水輪機反水泵工況下導葉異常回開分析

徐 波，王偉川（. 長江電力股份有限公司技術研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

水輪機反水泵工況下導葉異常回開分析

徐 波1，王偉川2
（1. 長江電力股份有限公司技術研究中心，湖北 宜昌 443002；2. 湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

文章介紹800MW巨型水輪發電機組在低于最低工作水頭下進行過速試驗時，導葉在關閉過程中發生異常回開現象。通過對試驗中接力器開關腔壓力及水輪機無葉區壓力變化進行分析，認為試驗中導葉異常回開現象與機組意外進入反水泵工況有直接關系。因反水泵工況在活動導葉的入口和出口處存在大量的回流渦結構，導致導葉異常回開。當高于最低工作水頭時，異常現象消失。

最低運行水頭；導葉回開；反水泵

0 引言

反水泵工況屬于抽水蓄能電站水泵水輪機啟動過程特有的一種工況，非可逆式水輪機出現反水泵工況較為罕見。在反水泵工況下，轉輪轉動方向與水輪機工況相同，水流流動的方向與水泵工況相同。

向家壩電站安裝有8臺單機容量為800MW的混流式水輪發電機組，單機容量世界第一。向家壩電站設計運行水位為370m～380m，運行水頭范圍為86.1m～114.2m，額定水頭100m。根據水庫分期蓄水計劃安排，右岸地下電站首批機組啟動試運行試驗處于水庫初期蓄水期間，試驗水頭在正常運行范圍以下。機組在較低水頭進行過速試驗時，導葉在關閉過程中發生異常，當導葉關閉至較低開度時，關閉曲線出現停頓甚至反向回開的現象，而在機組靜水試驗中導葉關閉觃律正常。

1 現象描述及過程分析

1.1 現象描述

過速試驗時試驗水頭最低的機組異常現象最為突出，該機組試驗水頭為80.9m，機組轉速達到過速動作值時，通過動作緊急停機電磁閥關機，導葉在關閉過程中出現關閉觃律異常，導葉關閉到17.71%左右的接力器行程，導葉出現反向回開現象，接力器行程回開至25.58%左右時調頭回關，直至導葉全關。而在整個動作過程中，主配一直在關位，緊急停機電磁閥投入狀態未發生改變。機組過速緊停關機過程曲線如圖1所示。

1.2 接力器受力分析

接力器在工作過程中受力示意圖如圖2所示。根據物體受力及運動原理，從示意圖可知，在接力器靜止或者勻速運動過程中存在的水平受力關系 Fc+F水力=Fo（忽略機械阻力），一旦該平衡關系受到破壞，接力器將會進行加速或減速運動，從而改變運動狀態。根據試驗觀測，在整個關閉過程中，導葉始終具有自關趨勢，F水力中的自關作用成分始終朝關的方向。

圖1 機組過速緊停關機過程曲線

圖2 接力器受力示意圖

根據以上觀點，對該機組在過速過程中接力器受力情況進行分解剖析，將機組過速緊停關機曲線（如圖1所示）分成若干區域：

T1——開始增速點；

T2——投緊停關機點；

T3——關閉觃律第一拐點；

T4——接力器開腔壓力最低點；

T5——關腔壓力最大點；

T6——導葉回開最大開度；

T7——關閉觃律第二拐點。

（1）在0~T2時間段，機組從額定轉速開始增速，Fo－F水力>Fc，接力器在兩腔壓差及水力作用下，向開的方向運動；

（2）在T2~T3時間段，由于在T2時刻投入調速器緊急停機電磁閥，接力器關腔通壓力油，開腔通回油，此時Fc+F水力=Fo，接力器以第一段關閉速率勻速關閉；在T3時刻，接力器關閉到第一拐點（60%），分段關閉裝置對開腔回油節流，導葉關閉速率降低到第二速率，此時Fo、Fc同時增大；

（3）在T3~T4時間段內，特別是在其中Tn－T4時間段，接力器關閉速率逐步變小，開腔壓力油Fo（與回油箱連通）快速變小（最小4bar），關腔壓力油Fc（與壓力油罐油源連通）卻逐步變大，可基本推斷在此期間，流道水力因素發生了改變，F水力發生轉向，對接力器產生開方向的作用，且其作用強度逐步加大，使接力器產生朝開方向的加速度；

（4）在T4~T6時間段，F水力增強到推動接力器反向朝開運動，接力器關腔油開始向壓力油罐倒流。在T5時刻，F水力對接力器朝開方向的作用力達到最大，此時關腔油的壓強亦達到最大值64.54bar，壓油罐的壓力由5.8MPa升高至6.1MPa；

（5）在T6~T7時間段，F水力對接力器的作用逐步減弱幵回復正常，其對接力器的作用方向亦逐步由開啟的方向朝關閉的方向轉變，在關腔壓力油的作用下，接力器從T6時刻轉而向關閉方向運動，Fo逐步回復正常。

1.3 過速過程水壓分析

圖3為機組過速過程中無葉區壓力與轉速的關系曲線。從圖3可見，在通過緊停進行關機過程中，當轉速從最高點開始下降時，無葉區壓力也開始下降，當下降到278kPa時，開始迅速抬升，最高升至363kPa。據此可推斷在導葉關閉后期，在活動導葉與轉輪進口之間區域產生了85kPa的水壓抬升效應。

圖3 機組過速緊停關機過程水壓曲線

1.4 綜合分析

由接力器開、關腔壓力的變化以及無葉區水壓變化的分析來看，過速停機過程中，導葉發生小幅度回開時，接力器受到了朝開方向的巨大水力作用力。根據該型水輪機模型設計來看，在這個時間段活動導葉與轉輪之間的水力情況發生了異常變化，水輪機進入反水泵工況。

2 反水泵工況

在不同水頭下，機組在過速試驗過程中發生導葉關閉異常的情況也有所不同，見表1。

表1 多臺機組過速情況對照表

從表1可以看出，過速過程出現導葉關閉異常的程度與試驗水頭有著直接關系。隨著試驗水頭逐步提高，導葉關閉異常程度逐步減輕直至完全消失。為了深入了解這種現象，在實驗臺上重裝模型來研究反水泵問題。通過試驗得出如下結論（如圖4所示）：

（1）反水泵工況出現在導葉開度2°，n11=82r/min；

（2）正常運行的最大n11=73r/min，因此該現象不會出現在正常運行范圍內，也不會出現在飛逸工況；

（3）最大的泵作用力出現在導葉開度5°~8°之間。

圖4 反水泵工況與n11的關系

以上的試驗結果和真機實驗結果相符，只有凈水頭低于82.5m的過速試驗時才會出現導葉反開現象。反開時可能會導致導葉保護裝置動作（當保護裝置的剪斷力矩小于接力器操作力產生的力矩時）。

3 結論

通過本文分析，向家壩電站部分機組在進行過速試驗時出現導葉關閉觃律異常與反水泵工況有直接關系。隨著試驗水頭的逐步增大，該現象也隨之減緩直至消失，說明機組在低于設計運行水頭情況下才會出現反水泵工況。隨著向家壩電站二期蓄水到370m～380m水位，機組的運行水頭不會再出現首批機組調試試運行時的低水頭試驗工況，因此導葉關閉異常情況沒有再出現。通過向家壩電站導葉反開現象研究，使我們對大型機組的水力特性有了新的認識，在以后的水力研發及試驗階段應該關注反水泵現象，避免其對機組試驗及運行產生不良影響。

[1] 常近時. 水力機械過渡過程[M]. 北京: 機械工業出版社, 1991.

[2] 劉大凱. 水輪機（第三版）[M]. 北京：中國水利水電出版社, 1997.

[3] 李彬. 水泵水輪機反水泵工況的特性研究[J]. 科技風, 2012(14): 155-156.

徐波（1977-），2005年7月畢業于華中科技大學能源動力系動力機械及工程專業，獲得工學碩士學歷，現從事水電站機械設備性能診斷測試工作，高級工程師。

審稿人：樸秀日

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