哈拉軍水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程分析

陸云才

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

哈拉軍水電站工程位于新疆特克斯縣境內(nèi)的特克斯河一級(jí)支流庫(kù)克蘇河上，是伊犁河流域庫(kù)克蘇水力發(fā)電規(guī)劃報(bào)告中“二庫(kù)六級(jí)”中的第六個(gè)梯級(jí)電站。距特克斯縣12 km，距伊寧市131 km。哈拉軍水電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站總裝機(jī)容量為38 MW，共安裝1臺(tái)24 MW+2臺(tái)7 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均發(fā)電量1.48×108kW·h。電引水系統(tǒng)主要由壓力前池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、岔管、支管組成。前池位于渠道末端，壓力前池與引水渠銜接，后接壓力隧洞，電站進(jìn)水口底板高程1 217.000 m。發(fā)電洞布置在引水渠末端，前接壓力前池，采用一洞三機(jī)聯(lián)合供水的布置型式，額定水頭44.50 m。整個(gè)發(fā)電洞全長(zhǎng)2 623.46 m，發(fā)電洞出口采用一管三機(jī)的布置型式，岔管采用非對(duì)稱(chēng)Y型布置，通過(guò)分岔，后接支管引入主廠(chǎng)房?jī)?nèi)。

2 調(diào)壓室涌浪計(jì)算

2.1 組合工況

工況ZT1：上庫(kù)最高水位為(1 227.379 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機(jī)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)，在流入調(diào)壓室流量最大時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)上游調(diào)壓室最高涌浪的控制工況。

工況ZT2：上庫(kù)最高水位為(1 227.379 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機(jī)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)，在調(diào)壓室水位最高時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況出現(xiàn)上游調(diào)壓室最高涌浪的控制工況。

工況ZT3：上庫(kù)最高水位為(1 227.379 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機(jī)超出力(8.83 MW)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)至超出力(26.53 MW)，在流入調(diào)壓室流量最大時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)上游調(diào)壓室最高涌浪的控制工況(小糙率)。

工況ZT4：上庫(kù)最高水位為(1 227.379 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機(jī)超出力(8.83 MW)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)至超出力(26.53 MW)，在調(diào)壓室水位最高時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況出現(xiàn)上游調(diào)壓室最高涌浪的控制工況(小糙率)。

工況ZT5: 上庫(kù)最低水位為(1 224.781 m)，下庫(kù)設(shè)計(jì)尾水位(1 172.539 m)，兩小機(jī)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)，增至最大出力，在流入調(diào)壓室流量最大時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)上游調(diào)壓室最低涌浪的控制工況。

工況ZT6: 上庫(kù)最低水位為(1 224.781 m)，下庫(kù)設(shè)計(jì)尾水位(1 172.539 m)，兩小機(jī)正常運(yùn)行，大機(jī)正常啟動(dòng)，增至最大出力，在調(diào)壓室水位最高時(shí)，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)上游調(diào)壓室最低涌浪的控制工況。

2.2 計(jì)算結(jié)果

見(jiàn)表1。

表1 調(diào)壓室最高涌浪計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果可以看出，針對(duì)4種上游調(diào)壓室最高涌浪的復(fù)核工況，上游調(diào)壓室內(nèi)最高涌浪為1 235.37 m，發(fā)生在小糙率工況ZT4，低于調(diào)壓室頂高程1 239.0 m，并有3.63 m的裕量。見(jiàn)圖1。

調(diào)壓室最低涌浪值為1 216.83 m，發(fā)生在大糙率工況ZT5、ZT6，高于調(diào)壓室底板高程1 214.40 m，并且在最不利時(shí)刻甩負(fù)荷后出現(xiàn)的最低涌浪低于機(jī)組開(kāi)啟過(guò)程中的最低涌浪。見(jiàn)表2、圖2和圖3。

表2 調(diào)壓室最低涌浪計(jì)算結(jié)果

圖2 工況ZT5 調(diào)壓室水位隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)(大糙率組合)

圖3 工況ZT6 調(diào)壓室水位隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)(大糙率組合)

另外，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，上游調(diào)壓室水位將迅速降低。當(dāng)水位降低至低于調(diào)壓室下游壓力鋼管進(jìn)口頂部高程時(shí)，空氣將被吸入壓力鋼管，形成氣囊，出現(xiàn)氣液兩相流，應(yīng)予以避免。因此，對(duì)于哈拉軍電站，有必要復(fù)核當(dāng)3臺(tái)機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)調(diào)壓室漏空的現(xiàn)象。由于上庫(kù)水位越低出現(xiàn)調(diào)壓室漏空的幾率越大，故擬定以下工況作為控制工況：

工況F: 上庫(kù)最低水位為(1 224.781 m)，下庫(kù)設(shè)計(jì)尾水位(1 172.539 m)，3臺(tái)機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟至最大出力，復(fù)核調(diào)壓室是否出現(xiàn)漏空。對(duì)于工況F，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 調(diào)壓室最低涌浪計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，在上庫(kù)水位最低的情況下同時(shí)開(kāi)啟3臺(tái)機(jī)組，調(diào)壓室的水位較低，且最低涌浪為1 215.35 m，發(fā)生在大糙率工況，高于調(diào)壓室底部壓力管道的頂高程1 212.60 m，因此不會(huì)出現(xiàn)調(diào)壓室漏空的現(xiàn)象。見(jiàn)圖4。

圖4 工況F 調(diào)壓室水位隨時(shí)間變化過(guò)程線(xiàn)(大糙率組合)

3 機(jī)組關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

哈拉軍水電站關(guān)閉規(guī)律主要考慮以下兩種控制工況。工況A:上庫(kù)最高水位為(1 227.379 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，額定出力，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)蝸殼末端最大壓力的控制工況(小糙率)；工況B:上庫(kù)水位為(1 224.925 m)，下庫(kù)正常尾水位(1 175.009 m)，額定水頭，額定出力，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速最大上升率與蝸殼末端最大壓力的控制工況(小糙率)。針對(duì)工況A和工況B，其具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 一段直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律計(jì)算結(jié)果

從表4可知，機(jī)組關(guān)閉時(shí)間取11/8 s(大機(jī)11 s一段直線(xiàn)關(guān)閉，小機(jī)8 s一段直線(xiàn)關(guān)閉)時(shí)，最大轉(zhuǎn)速和蝸殼末端最大壓力均可滿(mǎn)足調(diào)保計(jì)算要求，并有一定的安全裕量。由于關(guān)閉過(guò)程中采用了大小機(jī)組不同的直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)組轉(zhuǎn)速和最大壓力的優(yōu)化控制，并且易于操作。

4 水力干擾分析

針對(duì)本電站的特點(diǎn)，擬定以下工況，工況R1-工況R4可能成為最大軸力矩上升的控制工況，工況R5-工況R8可能成為最小軸力矩的控制工況。見(jiàn)表5。

表5 水力干擾計(jì)算工況

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，采用一段直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律，未甩機(jī)組由于水力干擾，最大軸力矩上升30%，上升值相對(duì)較大，主要由于本電站調(diào)壓室設(shè)置位置距離岔管較遠(yuǎn)，達(dá)到200 m以上，但衰減較快，360 s后的力矩?cái)[動(dòng)不到4%，滿(mǎn)足相關(guān)要求。大機(jī)增負(fù)荷時(shí)，正常運(yùn)行機(jī)組的水力干擾主要由上游調(diào)壓室的水位波動(dòng)引起，小機(jī)的軸力矩下降10.3%，同時(shí)衰減比較快，150 s后的擺動(dòng)不到4%，滿(mǎn)足相關(guān)要求。

5 水力-機(jī)械小波動(dòng)穩(wěn)定分析

為進(jìn)一步論證哈拉軍電站水力-機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，擬定4種危險(xiǎn)工況直接調(diào)用調(diào)速器方程與大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算程序進(jìn)行小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的復(fù)核計(jì)算，計(jì)算工況參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 哈拉軍小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程工況參數(shù)(糙率取最小組合)

1) 對(duì)于哈拉軍電站，在開(kāi)度較大情況下，機(jī)組特性曲線(xiàn)較平緩，只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足穩(wěn)定需求。

2) 對(duì)于PI型、PID型調(diào)速器，在相同的計(jì)算工況下，采用PID型調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。對(duì)于最低水頭的X2工況，穩(wěn)定性較差，建議該工況緩沖時(shí)間常數(shù)Td大于10 s，緩沖強(qiáng)度(暫態(tài)轉(zhuǎn)差率)bt大于0.6，微分時(shí)間常數(shù)Tn取1.0。

3) 電站的小波動(dòng)穩(wěn)定性與機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)密切相關(guān)。當(dāng)水輪機(jī)在并網(wǎng)前后空載運(yùn)行時(shí)，由于開(kāi)度較小，工況點(diǎn)本身的穩(wěn)定性較差；而且在機(jī)組空載工況時(shí)，沒(méi)有負(fù)載的自調(diào)節(jié)作用(ep=0)，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也將很差。建議在原型機(jī)上結(jié)合調(diào)速器參數(shù)的整定，共同優(yōu)化這一暫態(tài)過(guò)程。

6 輸水系統(tǒng)及機(jī)組大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

哈拉軍水電站輸水系統(tǒng)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并存在一定的安全裕量。其壓力包絡(luò)線(xiàn)統(tǒng)計(jì)了一段直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律下大糙率組合和小糙率組合的結(jié)果，詳見(jiàn)圖5至圖8。大糙率組合計(jì)算結(jié)果與小糙率計(jì)算結(jié)果相差不大，小糙率組合計(jì)算結(jié)果中各節(jié)點(diǎn)最大壓力略大，大糙率組合計(jì)算結(jié)果各節(jié)點(diǎn)最小壓力相對(duì)較小。

由于上游閘門(mén)布置在進(jìn)水口附近，因此在大波動(dòng)過(guò)程中，閘門(mén)井的涌浪幅度是很小的。上游閘門(mén)井頂部高程1 228.50 m，前池最高水位為1 227.379 m，存在1.12 m的空間。通過(guò)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算可知，上游閘門(mén)井最高涌浪為1 227.46 m，上游閘門(mén)井頂部高程為1 228.50 m，滿(mǎn)足要求。

圖5 輸水系統(tǒng)最大壓力包絡(luò)線(xiàn)(小糙率)

圖6 輸水系統(tǒng)最小壓力包絡(luò)線(xiàn)(小糙率)

圖7 輸水系統(tǒng)最大壓力包絡(luò)線(xiàn)(大糙率)

圖8 輸水系統(tǒng)最小壓力包絡(luò)線(xiàn)(大糙率)

7 結(jié)論及建議

7.1 結(jié) 論

在開(kāi)度較大情況下，機(jī)組特性曲線(xiàn)較平緩，只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)程是穩(wěn)定的；對(duì)于PI型、PID型調(diào)速器，在相同的計(jì)算工況下，采用PID型調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。為保證水力-機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使其具有良好的魯棒性，緩沖時(shí)間常數(shù)Td取10.0 s，緩沖強(qiáng)度(暫態(tài)轉(zhuǎn)差率)bt取0.6，微分時(shí)間常數(shù)Tn取1.0。對(duì)于最低水頭運(yùn)行工況，穩(wěn)定相對(duì)較差，調(diào)速器參數(shù)可適當(dāng)放大。

通過(guò)機(jī)組關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行比較計(jì)算，當(dāng)采用11 s/8 s(大機(jī)/小機(jī))的一段直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律時(shí)，在超出力組合工況下機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為55.80%，略超出標(biāo)準(zhǔn)，在電站實(shí)際運(yùn)行中，該工況發(fā)生概率極小；正常工況下最大轉(zhuǎn)速上升率為52.99%，有一定的安全裕量；蝸殼末端最大壓力為76.35 m，滿(mǎn)足相應(yīng)控制要求，且尾水進(jìn)口最小壓力也可以得到很好的保證。在一段直線(xiàn)關(guān)閉過(guò)程中，大小機(jī)組采用不同的直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)組轉(zhuǎn)速和最大壓力的優(yōu)化控制，并且易于操作。另外，還針對(duì)哈拉軍水電站兩段折線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了研究，大機(jī)采用10/15(0.5)的兩段折線(xiàn)關(guān)閉，小機(jī)采用7/12 s(0.5)的兩段折線(xiàn)關(guān)閉，該關(guān)閉規(guī)律在改善蝸殼進(jìn)口最大壓力的同時(shí)也降低了最大轉(zhuǎn)速上升值，可作為將來(lái)電站運(yùn)行的安全儲(chǔ)備關(guān)閉方式。

根據(jù)哈拉軍電站輸水系統(tǒng)的上游調(diào)壓室過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果，調(diào)壓室最高、低涌浪、蝸殼進(jìn)口最大壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，并存在一定的安全裕量。

關(guān)于機(jī)組開(kāi)啟規(guī)律優(yōu)化方面，相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，隨著開(kāi)啟時(shí)間的加長(zhǎng)，無(wú)論是對(duì)調(diào)壓室的涌浪、隧洞的壓力以及機(jī)組的蝸殼壓力等均是有利的，但水電機(jī)組需要啟動(dòng)靈活、并網(wǎng)迅速，過(guò)快的開(kāi)啟機(jī)組導(dǎo)葉將導(dǎo)致機(jī)組蝸殼壓力下降較多，且會(huì)產(chǎn)生壓力振蕩。因此綜合考慮后，機(jī)組的開(kāi)啟規(guī)律建議取30 s一段直線(xiàn)開(kāi)啟，如果開(kāi)啟時(shí)間更長(zhǎng)，理論上更安全。

7.2 建 議

建議采用11 s/8 s(大機(jī)/小機(jī))的一段直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律，對(duì)于上游最高水位超出力發(fā)電先增后甩的組合工況(ZT4)，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為55.8%，略高于規(guī)定的最大轉(zhuǎn)速上升率55%，為盡量避免此種組合工況的出現(xiàn)，可限制電站超出力運(yùn)行。對(duì)于機(jī)組開(kāi)啟工況，綜合考慮后機(jī)組的開(kāi)啟規(guī)律建議取30 s一段直線(xiàn)開(kāi)啟，如果時(shí)間開(kāi)啟時(shí)間更長(zhǎng)，理論上更安全。