小型水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)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(nèi)，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(wù)是發(fā)電。電站裝有三臺3.2MW混流臥式水輪發(fā)電機(jī)組，最大水頭64.33m，最小水頭59.00m，額定水頭60.00m。在設(shè)備招采購標(biāo)階段應(yīng)業(yè)主的要求，水輪發(fā)電機(jī)組能超10%出力運(yùn)行。1機(jī)組GD2和導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律關(guān)系水輪發(fā)電機(jī)組GD2是其轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量與慣性直徑平方的乘積，是水電站設(shè)計(jì)中重要的機(jī)組參數(shù)之一，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和材料工藝提高，GD2有減小的趨勢，GD2的減小，可減輕機(jī)組重量，降低機(jī)組設(shè)備成本。但是從引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)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(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)選導(dǎo)葉分段關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉拐點(diǎn)，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(jī)組慣性力矩和調(diào)整性能三者之間的關(guān)系，使水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值均在安全解決合理的范圍內(nèi)。導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律計(jì)算中，在轉(zhuǎn)速上升率接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，導(dǎo)葉若采用直線關(guān)閉規(guī)律，通常需要機(jī)組具有較大的GD2；導(dǎo)葉若采用合理的分段關(guān)閉規(guī)律，需要機(jī)組的GD2相對較小。2直線關(guān)閉規(guī)律的過渡過程計(jì)算猴場水電站在初步設(shè)計(jì)階段，由于業(yè)主未提及機(jī)組超出力的要求，所以在進(jìn)行水力過渡過程分析計(jì)算時(shí)，只考慮單臺機(jī)組的額定出力工況，也是機(jī)組的最大出力。在初步設(shè)計(jì)階段機(jī)組GD2一般是電站由調(diào)節(jié)保證計(jì)算來確定，但機(jī)組GD2也有一個(gè)范圍，為了確保調(diào)節(jié)保證計(jì)算確定的GD2的合理性，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊的經(jīng)驗(yàn)公式［1］，初步計(jì)算GD2為11.8t.m2。通過導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的分析計(jì)算，機(jī)組在額定出力下，導(dǎo)采用葉直線關(guān)閉規(guī)律調(diào)能夠滿足調(diào)保計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。計(jì)算成果見表1.表1導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算成果表注：按額定水頭時(shí)兩臺機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算根據(jù)猴場水電站的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為轉(zhuǎn)速上升率55%，最大蝸殼壓力95.0m水柱，尾水管內(nèi)的最大真空度8m水柱。通過導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算可知；隨著導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的增大，機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速上升率相應(yīng)的增大，蝸殼進(jìn)口壓力逐步降低。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為5s時(shí)，轉(zhuǎn)速上升率1#機(jī)組為55.50%、2#機(jī)組為54.87%、3#機(jī)組為55.57%，甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率接近或稍超出調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的55%，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為3s、4s時(shí)均能滿足，但取4s較好。所以初步設(shè)計(jì)階段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用直線關(guān)閉，GD2選取為11.8t.m2，關(guān)閉時(shí)間為4s,甩負(fù)荷后機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為51.85%，最大蝸殼進(jìn)口壓力為79.32m，尾水管真空壓力4.87m，均在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。在招標(biāo)階段業(yè)主提出猴場水電站水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有超出力10%負(fù)荷的能力。根據(jù)業(yè)主的要求重新進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算的復(fù)核，計(jì)算工況：三臺機(jī)組在額定水頭下甩110%額定負(fù)荷。復(fù)核結(jié)果見表2表2復(fù)核調(diào)保計(jì)算參數(shù)通過復(fù)核計(jì)算成果可知，蝸殼進(jìn)口最大壓力上升值和尾水管進(jìn)口壓力真空度均比額定工況后有所增加，都在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但最大轉(zhuǎn)速上升率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值55%的要求。所以在機(jī)組超出力10%負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)不能滿足要求，必須采用有效技術(shù)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(jī)組GD2。通過與廠家溝通討論，由于機(jī)組額定轉(zhuǎn)速較高，機(jī)組的GD2最大只能到達(dá)12t.m2,比初步設(shè)計(jì)采用的GD2增加不多，對有效的抑制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升效果不大。3、優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。只有采用分段關(guān)閉，優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，選取合理的分段關(guān)閉規(guī)律，以達(dá)到機(jī)組超出力運(yùn)行時(shí)調(diào)保計(jì)算參數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。3導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，為控制蝸殼進(jìn)口壓力上升，導(dǎo)葉關(guān)閉速度不宜太快；為控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)葉關(guān)閉速度不宜太慢；為了協(xié)調(diào)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升和蝸殼進(jìn)口壓力上升的矛盾，可采用分段關(guān)閉（兩段或三段關(guān)閉）。三段關(guān)閉規(guī)律對緩解轉(zhuǎn)速上升和壓力上升的矛盾優(yōu)于兩段關(guān)閉規(guī)律，但三段關(guān)閉規(guī)律實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，一般在進(jìn)行調(diào)保分析計(jì)算時(shí)兩段關(guān)閉規(guī)律能滿足工程要求時(shí)，不再進(jìn)行三段關(guān)閉規(guī)律的論證，且實(shí)際采用兩段關(guān)閉規(guī)律的水電站較多，技術(shù)較為成熟。3.1導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算對猴場水電站機(jī)組進(jìn)行導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算，選擇合適關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見表3表3導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化注：tk1為第一段關(guān)閉時(shí)間，tk2為第二段關(guān)閉時(shí)間，y1為拐點(diǎn)位置。以上計(jì)算按照額定水頭下機(jī)組甩110%負(fù)荷時(shí)。通過以上計(jì)算可知，隨著關(guān)閉拐點(diǎn)位置逐漸增大，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升增大，對應(yīng)計(jì)算工況的蝸殼進(jìn)口最大壓力則逐漸下降；K2工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K1下降1.94m，K3工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K2下降2.13m，K4工況蝸殼進(jìn)口最大壓力比K3下降1.68m；K2工況機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率比K1增加1.97%，K3工況機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率比K2增加0.43%，K4工況機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率比K3增加1.4%；當(dāng)拐點(diǎn)位置為0.45時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速和蝸殼進(jìn)口最大壓力出現(xiàn)折點(diǎn)（以1#機(jī)組的計(jì)算成果作為分析數(shù)據(jù)）；所以選擇拐點(diǎn)位置為0.45。通過對不同第二段關(guān)閉時(shí)間tk2（5s，6s，7s）進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)蝸殼進(jìn)口壓力變化較小，而轉(zhuǎn)速的變化相比較大一點(diǎn)，所以選擇第二段關(guān)閉時(shí)間為5s。由于第一段關(guān)閉時(shí)間tk1采用3s時(shí)，不管第二段關(guān)閉時(shí)間tk2和拐點(diǎn)位置y1如何調(diào)整，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，在此不再進(jìn)行第一段關(guān)閉時(shí)間的論證。所以選擇第一段關(guān)閉時(shí)間tk1為2、，第二段關(guān)閉時(shí)間tk2為5s和拐點(diǎn)位置y1為0.45。3.2分段關(guān)閉規(guī)律調(diào)節(jié)保證計(jì)算用以上導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算成果，進(jìn)行不同工況的調(diào)節(jié)保證計(jì)算，驗(yàn)證導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算成果的合理性。計(jì)算工況如：D1：水頭為64.0m時(shí)，一臺機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷,另外兩臺機(jī)組停機(jī)；D2:水頭為60.0m時(shí)，三臺機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；D3:水頭為62.2m時(shí)，三臺機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；D6:水頭為64.1m時(shí)，一臺機(jī)組110%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩全部負(fù)荷；另外兩臺機(jī)組停機(jī)。計(jì)算結(jié)果見表4表4分段關(guān)閉規(guī)律過渡過程計(jì)算(tk1=2stk2=5sy1=0.45)工況D1為額定工況下甩全部負(fù)荷，蝸殼進(jìn)口壓力均在90.0m以下，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升都不到44%。工況D2~D3為110%額定出力下甩全部負(fù)荷，最大蝸殼進(jìn)口壓力值出現(xiàn)在D3工況為93.29m，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升出現(xiàn)在D2工況為51.6%，但以上計(jì)算成果均設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，在機(jī)組超負(fù)荷110%情況下甩全部負(fù)荷是調(diào)節(jié)保證計(jì)算都滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。4結(jié)論通過以上計(jì)算可知：.在水電站初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員要仔細(xì)計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組的GD2，以免到設(shè)備采購階段與設(shè)備廠家提供的GD2偏差較大，影響水電站的調(diào)節(jié)保證計(jì)算的計(jì)算成果，從而影響到水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)；.在水電站前期設(shè)計(jì)階段業(yè)主是否提出對本電站機(jī)組有超出力的要求，以方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電站設(shè)計(jì)時(shí)提前考慮，以免進(jìn)入設(shè)計(jì)后期增加不必要的麻煩；.當(dāng)電站進(jìn)入設(shè)備采購和施工圖設(shè)計(jì)階段時(shí)，設(shè)備廠家提供設(shè)備的GD2不能滿足水電站