水電站大波動過渡過程分析計算

李國曉，韋世丹

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635)

在水電站設(shè)計過程中，對機組在各種水頭下甩全部負荷所引起的水輪機蝸殼中水錘壓力變化、尾水管真空度變化、機組轉(zhuǎn)速變化等進行的計算統(tǒng)稱為大波動計算，計算值應(yīng)滿足國家技術(shù)規(guī)范的要求[1]；主要內(nèi)容包括機組在各種正常工況和組合工況下蝸殼進口處最大內(nèi)水壓力、機組最大轉(zhuǎn)速上升值、尾水管進口處最小內(nèi)水壓力及相應(yīng)的過渡過程曲線[2]。

1 電站概況

某電站是以發(fā)電為主的水利樞紐，采用一洞兩機的供水方式。電站裝有2臺單機容量50 MW的立式混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量100 MW；電站建成后，電網(wǎng)容量約300 MW，裝機容量占電網(wǎng)容量的1/3。電站校核洪水位305.5 m，設(shè)計洪水位305 m，正常蓄水位305 m，死水位285 m；極限死水位280 m；校核洪水尾水位235.22 m，設(shè)計尾水位233.43 m，2臺機發(fā)電正常尾水位222.51 m，最低尾水位221.23 m。

水輪機額定出力51.5 MW，額定流量78.1 m3/s，額定水頭73 m，最大凈水頭84 m，最小凈水頭59 m，額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速434 r/min，轉(zhuǎn)動慣量(GD2)3 800 t·m2。

2 大波動過渡過程計算目的及設(shè)計控制指標

2.1 計算目的

大波動過渡過程是水電站引水系統(tǒng)中普遍存在的一種水力現(xiàn)象，通過正確分析過渡過程狀態(tài)及水力特性，對引水系統(tǒng)和機組的設(shè)計、機組啟動試驗和電站安全運行都有重要意義[3_4]。

(1)復(fù)核大波動工況下各項參數(shù)極值。例如，水輪機甩負荷或增負荷時蝸殼最大壓力、機組最大轉(zhuǎn)速、尾水管真空度等。

(2)優(yōu)化水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。

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

2.2 設(shè)計控制指標

(1)機組甩負荷時蝸殼最大壓力升高率。當(dāng)額定水頭40～100 m時，宜為50%～30%；額定水頭100～300 m時，宜為30%～25%。最大壓力升高率保證值按計算值并留有適當(dāng)余量來確定。根據(jù)該電站額定水頭73 m，最大水頭84 m，結(jié)合初設(shè)階段調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果、水工設(shè)計強度及機組招標參數(shù)等，確定本階段蝸殼最大壓力值Hmax≤124 mH2O。

(2)機組甩負荷時最大轉(zhuǎn)速上升率。當(dāng)機組容量占系統(tǒng)容量比例較大且擔(dān)負調(diào)頻任務(wù)時，βmax≤45%；當(dāng)機組容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤淮蠡驌?dān)負基荷運行時，βmax≤55%。根據(jù)本電站機組容量為系統(tǒng)容量的1/3，所以確定機組最大轉(zhuǎn)速上升率宜為βmax≤45%。

(3)甩負荷時，尾水管進口斷面的最大真空度不宜大于0.08 MPa，考慮海拔修正后，尾水管進口最大壓強水頭>-5 mH2O。

3 計算工況確定及計算分析

計算工況選取是否合理將影響電站的安全運行，因此必須根據(jù)電站實際運行情況，準確選取各計算極值對應(yīng)的工況，既不能選次要工況為最不利工況，又要考慮最不利的組合工況發(fā)生的概率。本電站采用一洞兩機布置方式，最不利工況為2臺機在不同水位時同時甩負荷，故大波動過渡過程計算工況選取條件如下：

(1)蝸殼最大壓力上升。上游校核洪水位，下游2臺機發(fā)電水位，額定出力，同時甩負荷，導(dǎo)葉關(guān)閉。

(2)機組轉(zhuǎn)速最大上升。下游2臺機滿發(fā)水位，2臺機額定水頭，額定出力，同時甩負荷，導(dǎo)葉關(guān)閉。

(3)尾水管進口最小壓力。上游死水位，下游2臺機滿發(fā)水位，預(yù)想出力，同時甩負荷，導(dǎo)葉關(guān)閉。

4 大波動過渡過程計算分析

4.1 優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

限制蝸殼末端水壓上升與限制機組轉(zhuǎn)速上升的條件是相互制約的，平衡兩者關(guān)系的焦點是導(dǎo)葉關(guān)閉時間，因此根據(jù)蝸殼末端最大水壓上升率和機組最大轉(zhuǎn)速上升率設(shè)計控制指標要求，優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律[5]，確定機組甩負荷導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用如下所示折線關(guān)閉規(guī)律(見圖1)。

圖1機組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

4.2 大波動過渡過程各計算工況分析

對大波動過渡過程計算進行分析，一方面檢驗電站調(diào)節(jié)保證計算的可行性，另一方面由于電站采用一洞兩機布置方式，1臺機組甩負荷時，輸水道系統(tǒng)的水力變化不可避免地將對正常運行機組的運行狀態(tài)進行干擾，需分析此種狀態(tài)下水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性(見表1)。

表1 大波動過渡過程計算結(jié)果

大波動過渡過程計算表明，機組采用二段折線關(guān)閉規(guī)律，折線拐點為0.6開度，第一段關(guān)閉時間為2 s，總關(guān)閉時間為11 s較合適。

蝸殼進口最大上升值為114.6 m，發(fā)生在T2工況：下游2臺機滿發(fā)水位222.51 m，機組額定水頭，額定出力運行，突甩負荷，正常關(guān)閉，滿足蝸殼進口最大壓力上升值不超過124 m的要求。

機組轉(zhuǎn)速最大上升值為42.7%，發(fā)生在T2工況：下游2臺機滿發(fā)水位222.51 m，機組額定水頭，額定出力運行，突甩負荷，正常關(guān)閉，滿足機組轉(zhuǎn)速最大上升值不大于45%的設(shè)計要求。

尾水管進口最小壓力值為-2.38 m，發(fā)生在T2工況：下游2臺機滿發(fā)水位222.51 m，機組額定水頭，額定出力運行，突甩負荷，正常關(guān)閉，滿足尾水管進口最小壓力大于-5 m的設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

該電站采用一洞兩機布置方式，電站裝機容量占電網(wǎng)容量的1/3，機組發(fā)生大波動時對引水建筑物和電網(wǎng)都會造成很大的沖擊，因此通過對大波動過渡過程最不利工況合理選取并對各工況進行計算分析，以保證水電站設(shè)計方案的合理有效，也為電站運行提供了可靠的依據(jù)。