第十四章水电站的水锤6

第十四章水电站的水锤第七节机组转速变化的计算一、调节保证计算的任务在水电站的外界负荷突然改变后，调速系统由于惯性作用，不可能将水轮机的导叶或针阀在瞬时内调整到与改变后的负荷相适应的开度，同时，由于水锤压强的限制，这样做也是不允许的。在开度的调整过程中，水轮机的出力与外界的负荷是不平衡的，此不平衡的能量将转化为机组转速的变化。例如，在丢弃负荷时，开度调整过程中的剩留能量将转化为机组的动能而使转速升高；反之，在增加负荷时，调整过程中不足的能量将由机组的动能补充而使转速降低。机组的惯性一般用飞轮力矩表示，G为机组转动部分的重量，D为转动部分的惯性直径。在一定的情况下，水轮机的开度变化越缓慢（即调整的时间越长），机组的转速变化越大；在开度变化一定的情况下，机组的越大则转速变化越小。水锤压强的变化与转速变化相反，水轮机的开度变化越迅速，水锤压强越大。所以，转速变化和水锤压强两者是矛盾的。加大机组转速的变化不但要增加机组造价而且会影响供电质量；加大水锤压强不但会加大水电站过水系统的投资而且会恶化机组的调节稳定性。因此，对两者都必须加以限制，使之不超过某一允许值。协调水锤和机组转速变化的计算一般统称为调节保证计算。调节保证计算的主要任务可概括为：(1)根据水电站过水系统和水轮发电机组特性，合理地选择水轮机开度的调节时间和调节规律，使水锤压强和机组转速变化均在允许范围之内，并尽可能地减小水锤压强以降低工程投资。(2)根据给定的机组和调节时间，计算转速变化，检验它是否在允许范围之内；或者相反，在给定转速变化和调节时间的情况下，计算必须的值。(3)根据给定的调节时间和调节规律进行水锤计算，检验水锤压强是否在允许范围之内；或给定水锤压强，验算水电站有压过水系统是否需要设置调压室等平水设施。调节时间直接影响机组的转速变化和水锤压强。调节规律对水锤压强的影响比对转速变化的影响更显著。合理的调节规律是指在某调节时间内使水锤压强最小而调速系统又能做到的导叶开赓变化规律。调节保证计算往往要多次反复才能把调节时间和规律、转速变化、水锤压强调整到比较理想的情况。在计算中有时需要适当调整有压引水系统和机组的有关参数。二、调节保证计算的内容1.丢弃负荷情况(1)转速的最大升高值；(2)压力管道和蜗壳内的最大压力升高值；(3)压力管道和尾水管内的最大压力降低值：前者指开度变化终了后的反水锤，其值可能超过增加负荷时的最大压力降低，以检验压力管道的上弯段是否会出现负压；后者用以检验尾水管进口的真空度。2.增加负荷情况(1)转速的最大降低值；(2)压力管道内的最大压力降低值。求出的以上各值均应在允许范围之内。转速变化一般用相对值β表示，β称为转速变化率：丢弃负荷增加负荷式中，，分别为机组的额定转速、丢弃负荷后的最高转速和增加负荷后的最低转速。世界各国对β允许值的采用并不一致，而且有逐步提高的趋势。对于丢弃全负荷情况，目前美国采用0.65,独联体各国采用0.60,法国和日本采用0.50；我国SDJ173-85《水力发电厂机电设计技术规范》规定：当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大且担负调频任务时，β宜小于0.45，当机组容量占电力系统工作总容量比重不大或担负基荷时，β宜小于0.55。增加负荷的转速变化计算只对单独运行的水电站才有意义。在一般情况下，水电站在系统中运行，机组转速受系统频率控制，不可能有很大变化。丢弃负荷的转速变化一般控制在计算水头时丢弃满负荷情况，此时机组功率最大，丢弃负荷引起的转速上升一般也最大。丢弃负荷时，蜗壳末端允许的最大水锤相对升压为H为额定水头，在ζ的变化范围中，低水头时取大值。负水锤时，以压力管道顶部任何一点不出现负压并有2m水柱以上余压为限。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱。三、机组转速变化计算机组转速变化计算的公式颇多，下面介绍两种。（一）前苏联Л.M.3公式图14-21导叶关闭过程中的水轮机出力变化机组丢弃负荷后，导叶由全开关至空转开度，历时，机组出力由No减至零，在这个过程中，机组的剩余能量为图14-21所示的阴影面积。由于导叶动作的迟滞和水锤升压的影响，N-t曲线是上凸的。此剩余能量将转化为机组转速的变化。若机组转动部分的惯量为I,丢弃负荷前的角速度为，丢弃负荷后的最大角速度为，则式中为机组额定转速，单位为r/min；I在工程单位制中以计，以t*㎡计。式（14-72)左边积分表示图14-21中的阴影面积，可表达为，为考虑N-t线与虚直线间所夹弓形面积的影响系数，可从图14-22查出。图14-22修正系数f与水锤系数σ的关系曲线将以上关系代人式(14-72)，简化后得混流式和水斗式水轮机的=(0.8-0.9)Ts轴流式水轮机的=(0.6-0.7)Ts式(14-73)的计算结果一般偏大。在机组丢弃负荷后，机组转速上升，摩阻等能量损耗也随之增大，故在导叶达到正常转速下的空转开度之前机组已停止升速，即实际的升速时间小于；此外，由于调速系统的惯性，调节动作有一迟滞时间。针对式(14-73)存在的问题，出现了一些修正公式。（二）我国“长办”公式考虑到导叶的迟滞时间等因素，我国原长江流域规划办公室提出了如下的修正公式式中Tc—调节迟滞时间，其中为导叶动作迟滞时间（电调取0.1s，机调取0.2s)，δ为调速器的残留不均衡度（一般为0.2-0.6)，Ta为机组的时间常数（，以s计）；Tn-升速时间，根据统计资料，可近似表达为，比转速，No以kW计。图14-23f-σ关系曲线在给定β的情况下，可很容易根据式(14-73）或式（14-74）反算必须的。式(14-74)中的修正系数f从图14-23查出。