一种治理水电机组甩负荷抬机的深层方法与流程

本发明涉及水力发电生产安全(H02)，具体是治理水轮发电机组甩负荷时，因快速关闭导水叶而造成的抬机事故。

背景技术：

早在国家水利电力部时代，我国水力发电工作者对水轮发电机组甩负荷抬机问题进行过长久的研究与工程防护，传统治抬措施有：①强迫式真空破坏阀由调速环下楔块速压而动作，进气位置在转轮室四周压力较高区，动作后进气量很小；②自吸式真空破坏阀动作时已形成大真空度，加之水击行波在约t＝(2×25～2×50)/1000＝0.05～0.1秒后返回，入气位置虽佳仍进气极少；③两段关闭导水叶法只能略微减轻而不能消除转轮室-尾水管段存在的水击，对解决小Kz值[01]的机组抬机几乎无效，例如葛洲坝大江电厂14#机在1987年7月4日甩负荷抬机25mm[02]；④韶关长湖水电站等采用延时继电器启动装置向转轮室补入压缩空气[03]；⑤焊箍卡住，是无奈之举。

这些原水利电力部时代治理抬机的“补气”经验，都只看到转轮室产生了真空，都只重视了以牛顿惯性学说解释的反向水推力及“水泵升力”，而忽视了转轮室-尾水管段也会产生水击行波[04]，这些方法都存在原理性缺陷，申请人于1994年提出过“不延时”自动向转轮室“补入适量压缩空气”并设计了电气控制电路[01]。进一步研究发现，引水管、尾水管尺寸比例不当时而行波叠加，更容易先天性发生抬机，例如俄罗斯2009年8月17日萨彦·舒申斯克灾难。

引用文献

[01]朱文杰.水轮机防抬措施探讨.水利水电技术[J].北京：水利电力出版社，1994(09)；

[02]刘庚辛.水轮发电机组抬机事故的原因.水电站机电技术[J].天津：全国水利水电机电技术情报网出版，1989(02)；

[03]机电设计手册编写组.水电站机电设计手册，电气二次[M].北京：水利电力出版社，1984.12；

[04]朱文杰.S7-PLC控制调相压水系统并与治理甩负荷抬机合成一个神经元.第一届水力发电技术国际会议论文集，第二卷[M].北京：中国电力出版社，2006.10。

技术实现要素：

本发明揭示水电机组甩负荷抬机的深层机理是引水管、尾水管都发生了水击行波，指出在过水流道尺寸设计时应避免可能的两管水击行波互相加强；同时提出一种治理抬机的补气方式：即在甩负荷等情况需要快速关闭导叶时，“不延时”向转轮室“补入足量压缩空气”。

1.深层机理——两管水击联合抬机

水轮发电机组事故或调度人为甩负荷后，为防转速飞逸，常自动快速关闭导水叶，导致引水管和尾水管都发生水击。若(式中L_引、L_尾分别为引水管、尾水管中心线长度；C_引、C_尾分别为引水管、尾水管中发生水击时的行波传播速度；N＝1,2,3……)，则引水管水击第1阶段正波和尾水管水击第2N阶段正波在转轮室叠加而合抬。当N＝1非常不利，此时ΔP＝ΔP₁+ΔP₂＝ρ(C_引V_引0+C_尾V_尾0)(式中ΔP为压强上升幅值；ΔP₁、ΔP₂分别为引水管、尾水管发生水击后的压强上升幅值；ρ为水的密度；V_引0、V_尾0分别为引水管、尾水管发生水击前的恒定流速度)，如图1所示。俄罗斯叶尼塞河萨彦·舒申斯克惨案吻合了N＝4的情况。

当水击力与反向水推力之和大于机组转动体重量，即P₀+ΔP-H_Sρ≥K_Z时发生抬机。式中P₀为水击前恒定流压强；H_S为吸出高；K_Z为转动体在转轮室单位截面积上的重量，或称转动体相对重量[01]。

2.过流通道尺寸设计推荐公式

在水电站工程设计过程中，决定过流通道尺寸时，应该严格避免出现推荐设计成满足以使引水管、尾水管两管水击峰值在转轮室抵消，如图2所示。

3.抬机后下落碰撞力及其自重倍数

当抬机高度h(m)时，镜板碰撞推力瓦速度为。因(F为碰撞力；为碰撞时间/很小；M为转体质量)，可见惊人大，令称为碰撞力自重倍数，它与转体质量无关、与抬机高度的平方根成正比、与碰撞时间成反比，如图3所示。冲击应力应变及材料疲劳问题使材料强度再大也难承受，特易破坏卡环凹处，材料强度大只不过承受碰撞次数多些罢了。这里说明无论机组大小，都必须重视治理甩负荷抬机。

4.原理性变革的治理甩负荷抬机的思路

既然传统的防抬机措施存在原理性缺陷，就应转变思路，控制水电机组甩负荷后转轮室可能发生的两管水击。当甩负荷后为防转速飞逸要求导水叶快速关闭造成转轮室过水流量急剧下降时，为使转轮室-尾水管段不发生水击，除尽量限制关机速度外，应由远动系统指示PLC自动“不延时”向转轮室中心区域(压力较低区)补入足量(不小于过水流量减小值)的压缩空气，以维持转轮室压强不小于甩负荷前的压强值。

5.发明效果

由于找到了甩负荷抬机的深层机理，设计时就保证合理的过流通道尺寸，并采用PLC新技术控制“不延时”补气，使甩负荷时不产生转轮室真空，可预防萨彦·舒申斯克惨案在列国重演，达到治理抬机目的。

附图说明

图1：引水管水击正行波与尾水管水击正行波在转轮室峰值叠加；

图2：引水管水击正行波与尾水管水击负行波在转轮室峰值抵消；

图3：碰撞力自重倍数α与碰撞时间Δt的关系曲线；

图4、图5、图6、图7：皆系举例CP1H治理甩负荷抬机时程序设计的梯形图，共四张 图左右母线对齐组成一个整体。

具体实施方式

首先，在应用反击式水轮发电机组的各种规模水电站的过流通道尺寸设计时，推荐满足 的要求。

其次，在反击式水电机组因甩负荷等原因而要求快速关闭导水叶时，由远动系统指示PLC控制一种补气方式：自动“不延时”向转轮室“补入足量压缩空气”，避免尾水管发生水击，以达到治理甩负荷抬机的目的。以下以CP1H型PLC为例，进行治理甩负荷抬机的控制系统设计。

1.硬件系统

(1)为监测监控转轮室压强，在顶盖过流面直径为(D1+Dz)/2的分布圆周上(D1为转轮标称直径；Dz为主轴直径)沿+X、+Y、―X、―Y方向分别布置1～4号四只压力传感器。

(2)为向转轮室补入适量气体，在压缩空气通向顶盖的供气支管(支管又开四叉，可与调相压水结合)上串联一只电动控制阀。

(3)设置CP1H型PLC，网络类型Toolbus，内建AD/DA：模拟量方式1200，勾选AD 0～3CH、使用平均值、范围-10到10V，勾选DA 0CH、范围-10到10V。

(4)首先给出输入、输出信号内存变量地址分配如下：

Y:100.00——电动调节阀电源投入；

Y:100.01——电动调节阀立即全开；

Y:100.02——电动调节阀关闭；

W11.00——机组甩负荷标识；

W11.01——导叶开度位置空载以上；

W11.03——DL辅助触点引出；

W11.05——导叶开度位置全关；

W13.00——模拟SM0.1；

W50.00——机组事故停机继电器；

W50.06——机组停机指令信号；

W500、W504——接收AD 0CH数字值；

W501、W505——接收AD 1CH数字值；

W502、W506——接收AD 2CH数字值；

W503、W507——接收AD 3CH数字值；

W508——转轮室测定压力；

W400——把甩负荷瞬间的转轮室压力作为设定值；

W450——PID输出；

TMHH7——1ms计时器；

AD 0CH——1号压力传感器信号量；

AD 1CH——2号压力传感器信号量；

AD 2CH——3号压力传感器信号量；

AD 3CH——4号压力传感器信号量；

DA 0CH——电动调节阀PID调节。

2.控制程序

根据机组控制要求与分析编写控制程序，将其梯形图按先后次序分割成四部分，如图4、 图5、图6、图7所示。

3.程序简要说明

当机组甩负荷后，出口断路器是跳开的，其辅助动断触点W11.03闭合，导叶开度位置仍在空载以上，动合触点W11.01闭合，此时机组事故停机继电器W50.00以及机组停机继电器W50.06均启动使其动合触点亦都闭合，因此机组甩负荷标识W11.00置位。甩负荷标识W11.00置位后，Y:100.00置1使电动调节阀电源立即投入，甩负荷后第一次扫描程序时Y:100.01置1作用于电动调节阀全开度打开。

把AD 0～3CH从顶盖下方采集到的压力数字值传送到W500～W503，各取1/4储存在W504～W507，再相加得到转轮室实测平均压力，储存在W508，作为PID控制的输入值。而甩负荷后第一个扫描周期把W508中储存的甩负荷瞬间的转轮室压力，送入W400中储存起来，作为这次PID控制的设定值，PID输出设置为W450。当机组停机继电器复归(W50.06动断闭合)、导叶位置全关(W11.05动断闭合)，Y:100.02置位使电动调节阀全关。

4.补充说明

“不延时”“补入适量压缩空气”是申请人在1994年基于国家原水利电力部治抬经验而提出的观点，考虑机组事故停机过程中的暂态“气垫”无害，进一步提出由远动系统自动“不延时”“补入足量压缩空气”，即“不延时补气益多不能少”，这样可以不采用PID控制规律，有利于简化控制程序，只需在甩负荷时“不延时”开启足够口径的阀门，再延时若干秒后关闭补气阀门。