水輪機導葉兩段關閉規律的優化研究

張承業

（西北勘測設計研究院 陜西 西安 710065）

在電站運行中，常會遇到由于各種事故、機組突然與系統解列甩負荷的情況，此時調速器關閉導葉，機組轉速上升，引水系統會產生水擊壓力。為保證水力過渡過程中壓力升高率和機組轉速上升率都不超過允許值，有必要進行過渡過程計算。其中水輪機導葉關閉規律對上述兩個指標有很大影響。工程中常用兩段關閉規律，首先是快速關閉階段，為了抑制水擊壓力的升值；接著為慢速關閉，目的是降低機組轉速的上升。本文在此基礎上進行水輪機導葉兩段關閉的優化研究，通過計算，分析快關段的時間、開度以及總關閉時間對過渡過程的影響。這將對電站實際運行中選擇合適的導葉關閉規律起到指導意義。

1 計算案例簡介

本工程引水發電系統主要由進水口、壓力引水隧洞、調壓井、壓力管道等組成。引水隧洞為有壓洞，長2028.6m，設計引用流量154.83m3/s，隧洞的設計斷面為圓形，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌內徑為8.0m，設計流速為3.08m/s。

調壓井為阻抗式調壓井，圓型斷面，直徑18 m，阻抗孔直徑4.0m，阻抗板頂部高程1569.00m，井頂出露，井頂高程1608.00m，調壓井采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為1m。

壓力管道采用地下埋管，由上平段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段組成。主管內徑為7.0m，設計流速4.03m/s。采用鋼板混凝土襯砌，鋼板厚16mm，采用兩個“卜”型岔管與三條進廠支管相連，支管管徑為4.0m，采用鋼筋砼襯砌，厚度為1.0m，支管進入廠房與蝶閥連接。

電站廠房為岸邊式地面明廠房，廠內安裝三臺HLA551C－LJ－272混流式水輪機組，單機容量13.4MW，機組安裝高程為1545.50m。電站尾水管后直接與尾水明渠相接，尾水出口轉向下游，通過1∶4的反坡接入下游河道。

設計控制標準:

（1）蝸殼最大壓力升高率保證值：甩負荷工況蝸殼末端最大壓力水頭不大于53mH2O。

（2）機組最大轉速升高率保證值：在額定水頭、額定出力運行時甩滿負荷工況的最大轉速上升率不大于60%；

2 計算分析

本次計算采用某可視化過渡過程仿真計算程序，對上述案例進行了分析。所有計算均為額定水頭、三臺機同甩額定負荷工況（首先采用直線關閉時）。甩負荷后蝸殼最大壓力和機組最大轉速升高率均不能同時滿足設計控制指標，見表1。

表1 不同關閉時間下直線關閉計算結果

圖1 t1、t2和開度S關系示意圖

采用兩段關閉規律時，先假定蝸殼末端最大壓力水頭不大于53mH2O，最大轉速上升率不超過60%，采用不同的第一段關閉時間t1、相對開度S和第二段關閉時間t2分析其對控制指標的影響。t1、t2和拐點開度S見圖1。

圖2 關閉時間一定時拐點開度變化的計算結果

當兩段關閉時間t1、t2一定時，機組轉速上升率隨拐點開度的增加而提高。從圖中線條可以看出，機組轉速上升率基本可以分成三段，分別為拐點開度在30以下、30至50和50以上，曲線斜率逐漸變陡，轉速上升率有逐漸惡化的趨勢；蝸殼最大壓力以拐點開度13為分界，先變小后變大，且在開度為10時，蝸殼壓力極值發生時間由蝸殼快關段關閉時刻突變為完全關閉時刻。

表2 關閉規律對過渡過程的影響分析結果

在快關段的兩要素t1和關閉開度S一定時，延長第二段關閉時間t2。由計算結果可以看出，機組轉速上升率恒定不變，蝸殼最大壓力逐漸變小，且降低速度越來越慢。由表2可知，最大蝸殼壓力在關閉時間增加到一定程度后基本恒定不變，達到一個極限值。

圖4 t2、拐點一定時t1變化的計算結果

在總關閉時間、拐點開度一定時，機組轉速上升率隨快關段時間t1的增加而上升，蝸殼最大壓力在5s以前遞減，5s以后逐漸增加，在5s處為最低值。

由以上分析可知，當關閉時間一定時，蝸殼最大壓力并不是出現在直線關閉規律時，而是出現在關閉規律線下凹時。

3 結論

本文通過分析兩段關閉規律的三要素對過渡過程的影響，可以得出如下結論。

（1）機組轉速上升率取決于快關段，第一段關閉越快，機組轉速上升率越大。

（2）蝸殼最大壓力隨關閉時間加長而降低，一般出現在導葉關閉的終了時刻，但當導葉關閉時間超過一定限度后，該峰值降低速度明顯降低，收斂于一個極值，峰值出現在快關段末端。

（3）導葉關閉規律的優化應該首先是在直線關閉規律下尋找最佳的總關閉時間，然后調整第一段關閉時間和開度使機組轉速上升率控制在指標之下，最后適當延長末端關閉時間，降低蝸殼最大壓力。

（4）當關閉時間一定時蝸殼最大壓力并不是出現在直線關閉規律時，而是出現在關閉規律線下凹時。陜西水利