馬馬崖一級水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)大波動過渡過程分析

莫春霞，晉良海

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443002;2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

馬馬崖一級水電站裝機3×180 MW+1×18 MW，運行方式為:當3臺180 MW大機組因調(diào)峰或檢修等緣故全部停止發(fā)電時，18 MW的生態(tài)小機組按29.78 m3/s的引用流量發(fā)電;當3臺180 MW大機組均按滿負荷發(fā)電尚有棄水時，18 MW的生態(tài)小機組可與大機組同時發(fā)電以減少棄水，充分利用水資源。其他情況下根據(jù)來水流量及負荷需求合理安排3臺180 MW大機組的開機臺數(shù)和機組出力。

該水電站建成后在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用;小機組承擔下泄生態(tài)流量發(fā)電作用。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)大波動過程是機組突增或突減負荷和甩負荷的過程，此時伴隨著整個發(fā)電引水系統(tǒng)水力由“穩(wěn)定 －過渡 －穩(wěn)定”的瞬變過程[1－2]。由于發(fā)電引水系統(tǒng)中的流量瞬間變化，引起機組轉(zhuǎn)速升高、蝸殼壓力升高、轉(zhuǎn)輪出口壓力降低，整個瞬變過程經(jīng)過一段時間后逐步衰減為相對穩(wěn)定狀態(tài)[3－5]。對于機組和過水建筑物而言，大波動過渡過程計算尤其是甩負荷計算(即調(diào)節(jié)保證計算)尤為重要[4－6]。

1 計算目的與基本參數(shù)

1.1 計算目的

過渡過程是電站引水系統(tǒng)中普遍存在的水力現(xiàn)象，正確分析過渡過程狀態(tài)及其水力特性，對引水系統(tǒng)和機組的設計與運行都具有重要意義[7－10]。

計算目的:根據(jù)施工圖紙、機組及調(diào)速系統(tǒng)資料，進行過渡過程復核計算，為啟動調(diào)試和后期運行提供依據(jù)。

(1)復核大波動工況下的各項參數(shù)極值，如水輪機甩負荷或增負荷等工況下，蝸殼最大壓力、機組最大轉(zhuǎn)速、尾水管真空度及引水系統(tǒng)特定點最低壓力等。

(2)優(yōu)化水輪機導葉關閉規(guī)律。

(3)校驗電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)能否滿足大、小波動穩(wěn)定要求。

1.2 水庫特征參數(shù)

校核洪水位:590.29 m;設計洪水位:585.60 m;正常蓄水位:585.00 m;死水位:580.00 m;水庫總庫容:1.695億m3;調(diào)節(jié)庫容:0.307億m3;調(diào)節(jié)特性:日調(diào)節(jié)。

1.3 下游尾水位

校核洪水尾水位(P=0.2%，Q=10 220 m3/s):538.99 m。

設計洪水尾水位(P=1%，Q=8 498 m3/s):535.04 m。

三臺大機+生態(tài)機組發(fā)電額定出力對應尾水位(Q=910.61 m3/s):511.45 m。

一臺大機+生態(tài)機組發(fā)電額定出力對應尾水位(Q=323.39 m3/s):508.12 m。

三臺大機發(fā)最大出力(105%Nr)+生態(tài)機組對應尾水位(Q=986.78 m3/s):511.80 m。

一臺大機發(fā)最大出力(105%Nr)+生態(tài)機組對應尾水位(Q=348.78 m3/s):508.30 m。

一臺大機額定水頭下發(fā)額定出力對應尾水位(Q=293.61 m3/s):507.90 m。

一臺大機額定水頭下發(fā)最大出力(105%Nr)對應尾水位(Q=319.00 m3/s):508.09 m。

一臺生態(tài)機組額定水頭下發(fā)額定出力對應尾水位(Q=29.78 m3/s):504.62 m。

1.4 水頭參數(shù)

最大凈水頭:79.2 m;加權平均凈水頭:72.8 m;額定水頭:69 m;最小凈水頭:57.5 m。

1.5 機組參數(shù)

(1)大機組參數(shù)

轉(zhuǎn)輪直徑D1:5.5 m;水輪機額定出力:183.67 MW;水輪機最大出力:192.854 MW;額定轉(zhuǎn)速:125 r/min;額定流量:293.61 m3/s;額定水頭下發(fā)最大出力時流量:319.00 m3/s;發(fā)電機 GD2:4.6×107kN·m2;安裝高程:500.90 m。

(2)小機組參數(shù)

轉(zhuǎn)輪直徑D1:1.9 m;水輪機額定出力:18.65 MW;額定轉(zhuǎn)速:333.3 r/min;額定流量:29.78 m3/s;發(fā)電機 GD2:4.0 ×105kN·m2;安裝高程:501.80 m。

2 計算準則與工況

2.1 計算準則

(1)機組甩負荷的最大轉(zhuǎn)速升高率。當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，或擔負調(diào)頻任務時，宜小于50%;當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡虿粨撜{(diào)頻任務時，宜小于60%。根據(jù)本電站大機組以發(fā)電為主，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等作用，確定所有1#～3#機組最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于50%。生態(tài)機組容量較小，不承擔調(diào)頻調(diào)峰任務，確定最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于60%。

(2)機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率。額定水頭40 m～100 m時，宜為50% ～30%;額定水頭100 m～300 m時，宜為30% ～25%。最大壓力升高率保證值應按計算值并留有適當余量來確定。根據(jù)本電站額定水頭為69 m，最大水頭為79.2 m，結合可研階段調(diào)節(jié)保證計算結果、機組招標參數(shù)及水工設計強度，確定本階段大機組和生態(tài)機組的蝸殼最大壓強水頭值Hmax≤110 m。

(3)當機組突增負荷或突減負荷時，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點處的最小壓力不應低于0.02 MPa，不得出現(xiàn)負壓及脫流現(xiàn)象。甩負荷時，尾水管進口斷面的最大真空保證值不應大于0.08 MPa，經(jīng)海拔修正后，尾水管最低壓力值不低于－7.5 m。

(4)水輪機過水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)Tw。對于比例、積分、微分(PID)型調(diào)速器不大于4 s，Tw與機組慣性時間常數(shù)Ta的比值不大于0.4，Ta值不小于4 s。

(5)調(diào)速器應保證機組在各種工況和運行方式下的穩(wěn)定要求。同時機組甩負荷后動態(tài)品質(zhì)應達到:①甩100%額定負荷后，在轉(zhuǎn)速變化過程中，超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過兩次;②機組甩100%額定負荷后，從接力器第一次向開啟方向移動起，到機組轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%為止所經(jīng)歷的時間不應大于40 s。

2.2 計算工況

計算工況必須選擇合理，即必須符合電站實際運行情況，同時為計算各個極值選定的工況還必須準確，即不能拿一個次要工況作為最不利工況。對于最不利的組合工況還應該考慮其發(fā)生的概率，為達到不同計算目的，分別選擇不同工況。

本電站1#機水力過渡過程計算分水輪機額定水頭下發(fā)額定出力和發(fā)最大出力兩種情況。

(1)水輪機額定水頭下發(fā)額定出力的情況下，選定的控制計算工況如下:

①蝸殼最大壓力上升:校核洪水位下，四臺機運行，1#、4#機同時甩全負荷，緊急停機。

② 機組轉(zhuǎn)速上升:1#、4#機運行時，1#、4#機額定水頭下甩額定負荷至空載運行。

③轉(zhuǎn)輪出口最低壓力:上游死水位下，1#機運行，甩全負荷，緊急停機。

(2)水輪機額定水頭下發(fā)最大出力的情況下，選定的控制計算工況如下:

①校核洪水位下，四臺機運行，1#～3#機超發(fā)5%，1#、4#機同時甩全負荷，緊急停機。

②機組轉(zhuǎn)速上升:四臺機運行，1#～3#機額定水頭下超發(fā)5%時，1#、4#機額定水頭下甩全負荷至空載運行。

③轉(zhuǎn)輪出口最低壓力:1#、4#機運行時，1#額定水頭下超發(fā)5%，1#機額定水頭下甩全負荷，緊急停機。

(3)4#機組(生態(tài)機組)水力過渡過程計算選定的控制計算工況如下:

①蝸殼最大壓力上升:校核洪水位下，四臺機運行，1#～3#機超發(fā) 5%，1#、4#機同時甩全負荷，緊急停機。

②機組轉(zhuǎn)速上升:四臺機運行，1#～3#機額定水頭下超發(fā)5%時，1#、4#機額定水頭下甩全負荷至空載運行。

③轉(zhuǎn)輪出口最低壓力:1#、4#機運行時，1#額定水頭下超發(fā)5%，4#機額定水頭下甩額定負荷，緊急停機。

3 大波動過渡過程計算分析

(1)優(yōu)化導葉關閉規(guī)律

限制水擊壓力升高與限制機組轉(zhuǎn)速升高的要求是互相制約的，矛盾的焦點是導葉關閉時間，故優(yōu)化導葉關閉規(guī)律就是尋找能使兩方面要求同時滿足的關閉時間[11－13]。根據(jù)確定的本電站大波動過渡過程技術要求，對不同導葉關閉規(guī)律進行試算[14]。

根據(jù)優(yōu)化計算確定大機組導葉采用直線關閉規(guī)律，總關閉時間8.5 s(定義額定水頭下發(fā)最大出力對應的開度為100%，此時模型導葉開度為40°，對應的真機導葉開度為443.42 mm，相應的接力器行程為631.30 mm)。導葉關閉規(guī)律如圖1所示。

圖1 大機組導葉關閉規(guī)律

生態(tài)機組導葉亦采用直線關閉規(guī)律，總關閉時間8.0 s(定義額定水頭下發(fā)額定出力對應的開度為100%，此時模型導葉開度為33°，對應的真機導葉開度為120.56 mm，相應的接力器行程為183.96 mm)。導葉關閉規(guī)律如圖2所示。

圖2 生態(tài)機組導葉關閉規(guī)律

(2)蝸殼最大壓力升高(注:下式中流速改用英文字母表示，下同)

式中:Hmax為甩負荷過程中產(chǎn)生的最大壓強水頭(m);H0為甩負荷前蝸殼壓強水頭(m);H0=為計算工況時上游水位;Z安為水輪機安裝水位;HW為總水頭損失。

結果分析:

①水輪機額定水頭下發(fā)額定出力的情況下，1#機蝸殼最大壓力上升發(fā)生在校核洪水位下，四臺機組運行，1#、4#機同時甩全負荷，緊急停機的工況，1#機蝸殼最大壓強水頭值為106.4 m，對應的ξ=24.7%。

②水輪機額定水頭下發(fā)最大出力的情況下，1#機蝸殼最大壓力上升發(fā)生在校核洪水位下，四臺機組運行，1#～3#超發(fā) 5% 時，1#、4#機甩全負荷，緊急停機，1#機蝸殼最大壓強水頭值為107.9 m，對應的ξ=26.8%。

③4#機蝸殼最大壓力上升發(fā)生在校核洪水位下，四臺機運行，1#～3#機超發(fā) 5%，1#、4#機同時甩全負荷，緊急停機的工況，4#機蝸殼最大壓強水頭值為106.5 m，對應 ξ=24.8%。

通常電站在GD2:4.6×107kN·m2，直線關閉，T總=8.5 s時最高運行水位為正常蓄水位，校核洪水位作為電站的強度設計依據(jù)[15]，一般機組不運行，故該電站蝸殼最大壓強水頭按110 m設計可以滿足安全運行要求，具體見表1。

表1 馬馬崖一級水電站1#機高水頭大波動過渡過程計算結果

(3)機組轉(zhuǎn)速最大升高

式中:nmax為機組甩負荷后最大轉(zhuǎn)速(r/min);nr為機組額定轉(zhuǎn)速，本電站大機組nr為125 r/min，小機組 nr為 333.3 r/min。

結果分析:

①水輪機在額定水頭發(fā)額定出力的情況下，1#機組甩負荷后最大轉(zhuǎn)速升高發(fā)生在1#、4#機同時運行，同時甩全負荷至空載運行，1#機組最大轉(zhuǎn)速上升率 β =43.8%。

②水輪機額定水頭下發(fā)最大出力的情況下，1#機組最大轉(zhuǎn)速上升率發(fā)生在四臺機組運行，1#～3#機在額定水頭下超發(fā)5%，1#、4#機甩全負荷至空載運行的工況下，機組最大轉(zhuǎn)速上升率β=48.9%。

③4#機機組最大轉(zhuǎn)速升高發(fā)生在四臺機運行，1#～3#機在額定水頭下超發(fā)5%時，1#、4#機甩全負荷至空載運行，4#機組最大轉(zhuǎn)速上升率β=53.6%。

針對 GD2:4.0 ×105kN·m2，直線關閉，T總=8 s時本電站的在系統(tǒng)中所占的容量，機組轉(zhuǎn)速上升率裕度較大，可以較大范圍內(nèi)滿足電站正常運行，具體見表2。

(4)轉(zhuǎn)輪出口最低壓強水頭HB

機組甩負荷后由于導葉將機組水流截斷，極易在轉(zhuǎn)輪后出現(xiàn)壓力降低的情況。轉(zhuǎn)輪出口最低壓強水頭通?？捎孟率絹碛嬎?

式中:v為轉(zhuǎn)輪出口流速(m/s);ΔHB為尾水管水流慣性水擊壓強(m);ZΔ下為計算工況時下游水位。

結果分析:

①水輪機在額定水頭發(fā)額定出力的情況下，1#機轉(zhuǎn)輪出口最低壓力發(fā)生在上游死水位，1#機運行，甩全負荷，緊急停機，轉(zhuǎn)輪出口最低壓強水頭為－6.1 m。

②水輪機在額定水頭發(fā)最大出力的情況下，1#機轉(zhuǎn)輪出口最低壓力發(fā)生在上游死水位下，1#機超發(fā)5%運行，甩全負荷，緊急停機，轉(zhuǎn)輪出口最低壓強水頭為 －7.3 m。

③4#機轉(zhuǎn)輪出口最低壓力發(fā)生在上游死水位下，4#機運行，甩全負荷，緊急停機，轉(zhuǎn)輪出口最低壓強水頭為 －6.7 m。

可以在 GD2:4.6 ×107kN·m2，直線關閉，T總=8.5 s時看出影響轉(zhuǎn)輪出口壓力最主要的因素是下游水位及機組引用流量。根據(jù)規(guī)范要求轉(zhuǎn)輪出口壓強水頭不應低于－7.5 m，本電站在安全范圍內(nèi)，具體見表3。

表2 馬馬崖一級水電站4#機(生態(tài)機組)大波動過渡過程計算結果

表3 馬馬崖一級水電站1#機低水頭大波動過渡過程計算結果

4 結語

(1)馬馬崖一級電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務。對于機組和過水建筑物而言，大波動過渡過程計算結果和甩負荷計算結果是機組和過水建筑物設計的重要理論依據(jù)。計算表明，水輪機調(diào)速器設置外加能源的多級液壓放大系統(tǒng)，會增加執(zhí)行元件的慣性，不利于調(diào)節(jié)。

(2)當導葉開度變化較快時，管道內(nèi)水流慣性會引起水擊(錘)效應，它與調(diào)節(jié)作用相反并惡化調(diào)節(jié)過程。

(3)由計算結果可知，水輪機調(diào)速器需配備具有雙重調(diào)節(jié)能力的執(zhí)行機構。

[1]李慶鐵，李傳夫，屈文杰，等.剛果(金)ZONGOⅡ水電站工程水力過渡過程數(shù)值計算[J].水利水電工程設計，2014，33(3):34-36.

[2]林勁松，巨 江，諸 亮，等.水電站水力過渡過程仿真計算的工程應用[J].水力發(fā)電學報，2010，29(1):31-36.

[3]吳維金，朱亞軍.老木孔水電站機組及下游河道的水力過渡過程計算[J].小水電，2012，(4):19-22.

[4]向培林，聶光利，張海江，等.毛爾蓋水電站水力過渡過程計算[J].四川水力發(fā)電，2011，30(2):110-113，172.

[5]陳祖文.水電站水力過渡過程計算工作量定量化探索[J].貴州水力發(fā)電，2011，25(2):70-73.

[6]趙 亮，楊建東，石衛(wèi)兵，等.白蓮河抽水蓄能電站首臺機組低揚程下水泵工況抽水斷電水力過渡過程研究[J].2009，7(3):129-131，148.

[7]巨 江，諸 亮，劉 薔，等.水電站水力過渡過程數(shù)值仿真的理論與實踐[J].西北水電，2009，(3):1-6.

[8]穆祥鵬，練繼建，劉瀚和.復雜輸水系統(tǒng)水力過渡的數(shù)值方法比較及適用性分析[J].天津大學學報，2008，41(5):515-521.

[9]高志芹，吳余生，楊建東.基于進化策略的水電站水力過渡過程優(yōu)化方法研究[J].水力發(fā)電學報，2008，27(1):139-144.

[10]趙 亮，楊建東，石衛(wèi)兵，等.白蓮河抽水蓄能電站首臺機組低揚程下水泵工況抽水斷電水力過渡過程研究[J].水利與建筑工程學報，2009，7(3):129-131，148.

[11]楊建東.導葉關閉規(guī)律的優(yōu)化及對水力過渡過程的影響[J].水力發(fā)電學報，1999，(2):75-83.

[12]鄭 源，劉德有.供水管道系統(tǒng)水力過渡過程研究計算[J].水泵技術，2000，(5):8-11.

[13]巨 江，劉 菁，諸 亮，等.水電站引水 －尾水管道系統(tǒng)水力過渡過程模型試驗與計算[J].水利學報，2005，36(10):1165-1170.

[14]張 健，盧偉華，范波芹，等.輸水系統(tǒng)布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發(fā)電學報，2008，27(5):158-162.

[15]朱紅耕.H/D值對肘形進水流道水力特性影響的數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學報，2004，4(2):8-10，26.