水泵水轮机甩负荷工况导叶关闭规律优化

王振营，胡宗邱，李红辉

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2.中国三峡建工（集团）有限公司，成都 610042）

0 引言

抽水蓄能电站水力机组过渡过程特性对电站的经济性也有非常明显的影响，其控制参数直接决定了电站建设的经济性[1]。工程实践表明，过渡过程控制参数设计不合理将导致输水发电系统及机组过流部件产生很大的动态附加应力[2]，可能引起严重的安全事故。

在管道特性和机组特性确定后，确定合理的导叶关闭规律[3]是改善抽水蓄能电站水力过渡过程特性的最直接、有效的技术手段。下面我们结合工程实例，对水泵水轮机甩负荷工况导叶关闭规律进行优化研究。

1 电站主要参数

镇安抽水蓄能电站设有2个独立的输水发电系统，采用一管双机的水道设计方案，装设4台350 MW可逆式机组。机组主要参数如表1所示。

表1 镇安电站及机组参数

管道特性、水泵水轮机四象限等内部特性已确定的情况下，利用过渡过程仿真计算程序TRANSIENT对水轮机的甩负荷工况进行计算与分析。

2 甩负荷工况导叶关闭规律优化分析

可逆式机组在过渡过程中的关键控制参数主要受导叶关闭规律的影响[4]。在不同的关闭规律下，对控制工况计算并得出各控制参数极值及变化的情况，进而寻找出最合理的关闭规律。

2.1 甩负荷典型控制工况的选取

导叶关闭规律优化研究的第一步就是合理选出电站的主要控制工况[5]。选取的控制工况应包含机组的关键调节保证参数，如蜗壳最大压力、尾水管真空度、最大转速上升值等。对于可逆式机组来说，水泵工况一般较容易满足要求，控制工况主要发生在水轮机工况[6]。镇安抽水蓄能电站主要控制工况如表2所示。

表2 计算控制工况

2.2 机组最大转速上升率的敏感性分析

抽水蓄能电站一般水头较高，水泵水轮机的转轮进口高度小，转轮叶片包角大[7]，转轮流道在径向部分狭长，稳态飞逸转速与额定转速的比值较小，而在过渡工况（导叶拒动时）中出现的暂态飞逸转速值大于稳态飞逸转速值[8]。对于一管两机的布置型式，导叶拒动工况分为一关一拒和导叶全拒。与常规水轮发电机组不同，抽水蓄能机组暂态飞逸转速值作为发电机的设计条件，暂态最大飞逸转速值均发生在导叶一关一拒工况下。表3为镇安抽水蓄能电站JT5工况在不同关闭规律下计算的暂态飞逸转速值。

表3 JT5工况下关闭时间与最大转速上升率

由表3可以看出，导叶拒动时转速上升率很高，导叶关闭规律对拒动工况转速极值的影响不明显。当导叶紧急关闭时，由导叶关闭规律引起的压力上升和转速上升敏感性很强；当导叶一关一拒时，转速和压力之间的矛盾并不明显。

2.3 尾水管最小压力与蜗壳最大压力的平衡

相继甩负荷时尾水管最低压力是限制机组安装高程的一个重要因素[9]。针对可逆式机组，尾水管最小压力大多发生在下游死水位、水泵水轮机过流量较大时2台机组相继甩负荷工况，如JT13工况。基于水轮机工况导叶一段关闭40 s，将1#、2#机组相继甩负荷时的尾水管最低压力计算值绘制成图（1#机组为先甩负荷，2#机组为延时 甩 负荷），如图1所示。

图1 JT13工况下尾水管进口最小压力修正前后对比图

由图1可知，在JT13 工况下，两台机在间隔6 s时刻相继甩负荷，尾水管进口出现最低压力。

现对蜗壳末端最大压力工况JT11和尾水管最小压力工况JT13（6 s）进行分析计算，计算结果如表4所示。

表4 水轮机工况导叶一段直线关闭规律优化结果

从表4可知，在一段关闭规律下，导叶关闭时间对蜗壳末端压力、尾水管最低压力的影响很大。逐渐延长关闭时间，蜗壳最大压力逐渐降低，尾水管最小压力逐渐增大，有利于改善过渡过程特性；但为了减小机组在过渡工况中的停留时间，导叶关闭时间也不宜太长。若直线规律不满足，则需要采用两段折线关闭，一般采用先快后慢的关闭规律，该关闭规律下的拐点开度和等效关闭时间的选择至关重要。

下面我们基于第一段等效关闭时间8 s，第二段等效关闭时间40 s（如图2），进行拐点开度敏感性分析。拐点开度初定之后，再对第一段等效关闭时间进行敏感性分析，计算结果如图3、图4所示。说明：通过试算得出，1#机组先甩负荷、2#机组6 s后再甩负荷时，尾水管进口压力最低。

图2 不同的拐点开度对应的关闭规律

图3 压力控制工况下拐点开度敏感性

由图3结果可以看出，蜗壳末端最大压力对拐点开度的敏感性较明显[10]，拐点开度过大或过小，都将增大蜗壳压力极值。在70% 拐点开度下，对蜗壳最大压力降低有所改善；增加第一段等效关闭时间，并没有降低压力极值。由图4结果中可以得到，在相继甩负荷工况中，随着拐点开度的增大，尾水管进口最低压力降低。

通过上述对拐点开度的分析，建议选取拐点开度为70%，有利于改善过渡过程特性。水轮机工况导叶一段或两段规律都能满足大波动工况控制参数要求，但两段规律下的过渡过程品质较好。

3 结论

在过渡过程中，影响水泵水轮机甩负荷工况特性品质的最关键因素是导叶关闭规律。目前国内已运行抽水蓄能电站的水轮机工况一般为一段直线和两段折线关闭规律。两段规律下的过渡过程外特性品质较好，即在过渡过程中压力、转速、尾水管真空度能够达到较好的平衡。直线规律是导叶以单一速率进行关闭，工程实际中操作简单、易于实现，因此新建的抽水蓄能电站如果一段直线关闭规律可以满足过渡过程特性品质要求，一些业主在优先简化调速器控制流程的前提下一般选取一段直线关闭。