CN102878002B - 一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水力机械工程，特别是一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法。包括：水轮机蜗壳、活动导叶和引水压力钢管，在水轮机蜗壳进口机组检修阀上端的引水压力钢管上有一根旁通管，旁通管连接一个检修阀和一个流量调节消能阀，流量调节消能阀下游侧连接一根排水管，排水管通往电站尾水渠或尾水隧洞。本发明消调压井设置或减小调压井的尺寸,优化引水系统设计,降低工程造价的一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法。以便解决在调节保证计算超出规范要求，减小水击压力及机组转速上升，满足机组转速和蜗壳最大压力上升及尾水隧洞压力下降的要求。

Description

一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法
技术领域
本发明属于水力机械工程，特别是一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法。
背景技术
在水电站运行过程中，由于电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然甩负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节活动导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起活动导叶的开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化。其主要表现为：
(1)引起机组转速的较大变化
由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而活动导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。甩负荷时，水轮机在活动导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。
(2)在有压引水管道中发生“水击”现象
当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水击。活动导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之活动导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3)在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
在实际水电站设计过程中引用调节保证计算研究由于机组负荷变化引起水击压力和机组转速变化的关系。通过实际研究，对上述表现中,机组负荷增加时机组转速降低和压力管道、蜗壳内引起压力下降及尾水管中引起压力上升，不是调节保证计算中的主要问题，而机组甩负荷引起的水击压力升高和机组转速升高，可能会引发发电机转子磁极脱落及机组蜗壳、压力钢管爆裂成为调节保证计算的主要任务，因此，为避免事故发生，以及机组制造的强度和蜗壳、压力钢管承受压力的经济厚度及系统稳定性的要求，在设计规范中，对压力升高和机组转速升高有如下要求：
机组甩负荷的最大转速升高率
当机组容量占电力系统工作容量的比重较大，且担负调频任务时，宜小于45%；
当机组容量占电力系统工作容量的比重不大或担负基荷时，宜小于55%。
机组甩负荷的蜗壳最大压力升高率
额定水头小于40m时，宜为70~50%；
额定水头在40m~100m时，宜为50~30%；
额定水头大于100m时，宜小于30%。
如果调节保证计算超出上述范围，应采取减小水击压力及机组转速上升的措施，一般采取的措施是在引水系统设置调压井以满足机组转速和蜗壳最大压力上升的要求。但是设置调压井费用较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种取消调压井设置或减小调压井的尺寸,优化引水系统设计,降低工程造价的一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法。以便解决在调节保证计算超出规范要求，减小水击压力及机组转速上升，满足机组转速和蜗壳最大压力上升及尾水隧洞压力下降的要求。
本发明的目的是这样实现的，一种防止水轮机引水系统水击压力升高的装置，其特征是：包括：水轮机蜗壳、活动导叶和引水压力钢管，在水轮机蜗壳进口机组检修阀上端的引水压力钢管上有一根旁通管，旁通管连接一个检修阀和一个流量调节消能阀，流量调节消能阀下游侧连接一根排水管，排水管通往电站尾水渠或尾水隧洞。
一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法，其特征是：当机组甩负荷转速上升时，水轮机调速系统控制活动导叶迅速关小或关闭，以满足机组转速的要求,由于活动导叶关小或关闭速度很快，会引起引水系统水流速度急剧下降，蜗壳和压力钢管压力迅速升高，尾水隧洞压力降低，为了防止这种压力升高和降低，调速系统关小或关闭活动导叶的同时，开启流量调节消能阀，引水压力钢管通过旁通管、流量调节消能阀向尾水渠或尾水隧洞泄水，随后再将流量调节消能阀缓慢关闭。减小引水系统流速急剧减小，这样就可以降低机组蜗壳及引水系统的压力的上升和尾水隧洞压力降低。
本发明的技术效果为：
1、在水电站设计中，调节保证计算超出规范要求时，减小水击压力及机组转速变化率，满足机组转速和蜗壳最大压力上升及尾水隧洞的压力降低的要求。替代以往解决这一问题设置调压井或提供一种减小调压井的尺寸降低建造费用的方法。
2、在水电站设计中进一步优化设计引水隧洞（包括尾水隧洞）、压力钢管断面尺寸,隧洞衬砌、钢管外包混凝土的厚度及配筋，压力钢管、蜗壳钢板的设计厚度及水轮发电机组的转动惯量。
3、结构简单、安全可靠、针对具体工程情况综合分析对比计算降低工程造价。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是本发明实施例结构示意图。
附图标记如下：
1．引水压力钢管、2.旁通管、3.检修阀（流量调节消能阀）、4.流量调节消能阀、5.排水管、6.尾水渠、7.活动导叶、8.蜗壳、9.检修阀（机组）、10.尾水隧洞。
具体实施方式
如图1、图2所示，在水轮机蜗壳8进口机组检修阀9上端的引水压力钢管1上有一根旁通管2，旁通管2连接一个检修阀3和一个流量调节消能阀4，流量调节消能阀4下游侧连接一根排水管5，排水管5通往电站尾水渠6或尾水隧洞10。
当机组甩负荷转速上升时，水轮机调速系统控制活动导叶7迅速关小或关闭，以满足机组转速的要求,由于活动导叶7关小或关闭速度很快，会引起引水系统水流速度急剧下降，蜗壳8和引水压力钢管1压力迅速升高，尾水隧洞10压力降低，为了防止这种压力升高和降低，调速系统关小或关闭活动导叶7的同时，开启流量调节消能阀4，引水压力钢管1通过旁通管2、流量调节消能阀4向尾水渠6或尾水隧洞10泄水，随后再将流量调节消能阀4缓慢关闭。减小引水系统流速急剧减小，这样就可以降低机组蜗壳8及引水压力钢管1的上升和尾水隧洞10的压力降低。
例如：某一引水式水电站布置形式如图1，安装一台机组，引水隧洞及压力钢管长L=4000m，隧洞和压力钢管直径为D=2.2m，初始水头H0=100m，机组额定流量Qr=15m3/s，已知水击波速a=1000m/s，由机组转速上升的要求活动导叶关闭时间Ts=7s，如果机组在额定水头甩满负荷水击压力上升为：
由于Ts≤2L/a时，所以，这种水击为直接水击。
直接水击计算公式：
式中:△H----水击值(m);
H-----水击水头(m);
H0-----初始水头(m);
g-----电站所在地的重力加速度,一般为9.81m/s2;
V-----引水系统终了速度;
V0-----引水系统起始速度;
V0=Qr/(3.14×(D2/4))=15/(3.14×(2.22/4))=3.948m/s
V=0
水击值△H=-1000×（0-3.948）/9.81=402.5m。
按照规范要求额定水头在100m时，最大上升为30%即30m,现在上升402.5m,在水轮机蜗壳8进口机组检修阀9前，引水压力钢管1上引一根旁通管2，旁通管2连接一个额定流量为15m3/s的流量调节消能阀4和检修阀3，流量调节消能阀4下游侧连接一根排水管5通往电站尾水渠6。当机组甩负荷时，调速系统关闭活动导叶7的同时，由控制系统控制流量调节消能阀4开启向尾水渠6泄水,保持引水压力钢管1流量、流速不变（这只对本例而言，根据工程情况，可以是活动导叶关闭时通过的流量大于流量调节消能阀4下泄的流量，原则是流量调节消能阀4在水击发生时减缓引水系统水流流速的急剧下降），在这种情况下停机过程中就不会水发生，这样就把水电站调节保证计算变成管道末端安装一个流量调节消能阀4的简单水击计算,由于流量调节消能阀4不像水轮机那样有转速的要求,所以对流量调节消能阀4关闭的时间不受限制，这样通过电算可以找到一个最优关闭规律关闭流量调节消能阀4，是引水压力钢管1水击上升不超过30m（水头不超过130m），满足了设计要求，取消对调压井的设置或设置一个尺寸较小的调压井。
上例证明了本发明对水电站水击压力减小的可行性和正确性。但不局限于调压井的问题,也可以对引水隧洞、压力钢管断面尺寸、隧洞衬砌厚度及配筋、压力钢管、蜗壳的设计厚度、水轮发电机组的转动惯量作进一步的优化设计。
如某一水电站为坝后式厂房，引水系统为单机单管布置，经调节保证计算，水击类型为间接水击，计算结果是满足了调保计算，但管道的流速小于管道设计的经济流速，按经济流速计算水击压力上升不满足要求，管道的断面要比经济流速大，一般情况就只能满足调保计算设计引水钢管。如果采用本专利方法，按照经济流速计算，水击发生时，用流量调节消能阀4分流一部流量，降低水击压力，就有可能是管道流速提高到以经济流速设计的要求，进一步优化压力钢管外包混凝土的配筋及钢板厚度；如果在这种情况下采用本专利不以提高钢管流速为目的，而以降低水击压力为目的，这样既可以进一步优化压力钢管外包混凝土的配筋及钢板厚度，也可以进一步优化蜗壳的钢板厚度；如果在这种情况下采用本发明以优化机组转速为目的，可以改变水轮发电机组的转动惯量。
同理布置形式如图2有尾水隧洞的电站，对长尾水隧洞由水击引起压力变化也能进行调节,降低压力变化,取消尾水调压井或减小调压井的尺寸、优化隧洞断面尺寸、衬砌厚度、配筋等。

Claims (1)

1.一种防止水轮机引水系统水击压力升高的方法，其特征是：包括：水轮机蜗壳、活动导叶和引水压力钢管，在水轮机蜗壳进口机组检修阀上端的引水压力钢管上有一根旁通管，旁通管连接一个检修阀和一个流量调节消能阀，流量调节消能阀下游侧连接一根排水管，排水管通往电站尾水渠或尾水隧洞；当机组甩负荷转速上升时，水轮机调速系统控制活动导叶迅速关小或关闭，以满足机组转速的要求,由于活动导叶关小或关闭速度很快，会引起引水系统水流速度急剧下降，蜗壳和压力钢管压力迅速升高，尾水隧洞压力降低，为了防止这种压力升高和降低，调速系统关小或关闭活动导叶的同时，开启流量调节消能阀，引水压力钢管通过旁通管、流量调节消能阀向尾水渠或尾水隧洞泄水，随后再将流量调节消能阀缓慢关闭；减小引水系统流速急剧减小，这样就能降低机组蜗壳及引水系统的压力的上升和尾水隧洞压力降低。
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