普定水電站增容改造工程調(diào)節(jié)保證計算

宗美宏（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

普定水電站增容改造工程調(diào)節(jié)保證計算

宗美宏
（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

調(diào)節(jié)保證計算對于水電站設(shè)計十分重要，關(guān)系到水電站引水系統(tǒng)設(shè)計及機組參數(shù)的選擇。對于通過擴大機組單機容量的增容改造電站，在引水系統(tǒng)及水工建筑物不改動的前提下，必須保證兩點：一是改造后機組的發(fā)電流量能夠適應(yīng)原引水系統(tǒng)流道尺寸及過流能力的限制；二是改造后新機組在原安裝高程下能夠安全穩(wěn)定運行 ，水電站過渡過程調(diào)節(jié)保證計算滿足規(guī)范要求。通過對普定水電站提效增容改造工程進行調(diào)節(jié)保證計算分析，結(jié)合電站增容改造后能夠?qū)嶋H出現(xiàn)的運行工況，重點討論電站未改造的原引水系統(tǒng)承壓能力，以及新機組在原安裝高程下運行時的尾水管真空度問題，給出增容改造后電站安全運行的一些關(guān)鍵因素。圖4幅，表1個。

水電站；增容改造；調(diào)節(jié)保證計算

1　電站概況

1.1 電站基本情況

普定水電站位于烏江上游南源貴州省普定縣三岔河中游，距貴陽市125 km。水庫正常蓄水位1 145 m，總庫容4.21億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站原裝機容量75 MW，共裝設(shè)3臺25 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，于1989年12月開工建設(shè)，1993年11月開始蓄水，1994年5月第一臺機組發(fā)電。受當時設(shè)計、制造條件的限制，設(shè)備及其配套設(shè)施較差，電站運行過程中出現(xiàn)了較多的問題。根據(jù)南方電網(wǎng)關(guān)于開展振動區(qū)測試的要求，2012年至2014年，普定電站委托貴州電力試驗研究院水機所分別對3臺水輪發(fā)電機組進行了不同水位的振動區(qū)試驗。從試驗數(shù)據(jù)看，3臺機各水頭下振動區(qū)主要在額定負荷及以下區(qū)域，穩(wěn)定運行需在超出力區(qū)域。

根據(jù) 《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》，本工程為III等中型工程，擋水壩為二級建筑物，隧洞、壓力鋼管和廠房為三級建筑物。結(jié)合《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》，為使本工程效益最大化，可在布置基本不變的前提下，充分利用當前的科技水平，對機組進行提效增容改造，延長電站的整體壽命。

本電站樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸引水系統(tǒng)、右岸岸邊式地面廠房及開關(guān)站組成。引水系統(tǒng)由進水口、漸變段、引水隧洞、鋼筋混凝土岔管和壓力鋼管段組成 ，總長約280 m。主引水隧洞長156.2 m，隧洞直徑8.0 m，壓力鋼管主管段長82.7 m，管徑7.0 m，為一管三機引水形式 （見圖1）。

1.2引水系統(tǒng)檢查

為使本電站提效增容改造后引水系統(tǒng)能夠安全的過流 ，電站安排公司相關(guān)人員于2015年4月5日開始放空引水隧洞，4月8日進行了隧洞檢查。華電電力科學研究院于2015年4月13日～15日對壓力鋼管、尾水管進行了無損探傷檢測，檢查及檢測結(jié)果如下：

（1）引水隧洞檢查結(jié)果

3條壓力鋼支管與混凝土接縫處未發(fā)現(xiàn)混凝土脫空及鋼板明顯腐蝕現(xiàn)象。隧洞上平段及上彎段發(fā)現(xiàn)環(huán)形裂縫5條，縱向裂縫2條，裂縫微小且有白色析出物。隧洞內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處明顯滲漏水點，其中2處漏點呈噴射狀，1處漏水量較小。隧洞襯砌段混凝土無錯臺、無剝蝕、無淘刷破損，無露筋。隧洞內(nèi)無影響過水及危及機組運行的雜物。

經(jīng)判斷，引水隧洞整體情況良好，未有影響電站安全運行的重大缺陷。

圖1　引水系統(tǒng)示意

（2）壓力鋼管及尾水管檢查結(jié)果

引水壓力鋼管總體銹蝕情況良好 ，但局部防腐層有剝離、脫落現(xiàn)象，管節(jié)焊縫經(jīng)過輕度打磨后，有密集的銹蝕坑分布，有些管節(jié)漆層保護良好，經(jīng)過輕度打磨后，焊縫表面質(zhì)量良好。蝸殼引水鋼管總體銹蝕情況良好，平均銹蝕量為0.225mm，最大銹蝕量為2mm，最大銹蝕深度占鋼板原始厚度的9.1%。尾水管的平均銹蝕量為0.43mm，最大銹蝕量為1.8mm，最大銹蝕深度占鋼板原始厚度的15%。

經(jīng)對照判斷，引水壓力鋼管及蝸殼銹蝕良好，未有影響電站安全運行的重大缺陷。尾水管局部銹蝕較嚴重，應(yīng)該是受到機組運行方式和鋼板除銹打磨過深的影響，有條件時應(yīng)對尾水管進行防腐處理，運行過程中及機組檢修時應(yīng)進行重點監(jiān)督。

2　提效增容限制因素分析

本工程屬于已完工電站改造，從電站本身實際條件出發(fā)，最大限度提效增容的限制因素主要有：

（1）新機組發(fā)電流量須與原引水系統(tǒng)過流能力匹配

機組提效增容改造后 ，在額定水頭增加不多的情況下發(fā)電流量勢必增大 ，電站原水工建筑物 （包括引水隧洞、壓力鋼管等）必須滿足提效增容改造后較大流量的過流要求，且受到調(diào)節(jié)保證計算的限制，機組發(fā)電流量也不能增大太多。

（2）水工建筑物及過流通道不變的情況下 ，對新轉(zhuǎn)輪水力性能的影響

水輪機水力性能的關(guān)鍵取決于轉(zhuǎn)輪的性能。但水輪機作為一個整體，其水力性能除與轉(zhuǎn)輪有關(guān)外，還與蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)、尾水管等通流部件有非常緊密的關(guān)系。本電站技術(shù)改造后的轉(zhuǎn)輪必須能夠適應(yīng)原引水系統(tǒng)的水力條件，至少對轉(zhuǎn)輪效率及穩(wěn)定性影響較小。

（3）水輪發(fā)電機與現(xiàn)有風罩等水工結(jié)構(gòu)的互相配合

提效增容后風罩結(jié)構(gòu)尺寸不變，新設(shè)計的發(fā)電機定子、下機架必須利用原機組定子基礎(chǔ)螺栓及下機架基礎(chǔ)螺栓。所以新水輪發(fā)電機設(shè)計時幾何尺寸必須與原水工結(jié)構(gòu)配合，且提效增容后機組運行時基礎(chǔ)螺栓的強度要求不能比原機組高。

（4）新水輪機在電站原安裝高程下抗氣蝕的能力

原機組的吸出高度值為+0.7 m，機組安裝高程為1 087 m。更換后的轉(zhuǎn)輪必須能夠適應(yīng)此安裝高程的要求，且應(yīng)有較好的抗氣蝕能力。

3　提效增容目標確定

經(jīng)過對增容的可能性、增容后運行穩(wěn)定性、增容后引水系統(tǒng)的配合及強度復(fù)核、增容后其他輔助設(shè)備的適應(yīng)性等多方面綜合分析，確定本電站提效增容改造的目標如下：

（1）電站裝機容量從75 MW提高到87 MW。

（2）提高水輪機的運行穩(wěn)定性，尤其是在高水頭額定負荷附近的運行穩(wěn)定性。

（3）適當提高水輪機轉(zhuǎn)輪效率。

（4）水輪發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子溫升應(yīng)符合國家有關(guān)標準，絕緣性能滿足F級要求，且在各種運行工況下具有良好的運行穩(wěn)定性。

（5）對原引水系統(tǒng)缺陷進行適當修補 ，保證新機組在各種發(fā)電工況下繼續(xù)安全、穩(wěn)定的運行。

4　調(diào)節(jié)保證計算

確定提效增容目標后 ，根據(jù)新的水頭、流量及機組參數(shù)，對原引水系統(tǒng)條件下新機組的過渡過程進行計算。

4.1電站提效增容改造后水能參數(shù)

校核洪水位 （P=0.2%）1 147.5 m，設(shè)計洪水位（P=1.0%）1 145.51 m，正常蓄水位1 145.0 m，死水位1 126.0 m，校核洪水尾水位1 111.20 m，設(shè)計洪水尾水位1 106.20 m，最大凈水頭55.6 m，加權(quán)平均水頭47.5 m，額定水頭47.5 m，最小凈水頭32.9 m，裝機容量87 MW，單機容量29 MW。

4.2設(shè)計標準

根據(jù)電站原設(shè)計情況，考慮電站目前水工建筑物的過流能力、強度、缺陷，結(jié)合 《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》，確定本電站過渡過程設(shè)計標準如下：

（1）蝸殼最大壓力值≤90 m.H2O。（2）機組最大轉(zhuǎn)速上升率≤55%。

表1　普定水電站提效增容改造水力過渡過程仿真計算結(jié)果

（3）尾水管進口最大真空度＜8 m.H2O。

（4）整個系統(tǒng) （包括引水系統(tǒng)、機組、調(diào)速器、尾水管）應(yīng)滿足大、小波動穩(wěn)定要求。

4.3調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果

為了較準確地計算負荷瞬變時機組的轉(zhuǎn)速、壓力上升值、尾水管最低壓力及管道最低負壓值，采用河海大學SJFZH—3.0混流式水輪機水電站過渡過程仿真計算軟件進行了仿真計算分析 （見表1）。

對于幾個典型工況計算過程圖形如下 （見圖2～圖4）：

圖2　工況1大波動過程曲線

圖3　工況4大波動過程曲線

圖4　工況6大波動過程曲線

4.4對比分析

從上述計算結(jié)果可知 ，本電站提效增容改造后新機組負荷瞬變時轉(zhuǎn)速、壓力上升值均滿足原壓力鋼管、蝸殼的強度限制及規(guī)范要求，但尾水管進口最低壓力裕量偏小。為了保證電站運行過程的安全，特委托另兩家公司對增容后電站過渡過程進行復(fù)核計算。兩家公司采用不同的程序分別計算 ，最終得到的結(jié)果簡述如下：

FL公司采用分段關(guān)閉，尾水管進口最小水壓力-6.802 m，發(fā)生在上游死水位1臺機帶負荷運行，并甩負荷的工況；機組的最大轉(zhuǎn)速上升48.73% ，發(fā)生在額定水頭下3臺機同時甩額定負荷的工況；蝸殼最大水壓力81.59 m，發(fā)生在上下游校核洪水位3臺機同時甩全負荷緊急停機的工況。另外由于本電站 “一管三機”共用引水道布置，機組之間的水力干擾是比較明顯的，當2臺機組同時事故甩負荷時，對第三臺機組出力波動幅值影響最大能達到35.60%。

LTS公司采用分段關(guān)閉，尾水管進口最小水壓力-6.84 m，發(fā)生在下游1臺滿發(fā)尾水位，額定水頭下2臺機停機，1臺機正常運行甩全負荷工況；機組的最大轉(zhuǎn)速上升49.64%，發(fā)生在下游3臺滿發(fā)尾水位，額定水頭下3臺機正常運行甩全負荷的工況；蝸殼最大水壓力84.63 m，發(fā)生在水庫正常蓄水位，下游3臺滿發(fā)尾水位，3臺機正常運行甩全負荷的工況。通過進一步分析得出，尾水管進口真空度和尾水的波速、尾水糙率系數(shù)、尾水局部損失系數(shù)之間的關(guān)系，尾水波速及糙率對尾水管進口真空度基本無影響，而尾水局部損失系數(shù)對尾水管進口真空度則影響較大。

5　結(jié) 論

本電站改造后單機額定流量較原來增大6.95 m3/s，壓力引水系統(tǒng)無變化，因此導(dǎo)致電站提效增容改造后導(dǎo)葉必須采用分段關(guān)閉才能滿足電站調(diào)節(jié)保證轉(zhuǎn)速及壓力兩方面的要求。另外，由于機組安裝高程不能改動且原吸出高度較小 ，故提效增容改造后電站尾水管進口真空度在某些工況下安全裕量偏低。

為了使電站提效增容改造完成后，能夠長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行，需要對電站運行方式進行規(guī)定：

（1）本電站引水系統(tǒng)為一管三機布置型式 ，機組負荷變化時會影響其余機組的運行穩(wěn)定性 （水力干擾較嚴重）。每次功率改變只能對1臺機進行，禁止對2臺及上機組同時改變功率，并且盡量延長功率改變的時間。

（2）定期檢驗尾水管大軸中心孔補氣閥 ，做到機組補氣通暢。定期對尾水管進行復(fù)查檢驗 ，確保尾水流道安全、通暢。

（3）盡量避免單臺機組甩負荷工況出現(xiàn)。

［1］ 沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［2］ 常近時.水力機械裝置過渡過程［M］.機械工業(yè)出版社，1991.

［3］ 高 瑜，陳祖文.索風營水電站調(diào)節(jié)保證計算對比分析［J］.水力發(fā)電，2011，37（8）：64-67.

［4］ 黎 丹，柯國凡 ，肖慧民.復(fù)雜引水系統(tǒng)水電站甩負荷過渡過程數(shù)值計算［J］.水電與新能源，2010（4）：25_26.

責任編輯 吳 昊

2016-05-12

宗美宏 （1982-），女，工程師，主要從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

E_mail：49811884@qq.com