小型水電站水輪機導葉關閉規(guī)律選擇

小型水電站水輪機導葉關閉規(guī)律選擇0工程概述猴場水電站工程位于貴州省水城縣猴場鄉(xiāng)境內，距猴場鄉(xiāng)13km,在月亮河下游河段，尾水與貴州省己建的光照水電站水庫回水區(qū)銜接。猴場水電站為引水式電站，壩高18.5m，總庫容71萬m3，主要任務是發(fā)電。電站裝有三臺3.2MW混流臥式水輪發(fā)電機組，最大水頭64.33m，最小水頭59.00m，額定水頭60.00m。在設備招采購標階段應業(yè)主的要求，水輪發(fā)電機組能超10%出力運行。1機組GD2和導葉關閉規(guī)律關系水輪發(fā)電機組GD2是其轉動部分的重量與慣性直徑平方的乘積，是水電站設計中重要的機組參數(shù)之一，隨著設計技術的進步和材料工藝提高，GD2有減小的趨勢，GD2的減小，可減輕機組重量，降低機組設備成本。但是從引水發(fā)電系統(tǒng)調節(jié)保證計算來看，增加GD2有利于優(yōu)化引水系統(tǒng)洞徑，節(jié)省工程投資。進行導葉關閉規(guī)律優(yōu)化計算，優(yōu)選導葉分段關閉時間和關閉拐點，利用合理的GD2取值能有效解決有壓輸水系統(tǒng)水流慣性、機組慣性力矩和調整性能三者之間的關系，使水擊壓力和機組轉速上升值均在安全解決合理的范圍內。導葉關閉規(guī)律計算中，在轉速上升率接近設計標準值時，導葉若采用直線關閉規(guī)律，通常需要機組具有較大的GD2；導葉若采用合理的分段關閉規(guī)律，需要機組的GD2相對較小。2直線關閉規(guī)律的過渡過程計算猴場水電站在初步設計階段，由于業(yè)主未提及機組超出力的要求，所以在進行水力過渡過程分析計算時，只考慮單臺機組的額定出力工況，也是機組的最大出力。在初步設計階段機組GD2一般是電站由調節(jié)保證計算來確定，但機組GD2也有一個范圍，為了確保調節(jié)保證計算確定的GD2的合理性，根據(jù)設計手冊的經(jīng)驗公式［1］，初步計算GD2為11.8t.m2。通過導葉關閉規(guī)律的分析計算，機組在額定出力下，導采用葉直線關閉規(guī)律調能夠滿足調保計算參數(shù)的設計規(guī)范要求。計算成果見表1.表1導葉直線關閉規(guī)律計算成果表注：按額定水頭時兩臺機組正常運行時甩全部負荷進行計算根據(jù)猴場水電站的特點，調節(jié)保證計算參數(shù)設計標準值為轉速上升率55%，最大蝸殼壓力95.0m水柱，尾水管內的最大真空度8m水柱。通過導葉直線關閉規(guī)律計算可知；隨著導葉關閉時間的增大，機組甩負荷后轉速上升率相應的增大，蝸殼進口壓力逐步降低。當導葉關閉時間為5s時，轉速上升率1#機組為55.50%、2#機組為54.87%、3#機組為55.57%，甩負荷后機組轉速上升率接近或稍超出調節(jié)保證計算參數(shù)設計標準值的55%，當導葉關閉時間為3s、4s時均能滿足，但取4s較好。所以初步設計階段導葉關閉規(guī)律采用直線關閉，GD2選取為11.8t.m2，關閉時間為4s,甩負荷后機組最大轉速上升率為51.85%，最大蝸殼進口壓力為79.32m，尾水管真空壓力4.87m，均在設計標準值范圍內。在招標階段業(yè)主提出猴場水電站水輪發(fā)電機組應具有超出力10%負荷的能力。根據(jù)業(yè)主的要求重新進行調節(jié)保證計算的復核，計算工況：三臺機組在額定水頭下甩110%額定負荷。復核結果見表2表2復核調保計算參數(shù)通過復核計算成果可知，蝸殼進口最大壓力上升值和尾水管進口壓力真空度均比額定工況后有所增加，都在設計標準值范圍內，但最大轉速上升率已經(jīng)遠遠的超過設計標準值55%的要求。所以在機組超出力10%負荷時調節(jié)保證計算參數(shù)不能滿足要求，必須采用有效技術措施。一般采取措施有三種：1、加大壓力鋼管直徑。勢必增大投資。2、增加機組GD2。通過與廠家溝通討論，由于機組額定轉速較高，機組的GD2最大只能到達12t.m2,比初步設計采用的GD2增加不多，對有效的抑制機組轉速上升效果不大。3、優(yōu)化導葉關閉規(guī)律。只有采用分段關閉，優(yōu)化導葉關閉規(guī)律，選取合理的分段關閉規(guī)律，以達到機組超出力運行時調保計算參數(shù)滿足設計規(guī)范要求。3導葉關閉規(guī)律優(yōu)化在機組甩負荷時，為控制蝸殼進口壓力上升，導葉關閉速度不宜太快；為控制機組轉速上升，導葉關閉速度不宜太慢；為了協(xié)調機組最大轉速上升和蝸殼進口壓力上升的矛盾，可采用分段關閉（兩段或三段關閉）。三段關閉規(guī)律對緩解轉速上升和壓力上升的矛盾優(yōu)于兩段關閉規(guī)律，但三段關閉規(guī)律實現(xiàn)方法比較復雜，一般在進行調保分析計算時兩段關閉規(guī)律能滿足工程要求時，不再進行三段關閉規(guī)律的論證，且實際采用兩段關閉規(guī)律的水電站較多，技術較為成熟。3.1導葉分段關閉規(guī)律優(yōu)化計算對猴場水電站機組進行導葉分段關閉規(guī)律優(yōu)化計算，選擇合適關閉時間和關閉的拐點位置。優(yōu)化計算結果見表3表3導葉分段關閉規(guī)律優(yōu)化注：tk1為第一段關閉時間，tk2為第二段關閉時間，y1為拐點位置。以上計算按照額定水頭下機組甩110%負荷時。通過以上計算可知，隨著關閉拐點位置逐漸增大，機組最大轉速上升增大，對應計算工況的蝸殼進口最大壓力則逐漸下降；K2工況蝸殼進口最大壓力比K1下降1.94m，K3工況蝸殼進口最大壓力比K2下降2.13m，K4工況蝸殼進口最大壓力比K3下降1.68m；K2工況機組最大轉速上升率比K1增加1.97%，K3工況機組最大轉速上升率比K2增加0.43%，K4工況機組最大轉速上升率比K3增加1.4%；當拐點位置為0.45時機組最大轉速和蝸殼進口最大壓力出現(xiàn)折點（以1#機組的計算成果作為分析數(shù)據(jù)）；所以選擇拐點位置為0.45。通過對不同第二段關閉時間tk2（5s，6s，7s）進行計算，發(fā)現(xiàn)蝸殼進口壓力變化較小，而轉速的變化相比較大一點，所以選擇第二段關閉時間為5s。由于第一段關閉時間tk1采用3s時，不管第二段關閉時間tk2和拐點位置y1如何調整，機組轉速上升值都遠遠超過設計標準值，在此不再進行第一段關閉時間的論證。所以選擇第一段關閉時間tk1為2、，第二段關閉時間tk2為5s和拐點位置y1為0.45。3.2分段關閉規(guī)律調節(jié)保證計算用以上導葉分段關閉規(guī)律優(yōu)化計算成果，進行不同工況的調節(jié)保證計算，驗證導葉分段關閉規(guī)律優(yōu)化計算成果的合理性。計算工況如：D1：水頭為64.0m時，一臺機組額定負荷運行時甩全部負荷,另外兩臺機組停機；D2:水頭為60.0m時，三臺機組110%額定負荷運行時甩全部負荷；D3:水頭為62.2m時，三臺機組110%額定負荷運行時甩全部負荷；D6:水頭為64.1m時，一臺機組110%額定負荷運行時甩全部負荷；另外兩臺機組停機。計算結果見表4表4分段關閉規(guī)律過渡過程計算(tk1=2stk2=5sy1=0.45)工況D1為額定工況下甩全部負荷，蝸殼進口壓力均在90.0m以下，機組轉速上升都不到44%。工況D2~D3為110%額定出力下甩全部負荷，最大蝸殼進口壓力值出現(xiàn)在D3工況為93.29m，機組轉速上升出現(xiàn)在D2工況為51.6%，但以上計算成果均設計標準值范圍內，在機組超負荷110%情況下甩全部負荷是調節(jié)保證計算都滿足設計規(guī)范要求。4結論通過以上計算可知：.在水電站初步設計階段設計人員要仔細計算水輪發(fā)電機組的GD2，以免到設備采購階段與設備廠家提供的GD2偏差較大，影響水電站的調節(jié)保證計算的計算成果，從而影響到水電站引水系統(tǒng)設計；.在水電站前期設計階段業(yè)主是否提出對本電站機組有超出力的要求，以方便設計人員進行電站設計時提前考慮，以免進入設計后期增加不必要的麻煩；.當電站進入設備采購和施工圖設計階段時，設備廠家提供設備的GD2不能滿足水電站