高比轉(zhuǎn)速機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和尾水管壓力控制

高比轉(zhuǎn)速機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和尾水管壓力控制

在事故的激勵(lì)下，隨著電機(jī)的快速關(guān)閉，活動(dòng)泵的上游側(cè)壓力管道的壓力上升，以及電機(jī)下游側(cè)壁管道的壓力下降。因其相對(duì)單位流量高,背壓低,高比轉(zhuǎn)速機(jī)組(尤其是轉(zhuǎn)槳式和定槳式水輪機(jī))尾水管內(nèi)壓力下降很難控制,故會(huì)引起尾水管內(nèi)水體脫流,以及在水流逆向流動(dòng)時(shí)脫流的水體又會(huì)集聚。水體集聚產(chǎn)生的力相當(dāng)大,會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)頂蓋破裂并毀壞推力軸承和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。常規(guī)的尾水管脫流控制是通過(guò)一個(gè)機(jī)組下游尾水位選擇由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高相適配的導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間。在尾水管脫流不可能通過(guò)這些方法來(lái)控制的場(chǎng)合,那時(shí),在設(shè)計(jì)中考慮頂蓋的真空破壞閥在設(shè)定的真空壓力下開(kāi)啟。然而,試驗(yàn)表明真空破壞閥并不總是有效,因而更多地將其作為防止尾水管脫流的后備措施。因此,與由水輪機(jī)裝置高程產(chǎn)生的背壓相關(guān)的導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間應(yīng)足夠慢以保證不會(huì)發(fā)生尾水管水體脫流。然而,在對(duì)現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)或擴(kuò)大其運(yùn)行范圍時(shí),水輪發(fā)電機(jī)組的出力及其以前能防止尾水管脫流的設(shè)計(jì),在修改后可能不再可靠。因此,對(duì)修改后的水輪機(jī)確保不發(fā)生或能控制尾水管脫流的數(shù)學(xué)模型則是水輪機(jī)改進(jìn)過(guò)程中理論上需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。1延長(zhǎng)導(dǎo)葉關(guān)閉試驗(yàn)1957年安裝在Hume水電站的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的出力在27m凈水頭以上一直被限制在25MW,在投入運(yùn)行時(shí),尾水管脫流要遵守額定的水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速。在1961年,大壩溢洪道安裝壩頂閘門后,使最大凈水頭增加7.5m。在1982年和1987年發(fā)電機(jī)定子以F級(jí)絕緣變繞,則發(fā)電機(jī)額定容量由27.5MVA提高到33.3MVA。因此,如果水輪機(jī)空蝕和機(jī)組振動(dòng)容許,則在較高水頭下相當(dāng)大地增加機(jī)組出力。因此,在1994年決定著手理論研究并進(jìn)行試驗(yàn),以觀察以前由尾水管脫流施工的限制是否會(huì)擴(kuò)大。合同規(guī)定的甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升比發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的非協(xié)聯(lián)飛逸工況低得多。因此,基本思路是延長(zhǎng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間,并允許稍稍提高轉(zhuǎn)速上升,以確保機(jī)組在較高出力時(shí)不發(fā)生脫流。進(jìn)行了延長(zhǎng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)。壓力傳感器布置在尾水管進(jìn)口,此處面積大于轉(zhuǎn)輪處的面積,并與轉(zhuǎn)輪之間有一高差。通過(guò)數(shù)據(jù)修正公式得到對(duì)這兩個(gè)因數(shù)的調(diào)整結(jié)果。尾水管壓力軌跡表示下列特性:(1)大約在導(dǎo)葉快速關(guān)閉開(kāi)始后的1.5s,尾水管壓力達(dá)到最低,然后緩慢恢復(fù)。(2)出力大約在27MW以下,最低壓力的變化過(guò)程平滑。出力在27MW以上,其軌跡表明尾水管內(nèi)出現(xiàn)脫流,接著在強(qiáng)沖擊壓力下水體又聚合。(3)出力在29MW,水體聚合壓力相當(dāng)大。事實(shí)上,在試驗(yàn)期間(以及1957年的初期試驗(yàn)運(yùn)行)水體聚合對(duì)頂蓋的猛烈撞擊會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)行和試驗(yàn)人員工作。(4)即使在沒(méi)有水體脫流和聚合的情況下,在導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時(shí)尾水管出現(xiàn)明顯的壓力脈動(dòng)。在轉(zhuǎn)速上升情況下脈動(dòng)更為劇烈。(5)轉(zhuǎn)速上升情況下尾水管壓力下降小于轉(zhuǎn)速不上升情況,尾水管發(fā)生脫流時(shí)的壓力約為-6m水柱(mwc)。在軌跡中顯示出的尾水管最低壓力為-6mwc與早先給出的尾水管脫流狀態(tài)下其壓力為-5～-6mwc相一致。對(duì)于25MWEPB和27MWCB試驗(yàn)的每一變量的百分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。頂蓋壓力軌跡表明在最低尾水管壓力時(shí)的頂蓋下部壓力高于大氣壓,因此,此時(shí)真空破壞閥不打開(kāi)。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)真空破壞閥的監(jiān)測(cè)證明,在導(dǎo)葉基本關(guān)閉時(shí)的過(guò)渡過(guò)程最后才打開(kāi)。這與有關(guān)參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)軌跡相一致,其試驗(yàn)也證明。在事故關(guān)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程中氣閥對(duì)減輕初期尾水管負(fù)壓不起作用。不過(guò),在轉(zhuǎn)輪室排水時(shí),如果在導(dǎo)葉關(guān)閉行程末端尾水管內(nèi)發(fā)生脫流,氣閥能有效地充氣形成空氣墊層的作用。2使用的數(shù)學(xué)模型2.1計(jì)算機(jī)分析條件雖然水流變化的一般性考慮對(duì)確定過(guò)渡過(guò)程中尾水管的壓力有用,但對(duì)于空氣閥尺寸的確定,則必須進(jìn)行全計(jì)算機(jī)分析,尤其是初期負(fù)壓情況。分段當(dāng)量管長(zhǎng)模擬壓力鋼管、蝸殼和尾水管,而摩擦采用達(dá)西公式模擬。尾水管效率由Gubin獲得,對(duì)于每一條件稍作修改以保證初期尾水管壓力與實(shí)測(cè)值相同。對(duì)于轉(zhuǎn)速上升情況的發(fā)電機(jī)慣量可從原來(lái)的技術(shù)規(guī)范中知道,可通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛和磁極配置幾何形狀來(lái)復(fù)核。2.2機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)速曲線雖然合同規(guī)定的效率和空蝕試驗(yàn)在20世紀(jì)50年代就已開(kāi)始,但可用于建立完整的機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)矩特性的成果太少,幸好在70年代采用流速儀等進(jìn)行了完整的現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn),獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)足以形成標(biāo)準(zhǔn)的特性曲線。因此而獲得的機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)矩曲線見(jiàn)圖1和圖2,以及與有限的效率試驗(yàn)得到的圖3,圖4相比較的結(jié)果。圖中“BV”與轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片位置相關(guān),對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片位置都有單獨(dú)的機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)矩曲線。在事故停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)輪葉片在60s內(nèi)由BV=12.5″轉(zhuǎn)至全關(guān)位置。因此,對(duì)于導(dǎo)葉全關(guān)閉時(shí)間為10s左右時(shí),只需要BV=6.5″和BV=4.5″的模型機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)矩曲線,對(duì)于兩個(gè)BV之間每一時(shí)段進(jìn)行線性插值或外推。使用的曲線比較及效率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖中可看出曲線與試驗(yàn)結(jié)果兩者具有較好的一致性,這說(shuō)明使用這些曲線在進(jìn)行效率的數(shù)學(xué)分析方面具有相當(dāng)好的可信度。同時(shí),應(yīng)充分認(rèn)識(shí)在模擬過(guò)渡過(guò)程中由靜態(tài)獲得的機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和轉(zhuǎn)矩曲線具有局限性。有幾派意見(jiàn)認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程中的有效特性與從靜態(tài)測(cè)試獲得的特性有區(qū)別,而且,特性中的空蝕作用沒(méi)有模擬。對(duì)于任何約定的水頭,在較高出力時(shí)尾水管壓力下降過(guò)程中,隨著流量和轉(zhuǎn)矩下降水輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的空蝕。事實(shí)上,轉(zhuǎn)輪下部脫流本身可以被看成是極限空蝕。3mw參與尾收縮壓試驗(yàn)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果曲線見(jiàn)圖5至8,由圖5至6是用EPB關(guān)機(jī)(無(wú)轉(zhuǎn)速上升),曲線7至8是用CB關(guān)機(jī)(有轉(zhuǎn)速上升)。由圖可得到如下結(jié)果:(1)對(duì)于25MWEPB試驗(yàn)(以及對(duì)24MWEPB試驗(yàn),未示出),計(jì)算得出的尾水管和時(shí)間曲線的總體形狀與實(shí)測(cè)值相似。在初期壓力下降隨后又恢復(fù)。最低壓力值基本相同。(2)對(duì)于27MWCB試驗(yàn),雖然尾水管最低壓力基本相等,但曲線形狀明顯不同。試驗(yàn)曲線軌跡清楚表明,對(duì)于27MWCB試驗(yàn)尾水管已經(jīng)出現(xiàn)一定程度脫流和水流聚合,因而空蝕嚴(yán)重。因此數(shù)學(xué)模型開(kāi)始偏離實(shí)際。(3)對(duì)于27MWCB情況甩負(fù)荷最大轉(zhuǎn)速上升計(jì)算值為216.7min。由于該考慮空蝕對(duì)功率的影響,所以與實(shí)測(cè)值213min相比具有良好的一致性。(4)最大壓力鋼管壓力計(jì)算值是在試驗(yàn)值的5%以內(nèi),這與理論模型中的假設(shè)也具有良好的一致性。(5)從試驗(yàn)結(jié)果中觀察到在導(dǎo)葉關(guān)閉末端尾水管內(nèi)壓力不穩(wěn)定性是計(jì)算結(jié)果的重現(xiàn)。也許這是由壓力鋼管共振現(xiàn)象引起,在這一點(diǎn)水輪機(jī)特性呈現(xiàn)出壓力鋼管彈性水體負(fù)壓水流特性。圖9是尾水管最低壓力的實(shí)測(cè)和計(jì)算值與水輪機(jī)出力的關(guān)系曲線。圖中比例是尾水管測(cè)壓點(diǎn)換算到轉(zhuǎn)輪中心線的水柱,兩條曲線在出力27MW以下相當(dāng)吻合。在27MW出力以上,模型給出的尾水管最小壓力高于實(shí)測(cè)值,隨著出力的增加其差值增大。在較高出力時(shí)的差值多半是由于嚴(yán)重的空蝕和水體分離引起,而模型并未考慮此因素。雖然總的結(jié)果令人鼓舞,但也需予以重現(xiàn)。從試驗(yàn)結(jié)果中可明顯看出,低于1MW意味著水體脫流和非脫流的差別,此處具有回聚力作用在頂蓋、轉(zhuǎn)輪和推力軸承上的潛在危險(xiǎn)。對(duì)于27MWCB甩負(fù)荷,圖9中所示的是一個(gè)點(diǎn),在此點(diǎn)在導(dǎo)葉關(guān)閉之前,水輪機(jī)可加速3s。這相當(dāng)于調(diào)速器故障狀態(tài),水輪機(jī)完全由電氣的或機(jī)械的過(guò)速傳感器關(guān)機(jī)。這種情況適合于導(dǎo)葉慢速關(guān)閉或采用的過(guò)速保護(hù)百分之百的可靠,而且設(shè)定值很低。4尾鹽水脫流和非脫流此次研究的主要結(jié)論概括如下:(1)在模型試驗(yàn)中,在由水輪機(jī)導(dǎo)葉事故關(guān)閉而產(chǎn)生的最小尾水管壓力方面獲得一些成功。對(duì)發(fā)生嚴(yán)重的空蝕和初生水體脫流來(lái)考慮時(shí),出力的試驗(yàn)結(jié)果特別令人鼓舞。(2)理論和試驗(yàn)結(jié)果表明水體脫流現(xiàn)象對(duì)出力尤其對(duì)水輪機(jī)流量非常敏感,試驗(yàn)結(jié)果表明出力增加5%能夠區(qū)分水體脫流和非脫流,而且脫流時(shí)具有水體產(chǎn)生回聚力的潛在危險(xiǎn)。因此,雖然計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于尾水管水體脫流可以給出傾向性指示,但仍需同時(shí)進(jìn)行仔細(xì)循序漸進(jìn)的試驗(yàn)。(3)轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí),必須考慮尾水管水體脫流。水體脫流和非脫流狀態(tài)的邊界非常小,而且機(jī)組可能無(wú)意中處于風(fēng)險(xiǎn)狀況下運(yùn)行,這不僅來(lái)自于可能造成災(zāi)難的水體回聚,而且由于水體對(duì)水輪機(jī)部件的經(jīng)常沖擊和潛在的疲勞問(wèn)題。(4)對(duì)老機(jī)組尾水管不穩(wěn)定模型試驗(yàn)中主要問(wèn)題之一是獲得可靠的水輪機(jī)特性。所幸,對(duì)于研究中的水輪機(jī),可做現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)。否則,