计输入

2.1 引水系统模型建立

角木塘电站工程引水系统采用“两洞两机”布置方式，进水口后接直径2×5.1m×7.3m的引水道至机组，机组采用混凝土蜗壳，进水口设置快速闸门。

2.2 机组设备的基本参数

水轮机型号：ZZ C502-LH-425

发电机型号：SF35-36/6800

原型水轮机额定出力：36.08MW

原型额定转速：166.7r/min

原型额定流量：137.65m3/s

导叶转角范围：20°～58°

图1 角木塘电站引水系统布置

桨叶转角范围：10°～36°

模型单位飞逸转速：370r/min

发电机转动惯量：3600t·m2

水轮机中心安装高程：344.743m

水轮机导叶中心高程：346.70m

导叶开口相对值设定：额定水头发额定出力设为1.0

3 水力过渡过程计算

3.1 水力过渡过程计算要求

水轮机要保证在单独的或任何组合的启动、运行、停机或甩负荷情况时，当发电机转动惯量不小于3600t·m2时，水轮机转动部件和水体惯量都计入的情况下，蜗壳最大压力升高率保证值小于60%，水轮机转速上升不超过额定转速的60%。机组甩全负荷时，尾水管内的最大真空度不大于8m水柱。

由于引水系统为两洞两机布置，因此没有复杂的组合工况，以额定水头和最大水头工况做相应计算如下表1。

表1 计算工况

低水头轴流式水轮机在甩负荷时，尾水管内出现真空，形成反水击，以及水轮机进入水泵工况，产生的水泵升力而形成反向水推力，只要反向轴向力大于机组转动部分的总重量，就会使机组转动部分抬起一定的高度，此现象称为“抬机”。

“抬机”现象容易造成如下破坏：

(1)机组甩负荷时，调速器事故停机电磁阀动作，导叶全关后，机组上抬后又急速下落，容易造成发电机推力轴承及水轮机导轴承损坏；

(2)机组甩负荷时，导叶突然关闭，机组转动部分上抬并持续较长时间，容易造成发电机转子风扇和挡风板之间产生摩擦，并且水轮机顶盖也会产生较大的振动，严重情况下可能会将顶盖连接螺栓拉断造成破坏。

预防“抬机”的措施有：

(1)在保证机组甩负荷后其转速上升不超过规定的条件下，可适当延长导叶的关闭时间或导叶采用分段关闭；

(2)采取措施减少转轮室的真空度，如向转轮室内补入压缩空气，装设在顶盖上的真空破坏阀要求经常保持动作准确、灵活；

(3)装设限制抬机高度的限位装置，当机组出现抬机时，由限位装置使抬机高度限制在允许的范围内，以免设备损坏。

3.2 一段关闭过渡过程计算

结合工程实际经验来看，轴流式水轮机甩负荷时，常常发生“抬机”事故。因此，通过水力过渡过程计算，选择合适的导叶关闭规律，以防止水柱中断引起的反水锤和减小水泵工况下向上的轴向水推力。首先采用一段关闭10s和20s进行(桨叶不动时间0.2s、桨叶关闭时间40s)计算如下：

表2 一段关闭大波动过渡过程计算结果

从以上计算结果可以看出：

(1)最大速率上升发生在额定水头发额定出力甩负荷时，速率上升33.2%～45%，其值<60%要求值，满足调保计算要求，还有一定的裕度。因此，发电机的转动惯量GD2=3600t·m2完全满足要求；

(2)最大压力上升发生在最大水头发额定出力甩负荷时，最大蜗壳水压值43.174m～46.114m水柱，其最大压力上升值按最大水头60%计应为48.96m水柱，其值<48.96m水柱要求值，满足调保计算要求，并有一定的裕度；

(3)在上述工况下，尾水最大压力值1.826m～3.262m<8m，满足最大真空度要求值；

(4)随着导叶关闭时间的增加，最大功率和最小功率即是瞬时最小冲击负荷就越小，表明反水锤导叶关闭时间越大，造成“抬机”可能性更大；

(5)从大波动过渡过程曲线图可以看出：在甩负荷过程中，压力波呈衰减性。

结论：采用一段关闭规律，其速率上升和压力上升均满足要求，但最小冲击负荷太大，反水锤可能引发严重的“抬机”现象。

3.3 两段关闭过渡过程计算

为更好地规避“抬机”问题，采用两段关闭进行计算如下。

表3 机组两段关闭规律

图2 导叶关闭规律

表4 两段关闭大波动过渡过程计算结果

从以上计算结果可以看出：

(1)在上述工况中，采用两段关闭，最大速率和最大蜗壳水压值相对于一段关闭有所降低；

(2)最大冲击负荷和最小冲击负荷有改善，特别最小冲击负荷有明显变化；从两种不同的关闭规律来看，第一种关闭规律的最小冲击负荷更低，因此，采用第一种两段关闭规律对电站运行更有利；

(3)从大波动过渡过程曲线图可以看出：在甩负荷过程中，压力波呈衰减性。

结论：速率上升和压力上升均满足要求，二段关闭比一段关闭的瞬时最小冲击负荷有大大的改善，对改善“抬机”影响是有显著效果的。

4 甩负荷试验验证

2017年5月，角木塘水电站进行了1#、2#机组的甩负荷试验，图3为2#机组甩100%负荷时调速器录波。

图3 2#机组甩100%负荷调速器录波

由图3可以看出，2#机组甩全负荷时，在转速变化过程中超过稳态转速3%以上的波峰不超过2次，从接力器第一次向关闭方向移动起到机组转速摆动值不超过±0.5%为止，所经历的总时间不大于40s，调速器分段关闭符合设计要求，蜗壳压力值、转速上升率、尾水管真空度满足设计要求。

5 结语

角木塘水电站工程任务主要是以发电为主，在电网中所占比重小，不承担调峰调频的作用，电站属于低水头大流量的径流式电站，引水系统简单。对于采用轴流式水轮机的电站而言，在水力过渡过程计算中均采用了导叶分段关闭的规律，其目的是保证机组在转速上升值不超过规定值的前提下，有效地降低“抬机”的影响，一般在采用两段关闭仍不能有效避免“抬机”破坏的情况下，三段关闭会带来更好的调节品质。