防止軸流轉槳式水輪機抬機的方法
2023-08-03 07:42:46 2
專利名稱：防止軸流轉槳式水輪機抬機的方法
技術領域：
本發明屬於水力機械領域，具體來說是一種防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法。
背景技術：
現有的軸流式水輪發電機機不少發生抬機現象，如敘利亞的迪什林水電站，該電 站採用軸流轉漿式轉漿水輪機。該電站自1999年11月併網發電以來，累計出現過對次抬 機。抬機時，機組轉動部分抬高25-30mm，造成水輪機工作密封跳出、接頭撕開、集電環碳刷 和刷架損壞、勵磁引線絕緣破壞等。特別是抬機引起的撞擊和伴隨抬機的反水錘更是給轉 輪葉片造成了損害，給電站的運行帶來不少麻煩。通常情況下採用的處理措施如下設置限 位塊、上移集電環裝置等。但上述方法均是消極防禦措施，並未徹底解決抬機的問題。為解決抬機問題，首先，對軸流轉漿式水輪發電機組的運行工況進行分析。一般來 說，軸流轉漿式水輪發電機組具有以下四種運行工況
1、軸流轉漿式水輪發電機組發電運行工況水輪機導葉開啟，發電機與電網連接時的 正常發電運行工況。此時轉輪葉片的受力如圖1中(a)所示，水頭(上、下水位之差)作用在 葉片上的合力的方向始終向下，不可能發生抬機。2、軸流轉漿式水輪發電機組水泵運行工況水輪機導葉完全關閉，發電機與電網 解列時的運行工況。解列是指發電機輸出端與電網脫開。此時，由於導葉已完全關閉，上遊 水位形成的壓力不能再穿過導葉作用在轉輪葉片上。但轉輪由於慣性仍在轉動，轉輪變成 了一「慣性水泵」，將轉輪室內的水排至尾水。轉輪葉片受力如圖1中(b)所示，水頭與泵升 力作用在葉片上的合力的方向始終向上，受泵升力作用，有可能產生抬機。3、軸流轉漿式水輪發電機組調相運行工況軸流轉漿式水輪發電機組在導葉完 全關閉，發電機與電網連接時的運行工況。調相運行是軸流轉漿式水輪發電機組的一個特 殊運行工況。在該工況下，機組不再向電網發送有功，而是向電網發送無功，並從電網吸收 少量有功，平衡電網的無功。此時，在定子中會產生旋轉磁場。在轉子繞組通入勵磁電流後， 會產生轉子磁場。定子磁場在前，轉子磁場在後，拖著轉子與之等速旋轉，發電機已轉變成 了一同步電動機。同時，由於導葉已完全關閉，失去了水動力，實際上，該機組己轉變成了一 高速電動泵，將轉輪室的水排至尾水，有可能產生抬機。4、軸流轉漿式水輪發電機組空載運行工況水輪機導葉開度很小，發電機與電網 解列時的運行工況。此時，水頭產生的動力很小，僅僅用於克服摩擦等阻力，維持機組空轉。 由此工況轉為停機，往往造成抬機。
具體來說，引起抬機的原因如下 一，轉輪室出現空隙是引起抬機的根本原因
圖2所示的轉輪室內水體abcd，如果機組未運轉，機組轉動部分在重力作用下，坐落在 水輪機軸承上，它是不會上抬的；如果機組在運轉過程，導葉轉為完全關閉狀態，轉輪有上 抬趨勢，且轉輪轉為水泵的揚程很小，在尾水壓力作用下，轉輪室裡的水不可能從葉片間擠 出。這時，由於液體不可壓縮，水體abed像一塊「液體墊」隔在轉輪與頂蓋之間，使轉輪不可能上移。只有當空間abed出現空隙時，轉輪才有可能上移。即當出現下述情況時，可能造 成抬機
1、由於導葉關閉速度太快，當它完全關閉，把處於上遊的水與轉輪室隔斷以後，轉輪室 內的水因慣性繼續流動，這時，就會在轉輪室上部形成局部真空。一旦真空形成，一方面，會 在轉輪上、下端面形成壓差；另一方面，由於真空存在，在尾水壓作用下，會產生反水錘，在 二者的作用下產生抬機。顯然，為了避免抬機，導葉在完全關閉前，必須放慢關閉速度，避免轉輪室內形成 真空；但另一方面，導葉關閉的初始階段，又必須儘快關閉，從而儘快降低轉輪轉速，避免機 組甩負荷後造成超速、甚至飛車。所以，通常防止抬機採取的方法是把控制導葉關閉的閥門 設計成二段關閉第一段，從導葉100%開度至40%開度，歷時約4. 8秒，快關；第二段，從 導葉開度40%至0，歷時約沈-32秒，慢關。從而，可同時滿足上述二方面的要求，並且，也 避兔了因導葉關閉不當引起的抬機。2、漿葉作為水泵，將轉輪室內的水排至尾水，這時，由於導葉己經關閉，沒有來水 予以補充，會在轉輪室形成真空，從而產生壓差及反水錘，再加上泵升力，三者作用下，就可 能引起抬機。例如，2006年，中國水利水電科學研究院水力機電研究所(簡稱水科院)赴迪什 林電站現場進行測試，電站運行時，尾水位為302. 5米，機組安裝高程為觀8. 5米，吸高 為-14米。這時，在轉輪室頂蓋下出現了真空，且真空度達-5米(部分數據參見圖3:轉 速、接力器行程、輪葉轉角、水壓脈動漿葉開度實測數據圖，通過對水輪機轉速、導葉開度、 漿葉開度、蝸殼進口壓力、頂蓋下壓力、尾水壓力和抬機量的觀測所得)。從觀測數據可知， 轉輪上、下端壓差達19米，轉輪直徑7. 5米，則壓差形成的抬機力可達802噸，再加上反水 錘及泵升力作用，己大大超過了轉動部分重量759噸，抬機己不可避免，這次抬機量達四 mmD泵升力計算公式如下
P=kR4 2
式中，
P -泵升力α)
k-係數，前蘇聯及東電廠的數據，k =0.05取0.05 R-轉輪半徑(m)，迪什林機組，R=7. 5/2 (m ) ω -轉輪的轉速(弧度/秒)。二，調相運行是引起抬機的另一重要原因
如前所述，調相運行時，整個機組轉變成一電動泵，在葉輪上會產生的泵升力。根據前 述公式，考慮到進入調相運行時，發電機轉變為同步電動機，轉輪將以額定轉速90. 9 r/s轉 動。針對以上數據算出迪什林機組在調相運行時的泵升力達887t，已大於機組重量。如果 再有真空發生，抬機不可避免。
發明內容
針對現有軸流轉漿式水輪機存在由於轉輪室形成真空而導致的抬機情況，特提出一種防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，具體內容如下 防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其步驟為
A.軸流轉漿式水輪機機組從前述四種工況中的任一工況轉為停機，控制導葉關閉的二 段關閉閥均投入工作；
B.軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在解除協聯關係前，同時按照協聯關係進行關
閉；
C.當軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在關閉過程中，解除協聯關係後，導葉繼續 關閉至0;而漿葉停止關閉；
協聯關係是指在某水頭下，轉漿式水輪機的導葉開度與其漿葉開度所遵循的對應關係。C步驟中，導葉和轉輪漿葉解除協聯關係後，導葉繼續關閉的同時，轉輪漿葉「停止 關閉」意思是可以保持在解除協聯關係瞬間所在位置，或者反向打開。導葉在完全關閉前，關閉速度足夠低，以致在導葉完全關閉後，導葉後面的水體 (已進入轉輪室內的水體)不致因慣性運動而脫離導葉，從而避免了在導葉後面形成真空 (即轉輪室中不形成真空)。將水輪機漿葉保持在解除協聯關係瞬間所在位置，或者反向打開，使水輪機轉變 為一低揚程、大流量葉片泵。它在尾水作用下，不能將轉輪與頂蓋之間的水體排除至尾水， 從而避免了使上述水體位置出現真空(即轉輪室中不形成真空)。在協聯關係解除前，導葉從100%開度閉合至45%_35%開度，歷時4_6秒，即快關。 協聯關係解除後，導葉從45%-35%開度至完全關閉，歷時約沈-32秒，即慢關。軸流轉漿式水輪機上設置有漿葉開度儀錶盤，漿葉開度由漿葉開度儀錶盤反映， 儀錶盤內刻度代表開度度數，指針指示漿葉開度，當C步驟中轉輪漿葉保持在解除協聯關 系瞬間所在位置時，漿葉開度儀錶盤指針保持不動。若此時轉輪漿葉反向打開，則漿葉開度 儀錶盤指針由低開度往高開度刻度運行。本發明的優點在於改變了導葉和漿葉解除協聯關係後的運動規律，一方面避免 了因導葉關閉不當造成轉輪室出現真空；另一方面，漿葉在解除協聯關係後保持在解除協 聯關係瞬間所在位置或反向打開，使轉輪轉變為一低揚程、大流量水泵，從而，在尾水作用 下，不致使轉輪室內的水排除，避免了轉輪室內形成真空。這樣，壓差及反水錘形成的作用 力均不復存在。當產生的泵升力小於轉動部分重量後，就不致引起抬機了。
圖1為轉輪在(a)水輪機工況和(b)水泵工況時受力圖。圖1中Wl為轉輪進口處水流對葉片的相對速度，W2為轉輪出口處水流對葉片的 相對速度，ul為轉輪進口處的牽連速度，u2為轉輪出口處的牽連速度，Px為水平力，Py為 垂直方向的力，R為合力，Vl為轉輪進口處絕對速度，V2為轉輪出口處的絕對速度。圖2為水輪機轉輪部分結構示意圖。圖1、2中1轉輪室、2水輪機軸、3導葉、4轉輪漿葉、5尾水。圖3為發生抬機時的轉速、接力器行程、輪葉轉角、水壓脈動漿葉開度實測數據 圖。
圖4為導葉、漿葉協聯關係曲線圖。圖5為軸流轉漿式水輪機葉片泵特性曲線。圖5中H為水輪機揚程，Q為水泵流量，η為轉速。圖6為漿葉開度儀錶盤示意圖。圖6中BLADE ANGLE為菜葉開度，PISTON STROKE為菜葉行程。
具體實施例方式實施例1
防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其步驟為
A.軸流轉漿式水輪機機組從任一運行工況轉為停機，控制導葉關閉的二段關閉閥均投 入工作；
B.軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在解除協聯關係前，同時按照協聯關係進行關
閉；
C.當軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉解除協聯關係後，導葉繼續關閉的同時，轉 輪漿葉保持在解除協聯關係瞬間所在位置。軸流轉漿式水輪機上設置有漿葉開度儀錶盤， 漿葉開度由漿葉開度儀錶盤反映，儀錶盤內刻度代表開度度數，指針指示漿葉開度，在C步 驟時，漿葉開度儀錶盤指針保持不動。在協聯關係解除前，導葉從100%開度閉合至45%/開度，歷時6秒，即快關。協聯 關係解除後，導葉從45%開度至完全關閉，歷時約32秒，即慢關。實施例2
防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其步驟為
A.軸流轉漿式水輪機機組從任一運行工況轉為停機，控制導葉關閉的二段關閉閥均投 入工作；
B.軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在解除協聯關係前，同時按照協聯關係進行關
閉；
C.當軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉解除協聯關係後，導葉繼續關閉的同時，轉 輪漿葉反向打開。並且漿葉重新打開至軸流轉漿式水輪機漿葉的初始啟動位置。軸流轉漿 式水輪機上設置有漿葉開度儀錶盤，漿葉開度由漿葉開度儀錶盤反映，儀錶盤內刻度代表 開度度數，指針指示漿葉開度；在C步驟時，漿葉開度儀錶盤指針由低開度往高開度刻度運 行。在協聯關係解除前，導葉從100%開度閉合至40%開度，歷時4. 8秒，即快關。協聯 關係解除後，導葉從35%開度至完全關閉，歷時約沈秒，即慢關。導葉在完全關閉前，關閉速度足夠低，以致在導葉完全關閉後，導葉後面的水體不 致因慣性運動而脫離導葉，從而在導葉後面形成真空。從前面的敘述可知，導葉關閉、發電機與電網解列後，水輪機實際上轉變成了一慣 性葉片泵。葉片泵的特性曲線如圖5所示，圖中H-揚程，Q-流量，η-轉速。從曲線可知， 當該泵轉速一定時，揚程H隨流量Q的減小而增大，此流量即指水輪機轉化為水泵的流量。 當流量Q=O時，揚程H達最大；叫和n2分別為兩個不同轉速，從葉片泵的相似理論可知，H1/ H2= H21/ Ii22，即揚程與轉速的平方成正比，當其轉速從Ii1降至n2時，該葉片泵的H-Q曲線從曲線1變為曲線2，其最大揚程也從H1降至H2。這時，即使該水泵流量為0，產生的揚程(H2，甚至更小)也不足以克服尾水形成的 壓力，轉輪室內的水就不致排出，也就不能形成真空。尾水壓力是水輪機轉化為水泵的排水 阻礙。它與水泵揚程的關係是揚程是水泵揚水的能力，尾水壓力是其揚水的阻力，只有揚 程大於尾水壓力，才能將水揚出。正如水泵揚程和樓的高度關係一樣，揚程大於樓高，才能 將水送上去。這樣，轉輪室內沒有形成真空，壓差及反水錘形成的作用力均不復存在。加之， 此前，經二段關閉閥的控制，轉輪速度己大為下降。由前述的泵升力公式可知，泵升力與轉 速是二次方關係，其大小也會大為下降，當產生的泵升力小於轉動部分重量後，就不致引起 抬機了。為了避免漿葉將轉輪室內的水排至尾水，必須在機組解除協聯關係後，導葉繼續 關閉過程中，將漿葉保持在解除協聯關係瞬間所在位置或使其打開，均可使之變成一低揚 程、大流量的水泵。對於軸流轉漿水輪機來說，導葉關閉與漿葉關閉之間有一個協調聯動的 關係，具體來說即導葉關多少，漿葉就相應關多少。這種關係簡稱為協聯關係。將水輪機轉變為一低揚程、大流量葉片泵，它在尾水作用下，不能將轉輪與頂蓋之 間的水體排除至尾水，從而避免了使上述水體位置出現真空。如圖6所示的漿葉開度儀錶盤示意圖包括了漿葉的行程和開度刻度，表示其運動 情況。在進入調相運行時，必須用壓縮空氣將轉輪室中的水體排除，使轉輪在空氣中轉 動，減少功率消耗，也減小了泵升力。壓縮空氣進入轉輪室後，由於容積迅速擴大，壓力會迅 速降低，特別是儲氣罐容量不足，管道阻力大時更是如此。因此，用壓縮空室去排除轉輪室 中的水體有一個時間歷程。在這個過程中，實際上，轉輪會在水中運轉，從而產生泵升力，引 起抬機。例如，像迪什林這樣大的機組，密封面太大，要達到用壓縮空氣排水目的，在設備 和費用上都是不合適的。因為，為了在瞬間就能將轉輪室的水排除，避免轉輪在水中運轉， 必須配備強大的空氣壓縮系統(包括高壓、大排量壓縮機、龐大的儲氣罐及大口徑管道 等)，這對於小型電站來講，是可行的。而對於中、大型電站來講，則是很難實現的。所以， 國內葛州填、太平灣等諸多電站在建設初期也承擔了調相任務，但後來，都陸續退出了調相 運行工作。像迪什林這樣規模的電站提出這樣的要求，其本身就是不合適的。迪什林電站後 來並未投入調相運行。但是，在正常運行過程中，往往因操作不當或電氣元件故障，會使機 組誤入調相運行工況。此時，由於沒有提供壓縮空氣，轉輪直接在水中運轉，屬「水中調相」 運行狀態，引發了多次抬機。據統計，迄今為止，在迪什林電站M次抬機事故中，有6次是 由於在水中調相引發的，佔抬機總數的25%，而對於水中調相工況來說，則100%產生了抬 機。為了避免機組進入調相運行狀態，我們在計算機監控系統進行升級時，採取了措 施，當機組有功功率降至8%以下時，立即跳發電機出口斷路開關，同時發出停機令，從而阻 止機組進入調相工況。如前所述，經過改變導葉關閉規律、解除協聯關係後，將漿葉反向打開(或停留在 該位置)、以及阻擋機組進入調相運行三項措施後，迪什林6號機組於2010年11月經中國水科院再次測試，當有功功率降至8000KW以下時，計算機監控系統發出了停機令，阻止了 機組進入調相工況；任何工況下停機，二段關閉閥均能投入；而從空載轉為停機時，導葉和 漿葉解除協聯關係後，漿葉實現了反向打開，沒有發生任何抬機現象。基於上述原理，通過現有手段避免轉輪室出現真空從而導致抬機的方法，都在本 方法的保護範圍之內。如果某電站的漿葉開度儀錶盤與本專利權利要求書和說明書中描述的漿葉開度 儀錶盤指針指示動態相同，即表示該電站採用了本發明所提出的內容。
權利要求
1.防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，步驟為A.軸流轉漿式水輪機機組從任一工況轉為停機，控制導葉關閉的二段關閉閥均投入工作；B.軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在解除協聯關係前，同時按照協聯關係進行關閉；C.當軸流轉漿式水輪機的導葉和轉輪漿葉在關閉過程中，解除協聯關係後，導葉繼續 關閉至0，而漿葉停止關閉；協聯關係是指在某水頭下，轉漿式水輪機的導葉開度與其漿葉開度所遵循的對應關係。
2.根據權利要求1所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於所述C步 驟中，導葉和轉輪漿葉解除協聯關係後，導葉繼續關閉的同時，轉輪漿葉保持在解除協聯關 系瞬間所在位置，或者反向打開。
3.根據權利要求1或2所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於導葉 在完全關閉前，關閉速度足夠低，以致在導葉完全關閉後，導葉後面的水體不致因慣性運動 而脫離導葉，從而避免了在導葉後面形成真空。
4.根據權利要求1或2所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於將水 輪機漿葉保持在解除協聯關係瞬間所在位置，或者反向打開，使水輪機轉變為一低揚程、大 流量葉片泵，在尾水作用下，不能將轉輪與頂蓋之間的水體排除至尾水，從而避免了使上述 水體位置出現真空。
5.根據權利要求2所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於所述轉輪 漿葉重新反向打開至軸流轉漿式水輪機漿葉的初始啟動位置。
6.根據權利要求1-5任意一項所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在 於在協聯關係解除前，導葉從100%開度閉合至45%-35%開度，歷時4-6秒，即快關；協聯關 系解除後，導葉從45%-35%開度至完全關閉，歷時約沈-32秒，即慢關。
7.根據權利要求2所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於所述軸流 轉漿式水輪機上設置有漿葉開度儀錶盤，漿葉開度由漿葉開度儀錶盤反映，儀錶盤內刻度 代表開度度數，指針指示漿葉開度，在C步驟中，轉輪漿葉保持在解除協聯關係瞬間所在位 置時，漿葉開度儀錶盤指針保持不動。
8.根據權利要求2所述的防止軸流轉漿式水輪機抬機的方法，其特徵在於所述軸流 轉漿式水輪機上設置有漿葉開度儀錶盤，漿葉開度由漿葉開度儀錶盤反映，儀錶盤內刻度 代表開度度數，指針指示漿葉開度；在C步驟中轉輪漿葉反向打開時，漿葉開度儀錶盤指針 由低開度往高開度刻度運行。
全文摘要
本發明屬於水力機械領域，具體來說是一種防止軸流轉槳式水輪機抬機的方法，其步驟為A．軸流轉槳式水輪機機組從前述四種工況中的任一工況轉為停機，控制導葉關閉的二段關閉閥均投入工作；B．軸流轉槳式水輪機的導葉和轉輪槳葉在解除協聯關係前，同時按照協聯關係進行關閉；C．當軸流轉槳式水輪機的導葉和轉輪槳葉在關閉過程中，解除協聯關係後，導葉繼續關閉至0；而轉輪槳葉保持在解除協聯關係瞬間所在位置，或者反向打開。本發明的優點在於避免了因導葉關閉不當造成轉輪室出現真空，並且槳葉在解除協聯關係後保持在解除協聯關係瞬間所在位置或反向打開，使轉輪轉變為一低揚程、大流量水泵，從而，在尾水作用下，不致使轉輪室內的水排除，避免了轉輪室內形成真空。這樣，壓差及反水錘形成的作用力均不復存在。當產生的泵升力小於轉動部分重量後，就不致引起抬機。
文檔編號F03B15/00GK102121450SQ201110104388
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者閔建秋 申請人:四川省機械設備進出口有限責任公司