水泵水轮机的全特性及过渡过程

一、水泵水轮机的全特性及过渡过程

过渡过程是指水力机组由一种稳定工作状况转换到另一工作状况的瞬态或短时间的变动过程。其主要特征表现在水泵水轮机的水力特性变化。蓄能机组的机械特性和电气特性也将反映在水力过渡过程中。

水泵水轮机的过渡过程可以是可控的，如水轮机工况和泵工况的启动、停机和正常增减负荷；可以是部分可控的，如水轮机工况甩负荷和泵工况失去动力后的紧急关闭；也可能是失控的，如甩负荷或泵工况失去动力后导叶拒绝动作的情况。

（一）水泵水轮机的全特性

水力机械全特性的概念首先是从水泵应用中提出来的。当一台向水塔供水的泵突然失去动力，水流在很短时间内即失去惯性而反向向下流，但泵和电动机的机械惯性使叶轮暂时仍向原来方向旋转，水流冲击叶轮而起制动作用。待叶轮的惯性全部消失后，它即反过来向水轮机方向旋转，最后达到飞逸转速。这一过程经历了正水泵工况、制动工况和水轮机工况三个运行区。

在水轮机和水泵水轮机的过渡过程中还会出现水轮机制动和反水泵两个运行区。通常把各种正常工况和过渡过程工况的全部特性总称为全特性。

图2-3-1、图2-3-2所示为典型的流量、转矩全特性曲线。

图2-3-1　全特性—流量特性曲线

图2-3-2　全特性—转矩特性曲线

天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机模型全特性试验中，分别作出了0°、1.5°、3.0°、6.0°、8.8°、11.9°、14.9°、17.9°、20.9°、23.8°、26.8°、29.9°、32.9°等13种不同的导叶开度的全特性曲线，分为水轮机工况区（turbine）、水泵制动（pump break）、水泵（pump）、水轮机制动（turbine break）、反水泵（reverse pump）五个区域，如图2-3-3所示。从图中可以看出，在抽水工况区的大开度下，导叶开度线接近重合，表明当导叶开度大到一定程度时，流量并不随导叶开度的增大而增大，因此调速器在抽水工况下并不是闭环调节，而可以根据扬程线性插值而得到导叶开度，或者根据扬程、电网频率和机组入力，计算水泵的运行最优效率和流量，得出最优导叶开度，但调速器仍为开环调节。

图2-3-3　天荒坪抽水蓄能电站模型水泵水轮机全特性曲线

（二）水泵水轮机过渡过程

1.水轮机工况甩负荷过程

水泵水轮机作水轮机运行时若遇事故发生，在电气负荷甩掉以后导叶即自行关闭，将机组停下来或保持在空载状态。导叶关闭方式要选择得合适，使压力管道中压力上升和尾水管中压力下降以及机组转速上升都不超过电站设计的允许限度。目前使用的液压操作调速器，在关闭导叶时一般是按直线规律动作，在一段行程后改变直线的斜率（关闭速度），形成两段直线关闭或三段直线关闭（参见图2-3-4）。两段直线的交点叫做拐点，直线的斜率和拐点的位置对总的关闭过程有重要影响。

不少地下式抽水蓄能电站由一根压力钢管向两台或三台机组供水，在机组后面各个尾水管又并入公共的尾水隧洞。在此情况下，一台机组的水力振荡可能影响另一台机组的正常运行，振荡的影响可能使另一台机组超过其继电保护限度而随之甩负荷。

2.水轮机工况启动过程

水泵水轮机作水轮机启动时受S特性影响很大，在很多情况下机组不能由空载直接带上负荷，而不可避免地要进入反水泵区，造成运行上的很多困难（见图2-3-5）。

图2-3-4　典型的水轮机工况甩负荷过渡过程

图2-3-5　水轮机启动过程曲线

水轮机工况进入反水泵区的过程大致如下：

（1）在发电运行并网之前，机组实际上是处于空载开度下的飞逸状态。

（2）机组由调相转发电时，导叶刚开启而转轮室尚未充满水，已进来的水体成为叶片上的负荷；使机组进入反水泵区运行。下一时刻转轮室充满了水，机组又很快转为正常水轮机向外输出功率，在很短时间内（几秒钟）作用力矩整个反向，造成结构部件上的冲击负荷。(www.xing528.com)

3.尾水管水柱分离

地下式抽水蓄能电站趋向于使用长尾水管或尾水隧洞，因而尾水管中的水压振荡增大。尾水管水压力过低，就会产生水柱分离（参见图2-3-6）。

图2-3-6　尾水管中水柱分离现象

在尾水隧洞中设置调压室能有效地减轻尾水管中的压力降。天荒坪抽水蓄能电站机组甩负荷时的尾水管压力一般在0.6MPa以上，不会产生液柱分离。

4.水泵工况失去动力过程

水泵水轮机抽水时遇电源中断时必须将导叶关闭。在关闭过程中扬程、流量和转速都将有很大的变化，故和水轮机工况甩负荷过程一样，需找出最优的关闭规律。

如果导叶关闭得很快，则可以完全避免水倒流，但快速关闭所产生的负水击将超过引水系统的设计允许限度。如果导叶关得过慢，则到小开度时机组内的水轮机方向流量已经很大，关闭动作将使导叶和尾水管产生很大的震动。

5.水泵工况启动过程

混流式水泵水轮机泵工况扬程特性曲线在小流量范围内一般都有一个驼峰区，电站设计时应将泵的正常工作范围选在驼峰区以外。不过在电站高水位时也可能避不开驼峰区。如图2-3-7所示的机组在泵工况启动后噪声很大，流量不足，导叶虽然开大了但机组并未越过驼峰区，待水压振荡平息后再继续开大。根据模型特性曲线，天荒坪抽水蓄能电站的泵工况扬程特性曲线的驼峰区在614m扬程以上，在正常运行范围内不存在驼峰区（不稳定区）。

图2-3-7　泵工况起抽水的过渡过程

（三）水泵水轮机的S特性

1.水泵水轮机S特性形成的原因

中、高比转速水轮机Q₁₁-n₁₁曲线上的开度线在高转速区略呈向下弯曲的形状，如图2-3-8中虚线所示。它和飞逸特性曲线（M₁₁＝0）的交角较大，故这种水轮机在到达飞逸后容易保持稳定，一般不会超过飞逸特性曲线而进入制动区。

但是可逆式水泵水轮机和低比转速水轮机因为转轮直径较大，离心力作用大，水的进流很快下降，开度线显著地向下弯曲，如图2-3-8中的实线的。这些线和飞逸特性M₁₁＝0线的交角很小，故这种机组达到飞逸以后有可能直接进入制动区。

比转速特别小的水泵水轮机在受到其自身惯性驱动而进入制动区后，由于水流对转轮的阻挡作用，在流量减小的同时转速也略微下降，故开度线出现向小n₁₁值的反弯现象，如图2-3-9所示。如果惯性力矩仍不消失，转轮离心力将使水向反方向流出，即进入反水泵区。此时转速将再增大，使开度线向大n₁₁方向弯曲，总的形成一个S形，这段曲线通称为S特性曲线。在S区域内机组在同一单位转速下可以有三个不同的单位流量，其中一个还是负值，所以S区域是个不稳定区，机组运行中要尽量避免进入这一区域。

图2-3-8　飞逸转速附近的开度线

图2-3-9　可逆式水泵水轮机的S特性

2.天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机的S特性

由天荒坪抽水蓄能电站的水泵水轮机全特性模型试验可知，在高单位转速区域，其曲线是反S形的，当导叶开度为4°～6°左右、转速在额定转速附近时，对应单位转速为42～43.2r/min，空载开度线经过S形曲线的拐点位置附近。机组在此条件下运行将在水轮机工况和水轮机制动工况间来回转换，运行出现不稳定现象，转速在460～510r/min之间来回摆动。

在5^＃、18^＃导叶上加装不同步预开装置（MGV）改变S形特性。试验表明，采用导叶不同步预开的方式效果较明显（如图2-3-10所示），不仅改变了机组的S形特性，使弯曲部分变得平顺，而且可使S形区域离开正常的运行范围。特别是在空载时，投入MGV后的主接力器行程也较不投入MGV时要小，进一步增强了空载运行的稳定性。

图2-3-10　不同的MGV开度下的S特性曲线