專利名稱：一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水力機(jī)械工程，特別是一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法。
背景技術(shù)：
在水電站運(yùn)行過(guò)程中，由于電力系統(tǒng)的負(fù)荷有時(shí)會(huì)發(fā)生突然變化(如因事故突然甩負(fù)荷，或在較短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)機(jī)組或增加負(fù)荷)，破壞了水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)負(fù)荷之間的平衡，機(jī)組轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)水電站的自動(dòng)調(diào)速器迅速調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度，改變水輪機(jī)的引用流量，使水輪機(jī)的出力與發(fā)電機(jī)負(fù)荷達(dá)到新的平衡，機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來(lái)的額定轉(zhuǎn) 速。由于負(fù)荷的變化而引起活動(dòng)導(dǎo)葉的開(kāi)度、水輪機(jī)流量、水電站水頭、機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。其主要表現(xiàn)為
(I)引起機(jī)組轉(zhuǎn)速的較大變化
由于發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化是瞬時(shí)發(fā)生的，而活動(dòng)導(dǎo)葉的啟閉需要一定時(shí)間，水輪機(jī)出力不能及時(shí)地發(fā)生相應(yīng)變化，因而破壞了水輪機(jī)出力和發(fā)電機(jī)負(fù)荷之間的平衡，導(dǎo)致了機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。甩負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)在活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生的剩余能量將轉(zhuǎn)化為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能，從而使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高。反之增加負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速降低。(2)在有壓引水管道中發(fā)生“水擊”現(xiàn)象
當(dāng)水輪機(jī)流量發(fā)生變化時(shí)，管道中的流量和流速也要發(fā)生急劇變化，由于水流慣性的影響，流速的突然變化使壓力水管、蝸殼及尾水管中的壓力隨之變化，即產(chǎn)生水擊。活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則造成壓力下降。反之活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)，在壓力管道和蝸殼內(nèi)引起壓力下降，而在尾水管中引起壓力上升。(3)在無(wú)壓引水系統(tǒng)(渠道、壓力前池)中產(chǎn)生水位波動(dòng)現(xiàn)象。在實(shí)際水電站設(shè)計(jì)過(guò)程中引用調(diào)節(jié)保證計(jì)算研究由于機(jī)組負(fù)荷變化引起水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。通過(guò)實(shí)際研究，對(duì)上述表現(xiàn)中，機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速降低和壓力管道、蝸殼內(nèi)引起壓力下降及尾水管中引起壓力上升，不是調(diào)節(jié)保證計(jì)算中的主要問(wèn)題，而機(jī)組甩負(fù)荷引起的水擊壓力升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，可能會(huì)引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極脫落及機(jī)組蝸殼、壓力鋼管爆裂成為調(diào)節(jié)保證計(jì)算的主要任務(wù)，因此，為避免事故發(fā)生，以及機(jī)組制造的強(qiáng)度和蝸殼、壓力鋼管承受壓力的經(jīng)濟(jì)厚度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，在設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)壓力升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高有如下要求
機(jī)組甩負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率
當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作容量的比重較大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于45% ；
當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作容量的比重不大或擔(dān)負(fù)基荷時(shí)，宜小于55%。機(jī)組思負(fù)荷的蝸殼最大壓力升聞率 額定水頭小于40m時(shí)，宜為7(Γ50% ；
額定水頭在40nTl00m時(shí)，宜為50 30% ；
額定水頭大于IOOm時(shí)，宜小于30%。
如果調(diào)節(jié)保證計(jì)算超出上述范圍，應(yīng)采取減小水擊壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的措施，一般采取的措施是在引水系統(tǒng)設(shè)置調(diào)壓井以滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速和蝸殼最大壓力上升的要求。但是設(shè)置調(diào)壓井費(fèi)用較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種取消調(diào)壓井設(shè)置或減小調(diào)壓井的尺寸，優(yōu)化引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)的一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法。以便解決在調(diào)節(jié)保證計(jì)算超出規(guī)范要求，減小水擊壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速和蝸殼最大壓力上升及尾水隧洞壓力下降的要求。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的裝置，其特征是包括水輪機(jī)蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉和引水壓力鋼管，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口機(jī)組檢修閥上端的引水壓力鋼管上有一根旁通管，旁通管連接一個(gè)檢修閥和一個(gè)流量調(diào)節(jié)消能閥，流量調(diào)節(jié)消能閥下游側(cè)連接一根排水管，排水管通往電站尾水渠或尾水隧洞。一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法，其特征是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上 升時(shí)，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制活動(dòng)導(dǎo)葉迅速關(guān)小或關(guān)閉，以滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速的要求，由于活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)小或關(guān)閉速度很快，會(huì)引起引水系統(tǒng)水流速度急劇下降，蝸殼和壓力鋼管壓力迅速升高，尾水隧洞壓力降低，為了防止這種壓力升高和降低，調(diào)速系統(tǒng)關(guān)小或關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉的同時(shí)，開(kāi)啟流量調(diào)節(jié)消能閥，引水壓力鋼管通過(guò)旁通管、流量調(diào)節(jié)消能閥向尾水渠或尾水隧洞泄水，隨后再將流量調(diào)節(jié)消能閥緩慢關(guān)閉。減小引水系統(tǒng)流速急劇減小，這樣就可以降低機(jī)組蝸殼及引水系統(tǒng)的壓力的上升和尾水隧洞壓力降低。本發(fā)明的技術(shù)效果為
I、在水電站設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)保證計(jì)算超出規(guī)范要求時(shí)，減小水擊壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率，滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速和蝸殼最大壓力上升及尾水隧洞的壓力降低的要求。替代以往解決這一問(wèn)題設(shè)置調(diào)壓井或提供一種減小調(diào)壓井的尺寸降低建造費(fèi)用的方法。2、在水電站設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)引水隧洞(包括尾水隧洞)、壓力鋼管斷面尺寸，隧洞襯砌、鋼管外包混凝土的厚度及配筋，壓力鋼管、蝸殼鋼板的設(shè)計(jì)厚度及水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、針對(duì)具體工程情況綜合分析對(duì)比計(jì)算降低工程造價(jià)。


下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
圖I是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記如下
I.引水壓力鋼管、2.旁通管、3.檢修閥(流量調(diào)節(jié)消能閥)、4.流量調(diào)節(jié)消能閥、5.排水管、6.尾水渠、7.活動(dòng)導(dǎo)葉、8.蝸殼、9.檢修閥(機(jī)組)、10.尾水隧洞。
具體實(shí)施例方式 如圖I、圖2所示，在水輪機(jī)蝸殼8進(jìn)口機(jī)組檢修閥9上端的引水壓力鋼管I上有一根旁通管2，旁通管2連接一個(gè)檢修閥3和一個(gè)流量調(diào)節(jié)消能閥4，流量調(diào)節(jié)消能閥4下游側(cè)連接一根排水管5，排水管5通往電站尾水渠6或尾水隧洞10。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升時(shí)，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制活動(dòng)導(dǎo)葉7迅速關(guān)小或關(guān)閉，以滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速的要求，由于活動(dòng)導(dǎo)葉7關(guān)小或關(guān)閉速度很快，會(huì)引起引水系統(tǒng)水流速度急劇下降，蝸殼8和引水壓力鋼管I壓力迅速升高，尾水隧洞10壓力降低，為了防止這種壓力升高和降低，調(diào)速系統(tǒng)關(guān)小或關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉7的同時(shí)，開(kāi)啟流量調(diào)節(jié)消能閥4，引水壓力鋼管I通過(guò)旁通管2、流量調(diào)節(jié)消能閥4向尾水渠6或尾水隧洞10泄水，隨后再將流量調(diào)節(jié)消能閥4緩慢關(guān)閉。減小引水系統(tǒng)流速急劇減小，這樣就可以降低機(jī)組蝸殼8及引水壓力鋼管I的上升和尾水隧洞10的壓力降低。例如某一引水式水電站布置形式如圖1，安裝一臺(tái)機(jī)組，引水隧洞及壓力鋼管長(zhǎng)L=4000m,隧洞和壓力鋼管直徑為D=2. 2m,初始水頭Htl=IOOm,機(jī)組額定流量Qr=15m3/s，已知水擊波速a=1000m/s，由機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的要求活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts=7s，如果機(jī)組在額定水頭甩滿負(fù)荷水擊壓力上升為 由于Ts < 2L/a時(shí)，所以，這種水擊為直接水擊。直接水擊計(jì)算公式
AH = H-H0=-^(V-F0) g
式中Λ H----水擊值(m);
H 水擊水頭(m);
H0 初始水頭(m);
g-----電站所在地的重力加速度，一般為9. 81m/S2;
V-----引水系統(tǒng)終了速度；
V0-----引水系統(tǒng)起始速度；
V0=Qr/ (3. 14 X (D2/4))=15/(3. 14 X (2. 22/4))=3· 948m/s V=O
水擊值 ΛΗ=-1000Χ (0-3. 948)/9. 81=402. 5m。按照規(guī)范要求額定水頭在IOOm時(shí)，最大上升為30%即30m，現(xiàn)在上升402. 5m,在水輪機(jī)蝸殼8進(jìn)口機(jī)組檢修閥9前，引水壓力鋼管I上引一根旁通管2，旁通管2連接一個(gè)額定流量為15m3/s的流量調(diào)節(jié)消能閥4和檢修閥3，流量調(diào)節(jié)消能閥4下游側(cè)連接一根排水管5通往電站尾水渠6。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉7的同時(shí)，由控制系統(tǒng)控制流量調(diào)節(jié)消能閥4開(kāi)啟向尾水渠6泄水，保持引水壓力鋼管I流量、流速不變(這只對(duì)本例而言，根據(jù)工程情況，可以是活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)通過(guò)的流量大于流量調(diào)節(jié)消能閥4下泄的流量，原則是流量調(diào)節(jié)消能閥4在水擊發(fā)生時(shí)減緩引水系統(tǒng)水流流速的急劇下降)，在這種情況下停機(jī)過(guò)程中就不會(huì)水發(fā)生，這樣就把水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算變成管道末端安裝一個(gè)流量調(diào)節(jié)消能閥4的簡(jiǎn)單水擊計(jì)算，由于流量調(diào)節(jié)消能閥4不像水輪機(jī)那樣有轉(zhuǎn)速的要求，所以對(duì)流量調(diào)節(jié)消能閥4關(guān)閉的時(shí)間不受限制，這樣通過(guò)電算可以找到一個(gè)最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉流量調(diào)節(jié)消能閥4，是引水壓力鋼管I水擊上升不超過(guò)30m(水頭不超過(guò)130m)，滿足了設(shè)計(jì)要求，取消對(duì)調(diào)壓井的設(shè)置或設(shè)置一個(gè)尺寸較小的調(diào)壓井。上例證明了本發(fā)明對(duì)水電站水擊壓力減小的可行性和正確性。但不局限于調(diào)壓井的問(wèn)題，也可以對(duì)引水隧洞、壓力鋼管斷面尺寸、隧洞襯砌厚度及配筋、壓力鋼管、蝸殼的設(shè)計(jì)厚度、水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如某一水電站為壩后式廠房，引水系統(tǒng)為單機(jī)單管布置，經(jīng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算，水擊類型為間接水擊，計(jì)算結(jié)果是滿足了調(diào)保計(jì)算，但管道的流速小于管道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)流速，按經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算水擊壓力上升不滿足要求，管道的斷面要比經(jīng)濟(jì)流速大，一般情況就只能滿足調(diào)保計(jì)算設(shè)計(jì)引水鋼管。如果采用本專利方法，按照經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算，水擊發(fā)生時(shí)，用流量調(diào)節(jié)消能閥4分流一部流量，降低水擊壓力，就有可能是管道流速提高到以經(jīng)濟(jì)流速設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)一步優(yōu)化壓力鋼管外包混凝土的配筋及鋼板厚度；如果在這種情況下采用本專利不以提高鋼管流速為目的，而以降低水擊壓力為目的，這樣既可以進(jìn)一步優(yōu)化壓力鋼管外包混凝土的配筋及鋼板厚度，也可以進(jìn)一步優(yōu)化蝸殼的鋼板厚度；如果在這種情況下采用本發(fā)明以優(yōu)化機(jī)組轉(zhuǎn)速為目的，可以改變水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
同理布置形式如圖2有尾水隧洞的電站，對(duì)長(zhǎng)尾水隧洞由水擊引起壓力變化也能進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低壓力變化，取消尾水調(diào)壓井或減小調(diào)壓井的尺寸、優(yōu)化隧洞斷面尺寸、襯砌厚度、配筋等。
權(quán)利要求
1.一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法，其特征是包括水輪機(jī)蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉和引水壓力鋼管，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口機(jī)組檢修閥上端的引水壓力鋼管上有一根旁通管，旁通管連接一個(gè)檢修閥和一個(gè)流量調(diào)節(jié)消能閥，流量調(diào)節(jié)消能閥下游側(cè)連接一根排水管，排水管通往電站尾水渠或尾水隧洞。
2.一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法，其特征是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升時(shí)，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制活動(dòng)導(dǎo)葉迅速關(guān)小或關(guān)閉，以滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速的要求，由于活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)小或關(guān)閉速度很快，會(huì)引起引水系統(tǒng)水流速度急劇下降，蝸殼和壓力鋼管壓力迅速升高，尾水隧洞壓力降低，為了防止這種壓力升高和降低，調(diào)速系統(tǒng)關(guān)小或關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉的同時(shí)，開(kāi)啟流量調(diào)節(jié)消能閥，引水壓力鋼管通過(guò)旁通管、流量調(diào)節(jié)消能閥向尾水渠或尾水隧洞泄水，隨后再將流量調(diào)節(jié)消能閥緩慢關(guān)閉；減小引水系統(tǒng)流速急劇減小，這樣就可以降低機(jī)組蝸殼及引水系統(tǒng)的壓力的上升和尾水隧洞壓力降低。
全文摘要
本發(fā)明屬于水力機(jī)械工程，特別是一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法。包括水輪機(jī)蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉和引水壓力鋼管，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口機(jī)組檢修閥上端的引水壓力鋼管上有一根旁通管，旁通管連接一個(gè)檢修閥和一個(gè)流量調(diào)節(jié)消能閥，流量調(diào)節(jié)消能閥下游側(cè)連接一根排水管，排水管通往電站尾水渠或尾水隧洞。本發(fā)明消調(diào)壓井設(shè)置或減小調(diào)壓井的尺寸,優(yōu)化引水系統(tǒng)設(shè)計(jì),降低工程造價(jià)的一種防止水輪機(jī)引水系統(tǒng)水擊壓力升高的方法。以便解決在調(diào)節(jié)保證計(jì)算超出規(guī)范要求，減小水擊壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速和蝸殼最大壓力上升及尾水隧洞壓力下降的要求。
文檔編號(hào)F03B15/06GK102878002SQ201210381618
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者王耀洲 申請(qǐng)人:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院