水泵水轮机的S不稳定性及其应对措施

水泵水轮机的S不稳定性及其应对措施樊京伟内容提要1、S不稳定区形成机理2、改善S不稳定区的有效措施—导叶预开法（MGV）3、MGV在常规水电站中的应用前景河北张河湾抽水蓄能电站，其水轮机实际运行水头𝐻𝑝在291一346m范围内时,根据水轮机空载模型试验得出空载开度y为5.34。~11.34。。张河湾电厂1号机组在调试过程中，试验水头为317m,，机组转92.7%~101%额定转速之间波动，无法稳定在100%额定转速,机组无法实现并网。浙江天荒坪抽水蓄能电站其水轮机实际运行水头𝐻𝑝在518一610.2m，首台机组试运行期间,发现在水轮机工况，水头低于540m，同期转速500r/min下无法稳定运行。其时，接力器行程范围为160~165mm,对应的导叶转角约4.5。，转速摆动频率超过0.07HZ。当用开度限制机构限制导叶时运行稳定的转速低于475r/min。而转为自动调节工况时转速摆动逐步增加,这就给机组的并网发电或由调相工况转发电运行以及水轮机工况的甩负荷停机造成了极大困难。据不完全统计，1998年至今，我国蓄能机组逆功率保护动作故障达20多起，是动作率较高的保护之一。1998年9月3日晚高峰时段，华东地区某6×30𝑀𝑊蓄能电站按照调度指令进行1#号发电电动机水轮机工况起动并网。并网后短时间内该机组逆功率保护动作跳机。2006年5月22日，华北地区某4×30𝑀𝑊蓄能电站1#号机组进行调相转发电工况运行，在工况转换的过程中出现逆功率保护动作。2008年8月22日，华中地区某4×30𝑀𝑊蓄能电站2号机组进行正常停机操作，在发电机降负荷的过程中出现逆功率保护动作。案例1、S不稳定区形成机理从全特性曲线上分析—S不稳定区水泵水轮机流量全特性曲线Ⅰ—离心式水泵Ⅱ—离心式制动Ⅲ—向心式水轮机Ⅳ—向心式制动Ⅴ—反转离心泵𝑛11=𝑛𝐷𝐻影响1空载不稳定（同期，甩负荷）2反水泵工况效率很低,气蚀严重,噪音大,常产生强烈的压力脉动和机械振动,甚至导致事故发生3空载至极小负荷之间运行的逆功率从转轮结构上分析—S不稳定区叶片长转速高离心效应大液流反压力倒流现象反水泵工况大于液流正压力从流场上分析—S不稳定区空载开度下的流道漩涡分布特点冲角较大分布均匀阻塞流道流道涡随流量降低的发展趋势S形高速流双列叶栅漩涡转轮进口流态图及速度三角形示意图入流角逐渐小形成负冲角2、改善S不稳定区的有效措施—导叶预开法（MGV）天荒坪抽水蓄能电站比利时COOⅡ抽水蓄能电站挪威克瓦纳导叶预开法预开法原理SOEASY!YES？机组振动压力脉动动静干涉流固耦合空化空蚀流击振动机组运行不稳定预开导叶个数及布置方式的影响（1）分散对称集中对称分散对称集中对称预开导叶个数及布置方式的影响（2）分散对称集中对称分散对称优方案集中对称预开导叶开度的影响分散对称特点1飞逸工况下的单位流量变大，转轮内流动的轴对称性也随之变差，可能导致机组的脉动加大，造成机组运行不稳定2预开启导叶后水泵水轮机的S特性已经不甚明显，此时即使水泵水轮机在低水头启动，也会迅速带上负荷而进入稳定的运行工况预开导叶对转轮径向力的影响模型基本参数叶片数：9转频：24HZ转速：1440r/min活动导叶个数：20预开导叶个数：4预开导叶对尾水管压力脉动的影响模型基本参数叶片数：9转频：24HZ转速：1440r/min活动导叶个数：20预开导叶个数：4导叶预开法的实现装置导叶不同步预开装置(MGV)(MisalignmentGuideVanes)3、MGV在常规水电站的应用前景针对常规水电站，特别是高水头常规电站，采用导叶分段异步关闭方式，用以实现机组甩负荷过渡过程的控制，改善过渡品质，产生经济效益。调节保证计算的要求转数上升小于50%，压力上升小于40%实测机组最大转速上升率为38%，蜗壳进口最大压力上升率为8.83%以福建古田溪电站为例进行计算仿真不设调压井进行四种关闭方案的仿真四种方案的仿真结果调节保证计算的要求转数上升小于50%，压力上升小于40%实测机组最大转速上升率为38%，蜗壳进口最大压力上升率为8.83%