徐 波，王偉川（. 長(zhǎng)江電力股份有限公司技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

水輪機(jī)反水泵工況下導(dǎo)葉異?；亻_分析

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

文章介紹800MW巨型水輪發(fā)電機(jī)組在低于最低工作水頭下進(jìn)行過速試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中發(fā)生異常回開現(xiàn)象。通過對(duì)試驗(yàn)中接力器開關(guān)腔壓力及水輪機(jī)無葉區(qū)壓力變化進(jìn)行分析，認(rèn)為試驗(yàn)中導(dǎo)葉異常回開現(xiàn)象與機(jī)組意外進(jìn)入反水泵工況有直接關(guān)系。因反水泵工況在活動(dòng)導(dǎo)葉的入口和出口處存在大量的回流渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致導(dǎo)葉異?；亻_。當(dāng)高于最低工作水頭時(shí)，異常現(xiàn)象消失。

最低運(yùn)行水頭；導(dǎo)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(jī)啟動(dòng)過程特有的一種工況，非可逆式水輪機(jī)出現(xiàn)反水泵工況較為罕見。在反水泵工況下，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與水輪機(jī)工況相同，水流流動(dòng)的方向與水泵工況相同。

向家壩電站安裝有8臺(tái)單機(jī)容量為800MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量世界第一。向家壩電站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為370m～380m，運(yùn)行水頭范圍為86.1m～114.2m，額定水頭100m。根據(jù)水庫(kù)分期蓄水計(jì)劃安排，右岸地下電站首批機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行試驗(yàn)處于水庫(kù)初期蓄水期間，試驗(yàn)水頭在正常運(yùn)行范圍以下。機(jī)組在較低水頭進(jìn)行過速試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中發(fā)生異常，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉至較低開度時(shí)，關(guān)閉曲線出現(xiàn)停頓甚至反向回開的現(xiàn)象，而在機(jī)組靜水試驗(yàn)中導(dǎo)葉關(guān)閉觃律正常。

1 現(xiàn)象描述及過程分析

1.1 現(xiàn)象描述

過速試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)水頭最低的機(jī)組異?，F(xiàn)象最為突出，該機(jī)組試驗(yàn)水頭為80.9m，機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到過速動(dòng)作值時(shí)，通過動(dòng)作緊急停機(jī)電磁閥關(guān)機(jī)，導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中出現(xiàn)關(guān)閉觃律異常，導(dǎo)葉關(guān)閉到17.71%左右的接力器行程，導(dǎo)葉出現(xiàn)反向回開現(xiàn)象，接力器行程回開至25.58%左右時(shí)調(diào)頭回關(guān)，直至導(dǎo)葉全關(guān)。而在整個(gè)動(dòng)作過程中，主配一直在關(guān)位，緊急停機(jī)電磁閥投入狀態(tài)未發(fā)生改變。機(jī)組過速緊停關(guān)機(jī)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(jù)物體受力及運(yùn)動(dòng)原理，從示意圖可知，在接力器靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)過程中存在的水平受力關(guān)系 Fc+F水力=Fo（忽略機(jī)械阻力），一旦該平衡關(guān)系受到破壞，接力器將會(huì)進(jìn)行加速或減速運(yùn)動(dòng)，從而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，在整個(gè)關(guān)閉過程中，導(dǎo)葉始終具有自關(guān)趨勢(shì)，F(xiàn)水力中的自關(guān)作用成分始終朝關(guān)的方向。

圖1 機(jī)組過速緊停關(guān)機(jī)過程曲線

圖2 接力器受力示意圖

根據(jù)以上觀點(diǎn)，對(duì)該機(jī)組在過速過程中接力器受力情況進(jìn)行分解剖析，將機(jī)組過速緊停關(guān)機(jī)曲線（如圖1所示）分成若干區(qū)域：

T1——開始增速點(diǎn)；

T2——投緊停關(guān)機(jī)點(diǎn)；

T3——關(guān)閉觃律第一拐點(diǎn)；

T4——接力器開腔壓力最低點(diǎn)；

T5——關(guān)腔壓力最大點(diǎn)；

T6——導(dǎo)葉回開最大開度；

T7——關(guān)閉觃律第二拐點(diǎn)。

（1）在0~T2時(shí)間段，機(jī)組從額定轉(zhuǎn)速開始增速，F(xiàn)o－F水力>Fc，接力器在兩腔壓差及水力作用下，向開的方向運(yùn)動(dòng)；

（2）在T2~T3時(shí)間段，由于在T2時(shí)刻投入調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥，接力器關(guān)腔通壓力油，開腔通回油，此時(shí)Fc+F水力=Fo，接力器以第一段關(guān)閉速率勻速關(guān)閉；在T3時(shí)刻，接力器關(guān)閉到第一拐點(diǎn)（60%），分段關(guān)閉裝置對(duì)開腔回油節(jié)流，導(dǎo)葉關(guān)閉速率降低到第二速率，此時(shí)Fo、Fc同時(shí)增大；

（3）在T3~T4時(shí)間段內(nèi)，特別是在其中Tn－T4時(shí)間段，接力器關(guān)閉速率逐步變小，開腔壓力油Fo（與回油箱連通）快速變?。ㄗ钚?bar），關(guān)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(fā)生了改變，F(xiàn)水力發(fā)生轉(zhuǎn)向，對(duì)接力器產(chǎn)生開方向的作用，且其作用強(qiáng)度逐步加大，使接力器產(chǎn)生朝開方向的加速度；

（4）在T4~T6時(shí)間段，F(xiàn)水力增強(qiáng)到推動(dòng)接力器反向朝開運(yùn)動(dòng)，接力器關(guān)腔油開始向壓力油罐倒流。在T5時(shí)刻，F(xiàn)水力對(duì)接力器朝開方向的作用力達(dá)到最大，此時(shí)關(guān)腔油的壓強(qiáng)亦達(dá)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(shí)間段，F(xiàn)水力對(duì)接力器的作用逐步減弱幵回復(fù)正常，其對(duì)接力器的作用方向亦逐步由開啟的方向朝關(guān)閉的方向轉(zhuǎn)變，在關(guān)腔壓力油的作用下，接力器從T6時(shí)刻轉(zhuǎn)而向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)o逐步回復(fù)正常。

1.3 過速過程水壓分析

圖3為機(jī)組過速過程中無葉區(qū)壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。從圖3可見，在通過緊停進(jìn)行關(guān)機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)淖罡唿c(diǎn)開始下降時(shí)，無葉區(qū)壓力也開始下降，當(dāng)下降到278kPa時(shí)，開始迅速抬升，最高升至363kPa。據(jù)此可推斷在導(dǎo)葉關(guān)閉后期，在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口之間區(qū)域產(chǎn)生了85kPa的水壓抬升效應(yīng)。

圖3 機(jī)組過速緊停關(guān)機(jī)過程水壓曲線

1.4 綜合分析

由接力器開、關(guān)腔壓力的變化以及無葉區(qū)水壓變化的分析來看，過速停機(jī)過程中，導(dǎo)葉發(fā)生小幅度回開時(shí)，接力器受到了朝開方向的巨大水力作用力。根據(jù)該型水輪機(jī)模型設(shè)計(jì)來看，在這個(gè)時(shí)間段活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的水力情況發(fā)生了異常變化，水輪機(jī)進(jìn)入反水泵工況。

2 反水泵工況

在不同水頭下，機(jī)組在過速試驗(yàn)過程中發(fā)生導(dǎo)葉關(guān)閉異常的情況也有所不同，見表1。

表1 多臺(tái)機(jī)組過速情況對(duì)照表

從表1可以看出，過速過程出現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉異常的程度與試驗(yàn)水頭有著直接關(guān)系。隨著試驗(yàn)水頭逐步提高，導(dǎo)葉關(guān)閉異常程度逐步減輕直至完全消失。為了深入了解這種現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上重裝模型來研究反水泵問題。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論（如圖4所示）：

（1）反水泵工況出現(xiàn)在導(dǎo)葉開度2°，n11=82r/min；

（2）正常運(yùn)行的最大n11=73r/min，因此該現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，也不會(huì)出現(xiàn)在飛逸工況；

（3）最大的泵作用力出現(xiàn)在導(dǎo)葉開度5°~8°之間。

圖4 反水泵工況與n11的關(guān)系

以上的試驗(yàn)結(jié)果和真機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，只有凈水頭低于82.5m的過速試驗(yàn)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉反開現(xiàn)象。反開時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉保護(hù)裝置動(dòng)作（當(dāng)保護(hù)裝置的剪斷力矩小于接力器操作力產(chǎn)生的力矩時(shí)）。

3 結(jié)論

通過本文分析，向家壩電站部分機(jī)組在進(jìn)行過速試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉觃律異常與反水泵工況有直接關(guān)系。隨著試驗(yàn)水頭的逐步增大，該現(xiàn)象也隨之減緩直至消失，說明機(jī)組在低于設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭情況下才會(huì)出現(xiàn)反水泵工況。隨著向家壩電站二期蓄水到370m～380m水位，機(jī)組的運(yùn)行水頭不會(huì)再出現(xiàn)首批機(jī)組調(diào)試試運(yùn)行時(shí)的低水頭試驗(yàn)工況，因此導(dǎo)葉關(guān)閉異常情況沒有再出現(xiàn)。通過向家壩電站導(dǎo)葉反開現(xiàn)象研究，使我們對(duì)大型機(jī)組的水力特性有了新的認(rèn)識(shí)，在以后的水力研發(fā)及試驗(yàn)階段應(yīng)該關(guān)注反水泵現(xiàn)象，避免其對(duì)機(jī)組試驗(yàn)及運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

[1] 常近時(shí). 水力機(jī)械過渡過程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.

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

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

徐波（1977-），2005年7月畢業(yè)于華中科技大學(xué)能源動(dòng)力系動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，獲得工學(xué)碩士學(xué)歷，現(xiàn)從事水電站機(jī)械設(shè)備性能診斷測(cè)試工作，高級(jí)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