宋书文
甘肃省甘兰水利水电建筑设计院 张掖市 734000
1 概述
甘肃省临泽县鹦鸽嘴水电站系坝后式电站。1991年动工兴建，1995年竣工投产。该电站总装机容量3×1250kW，安装3台HL240－LJ－84型水轮机，配SF1250－12／2150型发电机、YDT－1000型调速器、1200mm双平板电动蝴蝶阀。主压力管道铺设在水库坝下的旧泄洪洞内，内衬2300mm的钢管，在泄洪隧洞出口的原消力池处布置三叉管，三叉管以下铺设1500mm的钢管支管。主管道与原隧洞的设计纵坡一致，主管长度196．34m，最大支管长度20．36m。由于有压系统较长，压强变化和转速变化不能得到保证。为利用原隧洞铺设主管，不加大机组转动惯量，不增加减压设施，达到降低工程造价的目的，在设计中采用了在调速器上增加二段关闭装置，以分段关闭的形式进行调节，可使水锤及转速变化被限制在规范的要求之内。本文对计算情况简要介绍如下。
2 水锤及调节保证计算
2．1 水锤及调节保证计算的任务
水锤及调节保证计算的任务就是按照水电站过水系统和水轮发电机组的特性，合理选择开度的调节时间和调节规律，进行水锤和机组转速变化计算，使二者的数值限制在允许范围内，并力求使水锤压强最小。
2．2 水锤及调节保证计算的内容
水锤及调节保证计算的内容包括：
1）当丢弃全部负荷或部分负荷时，转速的最大升高值、压力水管和蜗壳内的压强最大升高值及最大降低值、尾水管内的最大真空值。
2）当增加全部负荷或部分负荷时，转速的最大降低值、压力水管和蜗壳内的压强最大降低值。
以上各值均应在允许范围之内。对于负水锤还应满足压力管路任何一点不出现负压且有一定余压。
2．3 压力管路特性及电站技术参数
压力管路特性见表1，电站技术参数见表2。
2．4 水锤压强及转速变化的计算
2．4．1 压力管路等价波速计算
按照水锤波速计算公式，把蜗壳及尾水管中的水流假定为一元流，将其作为压力管路的延续部分，分别求出主管、支管、蝶阀、蜗壳、尾水管处的波速Ci，最后求出压力管路
2．4．4 水锤压强及速率上升值计算
在最高静水头、设计水头情况下机组丢弃全部负荷时，将会产生正水锤。在最低静水头情况下机组丢弃全部负荷时将会发生反水锤，在增荷时使最后一台机组投入运行时将会产生负水锤。计算结果见表3。
2.4.5 计算结果分析
1)根据计算结果分析,在设计水头情况下机组丢弃全部负荷时的速率上升值为65 ．7％ ，大于规范要求［B＝60％］，在最低水头机组丢弃全负荷时的反水锤降低值为93％，致使在压力管路的上镇墩处产生2．6m的负压，不能满足管路的铺设要求。
为能满足上述的要求，经计算，需将GD2增大到11．4t·m2，而厂家生产的发电机GD2只有8t·m2，单纯依靠增大GD2势必会加大机组造价，降低机组效率。
2）压力管路铺设在原泄洪隧洞内，设计纵坡已无法调整，管路中出现的负压只能寻找其它措施处理。
综合上述问题，经过分析比较，认为采用分段关闭措施比较合理。
3 采用分段关闭形式的水锤及调节保证计算
在中低水头的电站中，最大水锤压强通常出现在调节过程的终了。可对水轮机导叶采取先快后慢的调节规律（即二段关闭），以提高开始阶段的水锤压强，降低终了阶段的水锤压强。较合理的调节程序是使最大水锤压强接近平均值，并使转速变化满足要求。
3．1 分段关闭的时间计算
3．1．1 快关闭时间
导叶的快关闭时间可根据允许的速率上
N0———机组的额定功率（kW）；
K———导叶关闭时间的修正系数，混流式K＝0．9；
f———水锤修正系数，f＝（1＋ζ）1．5，取ζ＝0．4。
将各值代入上式，则Ts＝4．6s。
3．1．2 慢关闭时间
导叶的慢关闭时间Tss决定于允许的压
将各值代入上式，则Tss＝7．4s，取为8s。
3．2 导叶分段关闭拐点出现的时间和流量
3．2．1 导叶分段关闭拐点出现的时间Tsg
Tsg＝KTs
式中，K＝0．9，Ts＝4．6s
将各值代入上式，则Tsg＝4．14s，
3．3 分段关闭的水锤及转速变化计算
3．3．1 拐点流速计算
根据导叶开度与水轮机的引用流量成直线变化规律并与相对水锤压力的平方根成正比关系的假定（忽略转速影响因素），则有：
式中，Q0、V0—初始状态下的水轮机引用流量和管中流速；
Q、V—阀门或导叶为某一开度时水轮机引用流量和管中流速；
τ—阀门或导叶的开启程度；
h—相对水锤压力升值。
3．3．2 机组在控制情况时的水锤压强及转速变化计算
快关阶段：分别以最高静水头、设计水头和最低静水头下机组丢弃全部负荷，最低静水头下增荷时使最后一台机组投入运行为控制条件，计算出水锤压强和转速变化值及尾水管的压力降低值。
慢关阶段：根据导叶二段关闭规律，对于极限水击其最大升压值出现在快关阶段，故在慢关阶段，不需作水锤验算。对于拐点的流量近似地认为已在机组的空载流量范围内，所以也不需进行速率升值验算。
水锤压强及转速变化计算结果见表4。
从表4可知，在选择的控制条件下，水锤压强升降值及速率上升值均在规范的要求范围内。根据压力管路水锤压强分布图，检验在负压沿管线分布时，在上镇墩处仍有2．6m的余压。
3．4 对分段关闭水锤压强及转速变化计算的分析
3．4．1 最大水锤压强和速率的上升值
在快关闭阶段，水锤压力迅速上升到最大值，并发生在拐点处，流速由Vmax变化为V拐，以快关机时间Ts和相应的流速变化梯度计算出的水锤压力上升值为其极限值，由拐点的时间Tsg计算出的速率上升值为最大速率。
在慢关闭阶段，管中流速的变化梯度比快关机时慢，水锤压强呈下降趋势，拐点流量已接近空载流量，其速率上升值可忽略不计。
3．4．2 最大水锤压强和速率下降值
对弃荷时的最大反水击应在导叶关闭终了时刻发生，故认为导叶关闭的总时间Tss和管中的流速由Vmax变化为零为条件计算其值。对增荷时，认为导叶开启规律是先慢后快，拐点以后的流速变化较大，故以快关机时间Ts和导叶开启终了为条件计算其值，并与反水击比较选定控制情况。
在电站过水系统中，蜗壳及尾水管中的水力现象是极为复杂的，水锤只能近似地加以计算。在分段快慢关闭过程中，假定导叶的开度与流量成直线比例关系，拐点的流量接近水轮机的空载流量。在实际运行过程中，由于各种情况的影响，势必会产生一定的差别。
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