瑪依納水電站水力過渡過程數(shù)值計(jì)算分析

甘 楠

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

瑪依納水電站水力過渡過程數(shù)值計(jì)算分析

甘 楠

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)無法滿足GB/T9652.1—2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。為此，在引水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置無法改變的情況下，在犧牲調(diào)速系統(tǒng)速動(dòng)性，放寬對(duì)電站調(diào)節(jié)品質(zhì)要求的前提下討論其引水發(fā)電系統(tǒng)布置的可行性。目前，2臺(tái)機(jī)組已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行多年，證明該電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置是合理的。

引水發(fā)電系統(tǒng)；水力過渡過程；水流慣性時(shí)間常數(shù)； 機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；瑪依納水電站

1 電站概況

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區(qū)的伊犁河左岸一級(jí)支流恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐，上游為年調(diào)節(jié)水庫，廠內(nèi)裝有2臺(tái)150 MW水斗式水輪發(fā)電機(jī)組。電站建設(shè)的主要任務(wù)是發(fā)電，其次是灌溉，以滿足哈薩克斯坦南部地區(qū)在自然保護(hù)排水和灌溉用電高峰時(shí)期對(duì)電能的需求，電能送入哈薩克斯坦南部電網(wǎng)，南部電網(wǎng)和中亞電網(wǎng)相連。2012年1月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2012年3月第二臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)

引水系統(tǒng)主要由進(jìn)水口(哈方負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與施工)、事故閘門井(含水電站進(jìn)水口閘門啟閉機(jī))、有壓引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等建筑物組成。引水發(fā)電系統(tǒng)形式為“一洞一井一管兩機(jī)”。

引水隧洞長4 913 m，斷面形式為馬蹄形(4.2 m×6.3 m、4.2 m×6.8 m)和圓形(直徑5.6 m和4.1 m)。調(diào)壓井置于引水隧洞末端的條形山脊內(nèi)，為露天水室式調(diào)壓井，由上室(圓形露天水池)和豎井構(gòu)成。調(diào)壓室豎井內(nèi)徑6.0 m，底部高程1 610.10 m，頂部高程1 780.00 m，豎井高169.90 m；上室(圓形露天水池)內(nèi)徑22 m，頂部高程1 790 m。調(diào)壓井距廠房軸線平面距離約4 268 m，調(diào)壓井處隧洞底高程與廠房安裝高程(1 248 m)高差為357 m。壓力管道由上平段、豎井段和下平段以及岔、支管段組成。壓力管道主管長約4 322 m，管徑4.1 m。主管末端由一個(gè)“Y”形岔管分接兩條支管，每條支管末端管徑由2.60 m漸變至2.30 m與廠房內(nèi)球閥連接，1、2號(hào)支管各長約32 m。

瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)為：調(diào)壓井后壓力鋼管較長，約4 355 m，調(diào)壓井幾乎在引水隧洞和壓力鋼管中間位置，使得引水系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw及Tw/Ta均很大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

3 水力過渡過程數(shù)值計(jì)算

3.1 水力過渡過程設(shè)計(jì)要求

瑪依納水電站壓井在同類電站中規(guī)模較大，引水管道較長，特別是引水調(diào)壓井后至水輪機(jī)進(jìn)口的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw及Tw/Ta，在額定工況和發(fā)最大出力的最大流量工況時(shí)分別為5.20 s、0.622和5.22 s、0.686。根據(jù)GB/T9652.1—2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定，水輪機(jī)引水系統(tǒng)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw對(duì)比例積分微分(PID)型調(diào)速器不大于4 s；Tw與機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta的比值不大于0.4。所以本電站Tw及Tw/Ta遠(yuǎn)超出中國規(guī)范要求。

根據(jù)DL/T5186—2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，額定水頭大于300 m時(shí)，配水環(huán)管最大壓力升高率宜小于25%；沖擊式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于30%。本電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算允許值設(shè)計(jì)要求：①機(jī)組最、大轉(zhuǎn)速升高相對(duì)值βmax<20%；②配水環(huán)管末端最大壓力不超過626 m水頭，主機(jī)廠配水環(huán)管最大設(shè)計(jì)壓力6.52 MPa。

中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司除自己用專用程序進(jìn)行計(jì)算外，還分別委托河海大學(xué)和武漢大學(xué)對(duì)本電站引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了水力過渡過程計(jì)算，水輪機(jī)主要部件噴嘴和轉(zhuǎn)輪供貨商維奧也對(duì)整個(gè)引水發(fā)電系統(tǒng)(含水輪發(fā)電機(jī)組)進(jìn)行了調(diào)節(jié)保證計(jì)算。

3.2 水力過渡過程計(jì)算分析結(jié)果

3.2.1 機(jī)組最大壓力和轉(zhuǎn)速最大上升率

由于配水環(huán)管末端的最大壓力和機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升率分別有針閥和折向器控制，均能夠選擇合適的啟閉規(guī)律保證調(diào)保參數(shù)在控制值范圍內(nèi)。

(1)河海大學(xué)計(jì)算結(jié)果。選擇針閥60 s(實(shí)際有效關(guān)閉時(shí)間，即從額定開度到完全關(guān)閉的直線關(guān)閉時(shí)間)直線關(guān)閉，折向器3 s直線關(guān)閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為603.22 m，最大水壓力升高為17.23%；機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率為17.89%。

(2)武漢大學(xué)計(jì)算結(jié)果。選擇針閥70 s(實(shí)際有效關(guān)閉時(shí)間，即從額定開度到完全關(guān)閉的直線關(guān)閉時(shí)間)直線關(guān)閉，折向器2.5 s直線關(guān)閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為593.05 m，小于配水環(huán)管容許承受的最大壓力626 m，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率為12.83%。

(3)維奧的初步計(jì)算結(jié)果。選擇針閥105 s(全行程關(guān)閉時(shí)間，即從全開到全關(guān)時(shí)間，折算成實(shí)際有效關(guān)閉時(shí)間約90 s)直線關(guān)閉，折向器2 s直線關(guān)閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為614 m，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率遠(yuǎn)小于30%。

上述計(jì)算結(jié)果差異較大，考慮到折向器的作用，機(jī)組現(xiàn)場調(diào)試整定：針閥105 s(全行程關(guān)閉時(shí)間，折算成實(shí)際關(guān)閉時(shí)間約90 s)直線關(guān)閉，折向器2 s直線關(guān)閉。

3.2.2 調(diào)壓室涌浪值

調(diào)壓室托馬穩(wěn)定斷面面積FK=22.614 m2，實(shí)際采用的斷面面積為28.274 m2，其小波動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.25，滿足規(guī)范K=1.0～1.1的要求。

(1)成都預(yù)案水道專業(yè)計(jì)算結(jié)果。調(diào)壓井最高涌浪水位為1 787.608 m，調(diào)壓井最低涌浪水位為1 702.333 m。

(2)武漢大學(xué)仿真計(jì)算。調(diào)壓室最高涌浪值為1 785.48 m，最低涌浪值為1 685.98 m。

(3)河海大學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果。調(diào)壓室最高涌浪值為1 784.01 m(正常蓄水位，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)事故甩額定負(fù)荷)，調(diào)壓井最低涌浪水位為1 676.10 m(死水位，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷，在85 s時(shí)一臺(tái)機(jī)從空載增至額定負(fù)荷)。

(4)維奧仿真計(jì)算。調(diào)壓室最高涌浪值為1 783.5 m，最低涌浪值為1 678.78 m。

上述計(jì)算結(jié)果盡管有所差別，但所有計(jì)算最高涌浪均低于調(diào)壓井拱頂高程，最低涌浪均高于調(diào)壓室底板高程，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)系統(tǒng)處于孤網(wǎng)，機(jī)組受到負(fù)荷階躍變化后，機(jī)組轉(zhuǎn)速和噴嘴開度等開始急劇波動(dòng)，之后衰減較慢，而調(diào)壓室水位衰減更慢。這主要是因?yàn)楸倦娬菊{(diào)壓室后的Tw及Tw/Ta值過大，在額定工況時(shí)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=5.20s，Tw/Ta=0.622，被調(diào)節(jié)系統(tǒng)不滿足調(diào)速器的適用條件：Tw≤4 s，Ta≥4 s，Tw/Ta≤0.4，說明水輪機(jī)過水系統(tǒng)水流慣性和機(jī)組慣性的條件對(duì)穩(wěn)定是不利的，證明了本電站調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)較差。若要保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，不得不選擇比較大的調(diào)速器參數(shù)，犧牲其速動(dòng)性，在優(yōu)化調(diào)速器參數(shù)下，受到擾動(dòng)時(shí)，機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間比較長，小波動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不是很理想。

當(dāng)加大調(diào)壓室后壓力管道直徑，由4.1 m調(diào)整為4.5 m，調(diào)速器參數(shù)最優(yōu)組合相應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短(如一臺(tái)機(jī)停機(jī)，一臺(tái)機(jī)帶額定孤網(wǎng)負(fù)荷，調(diào)速器處于調(diào)頻狀態(tài)，施加10%額定負(fù)荷的擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短約10 s)，機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)量變少，過渡過程形態(tài)也明顯改善對(duì)系統(tǒng)增負(fù)荷擾動(dòng)的影響較明顯，對(duì)系統(tǒng)小波動(dòng)過渡過程有利。

如果在兩臺(tái)機(jī)同時(shí)帶孤網(wǎng)負(fù)荷時(shí)，只允許一臺(tái)機(jī)的調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一臺(tái)機(jī)的調(diào)速器置于深度開度限制狀態(tài)(即在一定范圍頻率波動(dòng)時(shí)，調(diào)速器不響應(yīng)，在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)調(diào)速器響應(yīng))，調(diào)節(jié)時(shí)間較一臺(tái)機(jī)工作的工況還有所減少，大致可控制在60 s以下，機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)量可控制在5%左右，在工程上能實(shí)際使用(河海大學(xué)仿真成果)。

兩臺(tái)機(jī)同時(shí)帶額定或部分孤網(wǎng)負(fù)荷，調(diào)速器均處于頻率調(diào)節(jié)狀態(tài)，施加10%額定負(fù)荷的減負(fù)荷擾動(dòng)，最短的調(diào)節(jié)時(shí)間是349.2 s，且轉(zhuǎn)速過渡過程有多次波動(dòng)，超調(diào)量也比較大，考慮到實(shí)際系統(tǒng)中負(fù)荷擾動(dòng)是不斷產(chǎn)生的，因此該工況工程上是不穩(wěn)定的(河海大學(xué)仿真成果)。

3.2.4 水力干擾計(jì)算

電站在大系統(tǒng)中工作，一臺(tái)機(jī)事故甩負(fù)荷，并不影響電網(wǎng)頻率。此時(shí)若調(diào)速器設(shè)為頻率調(diào)節(jié)工作方式，未甩負(fù)荷機(jī)組的噴嘴開度也不變，但水壓力變化會(huì)引起機(jī)組功率變化；若調(diào)速器設(shè)為功率調(diào)節(jié)方式，則噴嘴開度與機(jī)組功率均會(huì)隨水壓力變化而變化。

在上游水位為1 749 m時(shí)，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)帶額定負(fù)荷，一臺(tái)機(jī)事故甩額定負(fù)荷后，在調(diào)速器工作方式為頻率調(diào)節(jié)時(shí)，配水管水壓力波動(dòng)幅值為62.29 m水頭，為額定水頭的13.2%；機(jī)組功率波動(dòng)幅值為30.2 MW，為額定功率的19.67%；在調(diào)速器工作方式為功率調(diào)節(jié)時(shí)，配水管水壓力波動(dòng)幅值為70.32 m水頭，為額定水頭的14.92%，機(jī)組功率波動(dòng)幅值為20.62 MW，為額定功率的13.43%。本電站壓力總管相當(dāng)長，水力干擾是明顯的，但過渡過程是衰減的(河海大學(xué)仿真成果)。

水力干擾過渡過程計(jì)算結(jié)果表明：在小波動(dòng)整定的調(diào)速器參數(shù)條件下，其機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性可以得到保證，波動(dòng)的總趨勢(shì)都是收斂的。但擾動(dòng)波幅較大、振蕩次數(shù)較多、調(diào)節(jié)時(shí)間較長。

4 分析和總結(jié)

(1)瑪依納水電站調(diào)壓井受地形條件的限制只能置于引水隧洞末端的條形山脊內(nèi)，使得調(diào)壓井后壓力主管長達(dá)4 138 m，Tw/Ta=0.622>0.4，由此調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，過渡過程品質(zhì)也較差，只有較大幅度增大壓力主管直徑或較大幅度減少壓力管道長度或大幅增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2才有可能從根本上改善本電站穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。為滿足Tw≤4，且

Tw/Ta≤0.4，若大幅增加壓力主管直徑，則壓力鋼管主管直徑需由4.1 m增加到5.2 m，4 138 m長的壓力鋼管投資將大幅增加；若大幅減少調(diào)壓井后壓力鋼管長度，即需要將調(diào)壓井移至離廠房約2 500 m的位置，但地質(zhì)條件決定沒有這樣的位置布置埋入式調(diào)壓井，除非在地面以上布置鐵塔式調(diào)壓井，但這種鐵塔式調(diào)壓井造價(jià)太高，且考慮到該地區(qū)地震烈度為IX度，因此無論從經(jīng)濟(jì)上還是安全上都不可行；若大幅增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，GD2則需從7 500 t2·m增加到11 800 t2·m，一方面是經(jīng)濟(jì)上增加投資，另一方面增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2從技術(shù)上也是有限的，即不可能為了滿足調(diào)保計(jì)算要求而大幅增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此，本電站的先天條件決定了引水發(fā)電系統(tǒng)很難滿足中國規(guī)范要求的Tw/Ta≤0.4，要滿足規(guī)范要求則代價(jià)很大。

(2)該電站電能送入哈薩克斯坦南部電網(wǎng)，哈薩克斯坦南部電網(wǎng)主要由火電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組組成，水電機(jī)組很少，在電網(wǎng)中所占比例很小，南部電網(wǎng)總裝機(jī)容量較大(大于3 000 MW)，且南部電網(wǎng)和中亞電網(wǎng)相連，因此本電站機(jī)組在電網(wǎng)中不承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)。

(3)該電站機(jī)組水頭范圍為458.2～521.7 m，額定水頭為494.1 m，既可以選擇混流機(jī)組也可以選擇水斗式機(jī)組，盡管選擇混流機(jī)組轉(zhuǎn)速(428 rpm)比水斗式機(jī)組轉(zhuǎn)速(250 rpm)高得多，但相應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)造價(jià)低得多，因此從經(jīng)濟(jì)上講選擇混流式機(jī)組比沖擊式機(jī)組合適，但本電站引水系統(tǒng)特點(diǎn)決定混流機(jī)組不可能滿足調(diào)保計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)速和壓力同時(shí)滿足要求，即技術(shù)上混流式機(jī)組不滿足調(diào)保計(jì)算要求，故選擇水斗式機(jī)組是合適的。

從以上分析可知，本電站目前的引水發(fā)電系統(tǒng)(含水輪發(fā)電機(jī)組)的穩(wěn)定性較差，在引水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置無法改變的情況下，在犧牲調(diào)速系統(tǒng)速動(dòng)性，放寬對(duì)電站調(diào)節(jié)品質(zhì)要求的前提下，瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的布置是可行的。目前，2臺(tái)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電至今，機(jī)組已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行多年，證明該電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置是合理的。

[1]GB/T9652.1—2007 水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件[S]．

[2]DL/T5186—2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]尹曉林， 程春. 哈薩克斯坦瑪依納水電站引水發(fā)電樞紐建筑物布置設(shè)計(jì)[J]. 水電站設(shè)計(jì)， 2012， 28(3)： 66-68．

[4]程春， 馬林. 哈薩克斯坦瑪依納水電站引水隧洞設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J]. 水電站設(shè)計(jì)， 2013， 29(3)： 19-21．

[5]程春， 馬林. 哈薩克斯坦瑪依納水電站壓力管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 水電站設(shè)計(jì)， 2013， 29(2)： 15-18．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Numerical Calculation and Analysis of Hydraulic Transition Process of Moinak Hydropower Station

GAN Nan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the poor stability of water diversion and power generation system in Moinak Hydropower Station, the system cannot meet the requirements of GB/T 9652.1—2007 Specification of Control System for Hydraulic Turbines. Because the layout of water diversion and power generation structures can’t be changed, the feasibility of structure layout can only be discussed under the premises of lowering the mobility of speed control system and power governing quality. At present, two units of Moinak Hydropower Station have been safely and stably operated for many years and it is proved that the layout of water diversion and power generation system is reasonable．

water diversion and power generation system; hydraulic transition process; water inertia time constant; unit inertia time constant; Moinak Hydropower Station

2015-12-11

甘楠(1975—)，男，湖南岳陽人，高級(jí)工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作．

TV131.4(361)

A

0559-9342(2016)11-0088-03