YMS水電站水力過渡過程計算與分析

劉　峰，安　剛（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

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YMS水電站水力過渡過程計算與分析

劉峰，安剛
（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

摘要：通過對YMS水電站水力過渡過程計算分析，介紹了各個系統(tǒng)的設(shè)計思路和布置方式，希望對國內(nèi)外同類型水電站設(shè)計提供一定的借鑒參考。

關(guān)鍵詞：水電站；調(diào)節(jié)保證計算；調(diào)壓閥；氣墊式調(diào)壓室

1概述

YMS水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，工程為引水式電站，由進水閘、引水渠道、壓力前池、壓力鋼管、廠房及尾水渠等主要建筑物組成。電站最大水頭210.3 m，加權(quán)平均水頭201.3 m，額定水頭199.6 m，最小水頭199.6 m，設(shè)計引用流量140 m3/s，廠房內(nèi)安裝3臺70 MW和1臺34 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，總?cè)萘繛?44 MW。

2無調(diào)保措施下的計算

2.1引水系統(tǒng)布置

該電站是一座長壓力引水系統(tǒng)電站，壓力管道總長ΣL為2 332.43 m。發(fā)電引水系統(tǒng)由2條壓力輸水管路組成，其中1號輸水主管（Ф4 600 mm）經(jīng)岔管分為2條支管分別接入2臺70 MW機組，2號輸水主管（Ф4 100 mm）經(jīng)岔管分為2條支管分別接入1臺70 MW機組和1臺34 MW機組。

2.2調(diào)節(jié)保證計算控制標(biāo)準(zhǔn)

本電站水頭范圍為199.6～210.3 m，在電網(wǎng)中承擔(dān)基荷運行。結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)容量及特點，按照《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》的要求，機組甩負荷時的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值宜小于60%，蝸殼最大壓力升高率保證值宜為25%～30%，尾水管進口斷面的最大真空保證值不應(yīng)大于0.08 MPa。

考慮到最大轉(zhuǎn)速升高率與最大壓力升高率計算值存在誤差，計算值中沒包括甩負荷時蝸殼中壓力脈動，因此其保證值應(yīng)按計算值并留有適當(dāng)?shù)脑６葋泶_定，本電站調(diào)節(jié)保證計算的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：

機組最大轉(zhuǎn)速升高率≤50%；

蝸殼最大壓力升高率≤25%（263 m）；

尾水管進口最大真空≤6.3 m。

2.3無調(diào)保措施下的過渡過程數(shù)值計算

由于電站尾水道很短，尾水管進口最小壓力容易滿足，而引水道相對較長，故主要針對蝸殼末端壓力和轉(zhuǎn)速控制值選取控制工況。計算中的機組關(guān)閉規(guī)律初步選用一段直線關(guān)閉，70 MW機組GD2暫取3 600 t·m2，34 MW機組GD2暫取780 t·m2，計算結(jié)果見下頁表1。

由表1可知，在不設(shè)置調(diào)保措施的前提下，2個水力單元機組關(guān)閉規(guī)律在11～15 s選取時，蝸殼末端最大壓力及機組最大轉(zhuǎn)速上升率均大于相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足調(diào)?？刂埔?。因此，在現(xiàn)有的引水系統(tǒng)下，單純采用調(diào)整關(guān)閉規(guī)律的方法是不能夠解決水錘壓力與機組轉(zhuǎn)速上升之間的矛盾，應(yīng)在引水發(fā)電系統(tǒng)上設(shè)置調(diào)保措施。

3設(shè)置調(diào)壓閥措施下的調(diào)保計算

為保證電站安全運行，需采用設(shè)置調(diào)壓井或調(diào)壓閥等措施來解決引水系統(tǒng)水錘壓力和轉(zhuǎn)速上升之間的矛盾。該電站屬于中型電站，設(shè)置調(diào)壓井需要較大投資和較長工期，且電站由于自身的地形、地質(zhì)條件的限制，難于建造常規(guī)調(diào)壓井。故從技術(shù)經(jīng)濟層面考慮，推薦采用調(diào)壓閥方案。

理論上調(diào)壓閥必須與導(dǎo)葉聯(lián)動，但一旦聯(lián)動裝

表1直線關(guān)閉規(guī)律計算結(jié)果

調(diào)壓閥的直徑選取，關(guān)系到調(diào)壓閥開啟時的過流量，理論上調(diào)壓閥的直徑選擇越大，系統(tǒng)的降壓效果越好。但一方面調(diào)壓閥的直徑過大，造價會加大；另外一方面，調(diào)壓閥的直徑過大，泄流能力將加大，過高的流速除可能帶來高速水流的氣蝕與消能問題外，在發(fā)生單臺機甩負荷的事故情況下，大部分水流從調(diào)壓閥流走，從而導(dǎo)致同一水力單元的另外1臺機組出力出現(xiàn)較大下降，產(chǎn)生較嚴重的水力干擾，由此可能發(fā)生相繼甩負荷事故；而且由于過大的泄流量，如果關(guān)閥過快，在關(guān)閥結(jié)束時刻又會出現(xiàn)新一波較大的水錘壓力，威脅管道安全。

故調(diào)壓閥直徑應(yīng)滿足以下條件：

（1）滿足調(diào)節(jié)保證計算要求；

（2）最小閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟、導(dǎo)葉關(guān)閉時不會產(chǎn)生過大的壓力上升；

（3）最大閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟時系統(tǒng)總流量不產(chǎn)生過大的增加，即事故前后系統(tǒng)總流量近似相等，避免產(chǎn)生過大的水力干擾。

針對本電站的特點，為了保證將來機組與調(diào)壓閥聯(lián)動時，調(diào)速器油路設(shè)計的可靠性，仍以一段直線啟閉規(guī)律為研究對象。經(jīng)過前期大量試算，2個水力單元機組導(dǎo)葉均以13 s一段直線關(guān)閉，調(diào)壓閥13 s一段直線聯(lián)動開啟，開度達到最大后延時10 s，再以120 s一段直線關(guān)閉。計算結(jié)果見表2。

由表2可知，當(dāng)采用閥徑組合1.2m/1.2m、1.2m/1.0m時，調(diào)壓閥最大泄流量分別為39.96 m3/s/19.3 m3/s，近似等于機組額定流量39.5 m3/s/19.4 m3/s，此時2號水力單元蝸殼末端最大壓力為232.38 m，1號水力單元機組最大轉(zhuǎn)速上升率36.55%，均具有較大的安全裕量。推薦70MW機組調(diào)壓閥直徑選用1.2m，34 MW機組調(diào)壓閥直徑選用1.0 m，機組-調(diào)壓閥13 s一段直線聯(lián)動啟閉，調(diào)壓閥保持最大開度延時10 s后再以120 s一段直線關(guān)閉。在調(diào)壓閥拒動的特殊工況下，通過調(diào)速器控制導(dǎo)葉慢關(guān)，采用60 s的一段直線慢速關(guān)閉。

表2　調(diào)壓閥選型計算結(jié)果

4設(shè)置調(diào)壓閥加氣墊式調(diào)壓室措施下的調(diào)保計算

4.1調(diào)壓閥拒動計算分析

單獨設(shè)置調(diào)壓閥的方案雖然能夠保證電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計，但70 MW機組對應(yīng)的調(diào)壓閥直徑已達1.2 m，如此大直徑的調(diào)壓閥國內(nèi)外電站中應(yīng)用情況較少，對其設(shè)計及制造質(zhì)量有著較高的要求，一旦將來電站運行時發(fā)生2臺調(diào)壓閥均拒動的情況，后果不堪設(shè)想。

表3調(diào)壓閥拒動、導(dǎo)葉慢關(guān)計算結(jié)果

由表3中計算結(jié)果可以看出，2臺調(diào)壓閥同時拒動，2臺機組均采用60 s關(guān)閉規(guī)律的情況下，此時蝸殼末端最大壓力分別為289.07 m、283.99 m，遠大于控制標(biāo)準(zhǔn)；轉(zhuǎn)速上升率分別達到了76.00%、75.02%，遠超出了靜態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速。因此，在此基礎(chǔ)上增設(shè)氣墊式調(diào)壓室。如若單獨設(shè)置氣墊式調(diào)壓室，所需的氣墊式調(diào)壓體型較大，工程造價較高，將來運行過程中亦容易產(chǎn)生漏氣情況，運行維護較難。相比較而言，調(diào)壓閥造價較低，如能通過增設(shè)另一調(diào)保措施，來保證同一水力單元2臺調(diào)壓閥同時拒動、導(dǎo)葉慢關(guān)工況下的蝸殼壓力及機組轉(zhuǎn)速滿足調(diào)保控制標(biāo)準(zhǔn)，將是一經(jīng)濟、可靠的聯(lián)合防護方案。

由于調(diào)壓閥方案無法改善機組正常運行時的小波動與水力干擾特性，而本電站的TW值超過5 s，正常運行時如無平壓措施，將對電站穩(wěn)定運行不利。

綜合上述2點，采用氣墊式調(diào)壓室聯(lián)合調(diào)壓閥的防護措施，一方面可以避免2臺調(diào)壓閥同時拒動時發(fā)生的危害，另一方面也可以減小單獨設(shè)置調(diào)壓閥防護措施時的調(diào)壓閥直徑，同時保證小波動穩(wěn)定運行。

4.2增設(shè)氣墊式調(diào)壓室后調(diào)壓閥閥徑優(yōu)化及啟閉規(guī)

律分析

設(shè)置氣墊式調(diào)壓室后，為了保證將來機組與調(diào)壓閥聯(lián)動時調(diào)速器的可靠性，仍以一段直線啟閉規(guī)律為研究對象。經(jīng)過前期大量試算，兩個水力單元機組均以13 s一段直線關(guān)閉，調(diào)壓閥13 s一段直線聯(lián)動開啟，開度達到最大后延時10 s，再以120 s一段直線關(guān)閉。計算結(jié)果見表4。

由表4中計算結(jié)果可以看出，增設(shè)氣墊式調(diào)壓室后，過渡過程工況下，蝸殼末端壓力及機組轉(zhuǎn)速上升均有了明顯改善。1號水力單元調(diào)壓閥直徑由1.2 m/1.2 m減至0.8 m/0.8 m的閥徑組合時仍能滿足相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。為了保證本電站將來安全運行，留有足夠的安全裕量，初步選擇1號水力單元1.0m/1.0 m的閥徑組合，2號水力單元1.0 m/0.8 m的閥徑組合。

表4 增設(shè)氣墊式調(diào)壓室后調(diào)壓閥選型計算結(jié)果

5結(jié)論

鑒于本電站在新疆電網(wǎng)中的重要作用，考慮到單獨設(shè)置調(diào)壓閥時閥徑過大，同一水力單元調(diào)壓閥均拒動的極端工況以及水力干擾、小波動穩(wěn)定性等原因，采用氣墊式調(diào)壓室聯(lián)合調(diào)壓閥的防護措施，一方面可以避免2臺調(diào)壓閥同時拒動時發(fā)生的危害，另一方面也可以減小單獨設(shè)置調(diào)壓閥防護措施時的調(diào)壓閥直徑，同時還能改善水力干擾性能及小波動穩(wěn)定性。

參考文獻：

［1］孔昭年，田忠祿，王思文，等.阿勒泰水電站“以閥代井”研究［J］.水電站機電技術(shù)，2016（39）：1-4

中圖分類號：TV136

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）06-0004-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.002

收稿日期：2016-02-26

作者簡介：劉峰（1981-），男，工程師，長期從事水電站水力機械設(shè)計工作。置出現(xiàn)調(diào)壓閥拒動的故障，導(dǎo)葉要么慢速關(guān)閉，要么拒動不關(guān)，只能通過關(guān)閉機組前的進水閥切斷水流，來確保機組的安全。因此，調(diào)壓閥直徑的選取應(yīng)考慮調(diào)壓閥拒動的工況。