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长距离引水式水电站机组压力管道快速排水研究

2024-11-29 115 上传者：管理员

摘要：大型水电站压力管道排水量大，仅依靠压力管道的排水装置进行排水，不能满足快速排水的需求。在分析三种机组排水方式特点基础上，提出了自动开导叶排水基本条件和关键过程，根据机组转速、导叶开度以及关键节点的时间等参数控制排水流程，从而实现压力钢管快速排水。

关键词：
压力管道
压力钢管
快速排水
水电站
长距离引水
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在水电站检修过程中，要求对过流系统进行排水作业，特别是压力钢管的排水存在排水量大的客观条件和排水时间尽可能短的需求。而如何安全、快速的排水，不仅影响机组检修工期，而且可能影响机组等效可用系数，进而影响到电站的经济效益[1]。本文以国内某大型引水式水电站为例，对该类型电站引水压力管道快速排水展开研究。该电站额定水头197 m, 左右岸各设9条压力钢管，采用单机单管供水，机组压力钢管内径10 m, 总长度291.8～405.5 m, 沿纵剖面可分为渐变段、上平段、上弯段、竖井段、下弯段及过渡段[2]。机组在活动导叶和固定导叶之间装设有筒形阀，停机时落下，用以防止活动导叶间隙漏水、机组蠕动等。且该电站采用远方监视集控+电站现场操作的工作模式。

当前机组排水方式可分为排水装置排水、现地手动开导叶排水、远方流程化自动开导叶排水三种，其中前两种在实际生产中得到广泛应用。本文重点探讨远方流程化自动开导叶排水方式。

1、机组排水方式优劣分析

1)排水装置排水。

此方式是最基础的排水方式。在切断上游水库来水后，先将压力钢管内的水通过排水阀排至集水井后，再利用水泵等排出厂内。该方式下，压力管道上平段主要受排水阀允许流速的限制，排水速度较快；竖井段主要受水位消落速度的限制，排水耗时较长；下平段尽管水头小，排除少量水体也需要较长时间[3],同时考虑排水泵的抽水效率，该排水过程可长达十数小时，效率极低。

2)现地手动操作开导叶排水。

在切断上游水库来水后，操作人员现地手动将导叶开至一定开度，通过机组空转过流的形式，将压力管道内的水快速排出。该方式较第1种效率大大提高，排水时间可以控制在2 h左右。但是需要远程控制系统和现地相互配合进行操作，操作过程中人为控制、操作较多，因此排水过程对操作人员的熟练程度和经验有较高要求[4]。

3)远方流程化自动开导叶排水。

基本原理与方式2相同，但是通过标准化、自动化、流程化的方式，利用远程控制系统，实现一键开导叶排水。整个过程由计算机系统根据流程条件判定自动完成，操作人员仅需监视机组状态即可。在提高排水可靠性的同时排水时间可在方式2的基础上至少减少50%。压力钢管排水时间由传统通过排水装置排水的十数小时，到手动开导叶排水的数小时，再到自动开导叶排水的数十分钟，排水效率大大提高。

2、自动开导叶排水基本条件

自动开导叶排水是基于进水口闸门落下后，将压力钢管内的水通过机组转动，借助机组的过流排至下游，从而达到快速排水的目标。整个排水的过程可简单分成“机组开机-分阶段关闭导叶-机组停机”。

根据一般水轮发电机组开机基本条件与停机基本条件对比，当满足开机的基本条件时，也必然会满足停机的基本条件，并且由于排水过程不需要投入励磁也不得并网，所以自动开导叶排水条件满足机组开机到空转的条件即可。同时，在自动开导叶排水过程中，为避免空转机组误与电网并列，可考虑设置相应逻辑闭锁条件或实施其他技术措施。

3、自动开导叶排水核心控制及排水流程

3.1 开导叶排水核心控制

开导叶排水核心控制过程包括：①调速器通过不断增加导叶开度，增加机组过流，从而使机组转速维持在100%额定转速的过程；②随机组转速的下降逐步分阶段关闭导叶的过程。

在排水过程中，由于机组进水口闸门关闭后，该压力钢管内总水量将不会增加，当压力钢管内水经蜗壳、尾水管排至下游尾水，压力钢管内实际水头持续降低。调速器将会通过不断增加导叶开度，增加机组过流，从而使机组转速维持在100%额定转速，直至机组转速不会随过流量的增加而增加，导叶开度也会逐渐打开至全开(大开度)。虽然此时机组转速不会升高，但是由于机组过流量增加，排水仍会保持较高的速度。

当压力钢管与下游尾水平压后，此时调速系统运行工况较正常运行时存在较大差异，因此需要考虑在调速系统额定油压且机组过流系统内压力较低的条件下，极有可能存在导叶关闭规律异常或导叶快速回关对接力器油缸及相关连接管路产生较大冲击[5-6]。

因此，开导叶排水就需要控制好机组转速从0%升至100%再降至95%额定转速这个过程所用的时间，且为满足快速排水的需求，在机组转速大于80%时，可保持机组导叶在全开(大开度)。同时考虑排水后导叶快速回关可能对接力器油缸及相关连接管路产生较大冲击，因此当转速下降至80%、60%、40%、20%时，分别将导叶关闭至70%、50%、30%、10%开度，通过分阶段逐步关闭导叶减少对系统的冲击。

3.2 机组远程自动开导叶排水流程

机组远程自动开导叶排水流程简图见图1。其中，“机组开机至调速器准备好的过程”是满足电站正常开机至空转条件后，机组遵循开机流程依次操作技术供水系统、机组辅助设备(如启动油雾吸收装置、碳粉吸收装置，退出机坑加热器等)、调速器液压系统、高压油系统、筒形阀系统、调速器锁锭装置，直至满足调速器开机即机组转动前的一切准备流程。

“调速器开机至机组空转状态”是机组由静止状态过渡为转动状态，并通过调速系统增加导叶开度，加大机组过流量的方式，尽可能维持机组转速在100%Ne(注：Ne表示额定转速)直至导叶开至最大开度后，转速仍下降至95%Ne的过程。该步流程的运行时间T1,通过试验方式得出经验值即可，无需复杂计算，该运行时间的整定，“一机一值”、“多机一值”均可。

“导叶分阶段回关”是在导叶开至最大开度，机组转速仍持续降低后，在降至不同转速时，逐步将导叶分阶段回关。

“机组停机至全停过程”是机组转速低于20%Ne且导叶开度小于10%,且满足“STEP.8导叶分阶段回关” 步骤运行时间后。机组根据停机流程依次操作调速器、风闸(机组机械制动)、调速器锁锭装置、高压油系统、速器液压系统、机组辅助设备、技术供水系统，直至机组停机至全停状态。

图1 机组远程自动开导叶排水流程简图

4、自动开导叶排水重要参数确定

上述流程中STEP.7和STEP.8中本步运行时间，是自动开导叶排水流程中较为重要的参数，关系着开导叶排水的效率。

结合现场手动开导叶排水过程分析，并结合调速系统调节特性，可以通过下述试验方法，来确定机组转速、导叶开度以及所用时间这3个关键数据。

首先，确认试验机组状态应满足以下要求，进水口闸门已落下、机组与电网有明显断开点、机组开机至空转条件满足、机组调速器“自动”控制方式、机组无异常报警。

其次，通过远方控制系统发令使机组开机至机组空转。在此期间，当控制系统自动下达调速器开机令时，创建计时1。同时监视机组转速和导叶开度的变化，当机组达到额定转速后，调速器应通过适时增加导叶开度，维持机组100%额定转速。当导叶开度增加而转速降低时(取转速由100%降至95%时),记录所用时间；当机组转速降至90%时，记录所用时间T1。

然后，创建计时2,继续监视机组转速，当下降至80%时，将调速器控制方式切至“手动”模式，并缓慢关闭导叶至70%开度；当机组转速降至60%时，缓慢关闭导叶至50%开度；当机组转速降至40%时，缓慢关闭导叶至30%开度；当机组转速降至20%时，缓慢关闭导叶至5%开度，记录计时2所用时间T2。上述“手动”模式下，进行缓闭导叶操作，不会对T2测值产生影响且测量过程更接近自动流程动作过程，此时缓闭导叶仅为减少对调速器液压系统的冲击。

最后，将调速器控制方式切至“自动”模式，远方发令停机。

通过上述试验，可确认STEP.7中本步运行时间T1,STEP.8中运行时间考虑一定裕量可取110%*T2。而导叶分阶段回关节点的确定则需根据试验完成后现场试验记录和检查情况结合故障录波、趋势分析数据，综合考虑得出。

5、结语

对于引水管道直径大、引水距离长的水电站，根据机组转速、导叶开度、关键节点的时间等参数控制排水流程，自动开导叶排水完全可以实现和满足机组压力钢管和蜗壳内水压快速与尾水平压的过程(即压力钢管快速排水)。

机组自动开导叶排水在技术层面减低人员误操作的风险，大大提高工作效率和人力资源的利用率，并且可以在一定程度上缩短机组检修工期，切实降低时间成本，显著提升经济效益。

参考文献:

[1]梁成刚,刘江红,杨自聪,等.锦屏一级水电站压力钢管排水方式探索与实践[J].四川水力发电,2020,39(S1):120-123,127.

[2]张银云.湖南镇电站压力钢管停复役操作运行分析[J].小水电,2011(4):137-139.

[3]陈龙,程永光,郑莉玲.水电站压力管道排水时间计算方法[J].武汉大学学报(工学版),2014,47(4):463-466,472.

[4]吴洪飞,姚登峰,李延舟.巨型混流式水轮发电机组检修排水方式探讨[J].水电站机电技术,2012,35(5):21-22,30.

[5]张军,徐波,陈刚.向家坝水电站机组低水头过速试验导叶关闭规律异常分析[J].水力发电,2014,40(10):75-77.

[6]常永涛,陶吉全,谢伟成,等.乌东德水电站导叶关闭规律延时原因浅析及处理[J].电力设备管理,2022(S1):202-204.