KYET 水電站調(diào)壓方式設(shè)計優(yōu)化及關(guān)鍵技術(shù)

李 江，崔 煒，孔昭年，楊遠生，朱新民，周同旭

（1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆烏魯木齊830000；2.中國水利水電科學(xué)研究院國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京100038；3.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300301）

1 工程概況

新疆KYET水電站開發(fā)任務(wù)是發(fā)電,向新疆北部電網(wǎng)提供電力,以滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展需求。工程主要由攔河壩、引水發(fā)電洞、壓力管道、電站廠房等組成。大壩最大高度為50 m,水庫總庫容為1 008萬m3,裝機容量 110 MW（2×45 MW+1×20 MW),額定水頭為158 m,額定流量為78 m3/s,壓力引水道長度為7 100 m?？尚行匝芯侩A段對KYET水電站調(diào)壓方式進行了比選研究,比選了氣墊式調(diào)壓室、調(diào)壓井、調(diào)壓閥方案。

水電站調(diào)壓室是長壓力水道的重要組成部分,可限制水錘壓力、改善機組運行條件和供電質(zhì)量,對水電站的正常運行及水道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定起著舉足輕重的作用。該工程氣墊式調(diào)壓室方案利用施工支洞改建,地質(zhì)條件基本滿足要求,容積約14 000 m。盡管省去了山體明挖及抵達調(diào)壓室的公路,布置位置靈活,但存在調(diào)壓室容積大、襯砌面積大、閉氣難度大、管理困難、投資較高等問題。大多數(shù)長引水式發(fā)電管道采用調(diào)壓井作為調(diào)壓設(shè)施,例如：新疆已經(jīng)建成的公格爾-布倫口水電站（毛水頭659.5 m,裝機容量200 MW)、吉林臺二級水電站（2×25 MW)［1］、波波娜水電站（3×50 MW)［2］。調(diào)壓井方案屬于常規(guī)設(shè)計方案,該工程調(diào)壓井方案調(diào)壓井距離主廠房770.164 m,型式為阻抗式,底板高程為1 186.000 m,發(fā)電洞底板高程為1 158.096 m,頂高程為1 363.500 m,由阻抗孔、豎井組成。阻抗孔為圓形斷面,直徑為3.4 m；豎井為圓形斷面,直徑為16 m,斷面面積為201 m2,深度為200 m。問題是修建調(diào)壓井的附屬道路占地、山體削坡、棄渣堆放、施工期廢物排放等要付出一定的生態(tài)環(huán)境代價,而所在地的生態(tài)狀況較為脆弱。該方案還存在施工安全風(fēng)險大、工期長、造價高等問題。

調(diào)壓閥是中小型水電站常采用的一種調(diào)壓方式。新疆吐木秀克水電站壓力管總長L＝896 m,水流慣性時間常數(shù)為4.7 s,大于4 s,根據(jù)規(guī)范應(yīng)設(shè)置調(diào)壓設(shè)施,然而受地質(zhì)、地形等諸多條件的制約,不宜設(shè)置調(diào)壓井,采用了調(diào)壓閥方案,調(diào)壓閥直徑取1.6 m,設(shè)計階段詳細研究了調(diào)壓閥的布置型式［3］。工程應(yīng)用表明,在無條件布置調(diào)壓井時,調(diào)壓閥是行之有效的。調(diào)壓閥調(diào)壓已被中國、日本、澳大利亞、巴基斯坦等多個國家的水電站采用［5-7］。當前,我國制造業(yè)和信息控制技術(shù)發(fā)展較好,為調(diào)壓閥應(yīng)用推廣創(chuàng)造了條件［8］。隨著KYET水電站設(shè)計工作的深入,認為采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井是可行的。

2 調(diào)壓閥原理、依據(jù)和應(yīng)用情況

2.1 調(diào)壓閥原理和依據(jù)

水電站水輪發(fā)電機組突然甩負荷時,調(diào)速器自動控制水輪機關(guān)閉導(dǎo)葉,致使水道內(nèi)產(chǎn)生水壓、機組轉(zhuǎn)速上升。對引水道較長的電站,緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉常常不能使內(nèi)水壓力和轉(zhuǎn)速上升率都控制在允許范圍內(nèi),通常設(shè)置調(diào)壓室來解決此問題。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范［9-10］,是否設(shè)置調(diào)壓室可初步按水道特性或機組特性判斷,依據(jù)的主要參數(shù)是水流慣性時間常數(shù)。最終的判別還需考慮水道布置、電站在電力系統(tǒng)中的作用、水道沿線地形地質(zhì)條件、電站調(diào)節(jié)品質(zhì)等因素,應(yīng)采用水力過渡過程分析計算,經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比較后確定。

水輪機調(diào)壓閥與調(diào)壓室的作用一致,調(diào)壓閥設(shè)置的必要性可參照調(diào)壓室的判斷條件。調(diào)壓閥一般安裝在電站水輪機進水口處,機組甩負荷時,在導(dǎo)葉關(guān)閉的同時開啟調(diào)壓閥,多余的流量從調(diào)壓閥排出,直至機組關(guān)閉后再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥。調(diào)壓閥并非長期動作,根據(jù)目前中小型電站的運行經(jīng)驗,調(diào)壓閥的動作頻次大概每年幾次或無。我國已頒布了水輪機調(diào)壓閥及其控制系統(tǒng)基本技術(shù)條件的行業(yè)標準［11］。

2.2 調(diào)壓閥應(yīng)用情況

水輪機調(diào)壓閥早在20世紀30年代已出現(xiàn),1949年以前,我國東北的鏡泊湖水電站、廣東的大隆電站和東方電站均采用進口調(diào)壓閥,也稱放空閥。1965年重慶水輪機廠生產(chǎn)我國第1臺調(diào)壓閥在廣西澄碧河安裝運行。由于早期的調(diào)壓閥采用機械式控制,閥開啟操作時滯較大,調(diào)壓效果不顯著、可靠性差,因此未得到推廣［5］。20世紀70年代,國外開始出現(xiàn)與調(diào)速器液壓聯(lián)動的調(diào)壓閥,在我國水電部科技司主持下,國內(nèi)數(shù)家科研單位研制調(diào)壓閥,在龍源、西洱河二級水電站中應(yīng)用并推廣。當前,采用調(diào)壓閥作為調(diào)壓措施的水電站成功案例很多［7］,典型案例見表 1［6］,其中巴基斯坦塔貝拉電站單機容量達477 MW。

本文部分作者參加了四川楊村、云南勐典河、湖北龍?zhí)蹲?、老撾南奔、巴基斯坦普胡等水電站調(diào)壓閥的研發(fā)。楊村電站是目前國內(nèi)采用調(diào)壓閥調(diào)壓單機容量最大的電站,單機容量為22.68 MW,水流慣性時間常數(shù)為25 s。

表1 采用調(diào)壓閥的電站案例統(tǒng)計

3 調(diào)壓閥應(yīng)用的技術(shù)因素

調(diào)壓閥早期應(yīng)用效果不甚理想,經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得了一定成效,但仍然存在一些問題與質(zhì)疑,尤其是國內(nèi)缺乏大容量調(diào)壓閥的應(yīng)用先例,其小波動過程及對電網(wǎng)品質(zhì)的影響等成為其推廣應(yīng)用的技術(shù)制約。

3.1 設(shè)備制造與加工能力

調(diào)壓閥是從國外引進的技術(shù),應(yīng)用初期國內(nèi)生產(chǎn)能力無法滿足制造要求,出現(xiàn)了很多問題,如廣西澄碧河調(diào)壓閥應(yīng)用［5］。近40 a來我國水輪機控制制造技術(shù)得到了飛躍發(fā)展,整體上已達到國際先進水平。當前不存在制約設(shè)備的生產(chǎn)障礙,巴基斯坦塔貝拉水電站采用的就是我國自行研制的調(diào)壓閥（見表1)。

3.2 水力過渡過程問題

我國現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范對于采用調(diào)壓閥的水電站水力過渡過程分析方法、內(nèi)容等尚無統(tǒng)一規(guī)定。近年來水利水電行業(yè)規(guī)范修編力度很大,部分比較先進的技術(shù)逐步納入規(guī)范,通常采取了比較審慎的態(tài)度,但并不排斥新技術(shù)的應(yīng)用,前提是需要開展計算分析、模型試驗等大量認真細致的工作。當前,對于設(shè)置調(diào)壓閥業(yè)界爭議的焦點主要是小波動過程對電網(wǎng)品質(zhì)的影響。

3.3 水輪機控制設(shè)備試驗用實時仿真系統(tǒng)

近年來,我國具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的水輪機控制設(shè)備試驗用實時仿真系統(tǒng)成功研制并得到應(yīng)用,實現(xiàn)了在實驗室階段、現(xiàn)場蝸殼充水前后對調(diào)速器進行全面檢查試驗,較好地解決了設(shè)備的實時仿真問題。在國家能源局“替代調(diào)壓井的新型調(diào)壓閥及其控制系統(tǒng)研究與電站示范應(yīng)用”科技項目中,中國水利水電科學(xué)研究院與天津電氣科學(xué)研究院有限公司合作開發(fā)了“GDMS-PE01型水輪機調(diào)速系統(tǒng)綜合測試儀”,被測試的調(diào)速器、油壓設(shè)備、調(diào)壓閥、導(dǎo)葉和調(diào)壓閥接力器等是真實的物理裝置,而引水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機組采用實時仿真系統(tǒng),建立基于非線性特性的水輪機特性及水電站引水系統(tǒng)的動力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型,物理模型與仿真的結(jié)合應(yīng)用為調(diào)壓閥的研究應(yīng)用提供了非常好的技術(shù)支撐。

4 KERT電站調(diào)壓閥的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 水輪機一次調(diào)頻水力過渡過程

電力系統(tǒng)強調(diào)并網(wǎng)電站機組的一次調(diào)頻功能,其實質(zhì)是將調(diào)速器自動化、安全可靠性加以量化,提出要求,加以約束。一次調(diào)頻對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在功率永態(tài)調(diào)差系數(shù)、人工失靈區(qū)、短時響應(yīng)目標功率等方面均有要求。KYET水電站是高水頭電站,適宜采用理想水輪機模型計算一次調(diào)頻。經(jīng)計算,在現(xiàn)有機組參數(shù)條件下,KYET水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻的水力過渡過程符合行業(yè)規(guī)范規(guī)定,可在設(shè)備調(diào)試時得到進一步驗證。根據(jù)多個工程的經(jīng)驗,應(yīng)注意機組并網(wǎng)運行時發(fā)生復(fù)雜的電磁現(xiàn)象,很難用簡單的仿真技術(shù)予以解決,并得出清晰結(jié)論。目前尚沒有成功計算分析并網(wǎng)機組一次調(diào)頻的報道。

4.2 水輪機大、小波動水力過渡過程

應(yīng)用中國水利水電科學(xué)研究院與天津電氣科學(xué)研究院有限公司合作開發(fā)的基于Simulink的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)通用仿真程序完成水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大、小波動過程中的穩(wěn)定狀態(tài)分析。在非線性水輪機特性條件下,共計算分析了3臺機組同時甩100%負荷,單臺機組甩25%、50%、75%的負荷,機組啟動,空載擾動等11種工況。結(jié)果表明,機組頻率均在約40 s穩(wěn)定在額定頻率附近擺動,水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大、小波動條件下均是穩(wěn)定的。機組甩負荷時,調(diào)壓閥均開啟100%,使得產(chǎn)生的蝸殼壓力下降20%～18%,但不會形成負壓。在阻尼系數(shù)取0.05、3臺機組同時甩100%負荷工況下水輪機的調(diào)節(jié)性能見圖1,滿足穩(wěn)定和安全要求。

圖1 三臺機組甩負荷100%工況的水輪機調(diào)節(jié)性能

KYET水電站裝機110 MW,在該流域規(guī)劃電站中裝機容量占比不到5%,該電站建成后在同期并網(wǎng)發(fā)電的水電站中容量占比不到8%,從對電網(wǎng)品質(zhì)影響的角度分析,即使其意外發(fā)生不穩(wěn)定的波動也不會對電網(wǎng)造成很大影響。

4.3 帶調(diào)壓閥的機組調(diào)節(jié)仿真試驗

應(yīng)用水輪機調(diào)速系統(tǒng)綜合測試儀對KYET水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了試驗研究。在相關(guān)水輪機調(diào)速器國家標準、電力行業(yè)標準中選取水輪發(fā)電機組自動啟動、空載擾動、甩負荷等試驗項目。水輪發(fā)電機組自動啟動試驗是調(diào)速器接受指令后開至啟動開度,通常在達80%額定轉(zhuǎn)速時進行自動調(diào)節(jié),如果系統(tǒng)不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速大幅震蕩,甚至出現(xiàn)發(fā)散型震蕩,則機組不能自動運行；空載擾動試驗?zāi)康氖菣z驗系統(tǒng)穩(wěn)定性,并找出最優(yōu)參數(shù)供運行使用；甩25%、50%、70%、100%負荷試驗?zāi)康氖菣z驗調(diào)速器的自動控制能力,是檢驗、評價調(diào)速器動態(tài)特性的重要依據(jù)。

試驗擬定了測試機組自動啟動、空載擾動、甩負荷25%、50%、70%、100%等不同工況,分析表明,自動調(diào)節(jié)狀態(tài)下水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定收斂,調(diào)節(jié)過程正常,蝸殼壓力上升和下降值略小于水力過渡過程計算的結(jié)果。

4.4 調(diào)壓閥對水道結(jié)構(gòu)的影響

調(diào)壓閥對水道結(jié)構(gòu)的主要影響體現(xiàn)在水錘壓力。原調(diào)壓井方案水道結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的水錘壓力以蝸殼處水錘為靜水壓力的130%為基準。采用調(diào)壓閥方案后蝸殼水錘壓力取水力過渡過程計算和機組調(diào)節(jié)仿真試驗結(jié)果中的最大值,發(fā)生在3臺機組同時甩負荷、阻尼系數(shù)接近0時,其值為靜水壓力的129%。由此可見,調(diào)壓閥方案的管道水錘壓力略小于調(diào)壓井方案的,水電站水道結(jié)構(gòu)仍然安全。

5 調(diào)壓閥選型、布置和效益分析

5.1 選型和布置

將水力過渡過程計算和試驗確定的技術(shù)參數(shù)作為調(diào)壓閥選型依據(jù),確定45 MW機組調(diào)壓閥直徑為1 000 mm、最大行程為250 mm,20 MW機組調(diào)壓閥直徑為700 mm、最大行程為 175 mm,可保證機組甩100%負荷時最大轉(zhuǎn)速上升率不超過50%,壓力最大上升率不超過30%,壓力下降不會出現(xiàn)負壓,并留有足夠的余量。將調(diào)壓閥布置在主廠房水輪機層,進水口接水輪機蝸殼,出水口接至尾水管,布置示意見圖2。該布置方式相對簡單,設(shè)備所占空間小、安裝工期短。

圖2 調(diào)壓閥布置示意

5.2 防抬機復(fù)核

考慮到調(diào)壓閥出水口與尾水管連接,調(diào)壓閥宣泄的高速水流會瞬時增大尾水管內(nèi)部壓力,此時水輪機導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉,當水輪機葉片下部壓力大于上部壓力時可能導(dǎo)致機組抬升,因此進行了機組抬升復(fù)核。模型機試驗表明,尾水管瞬時最大壓力上升值為額定水頭壓力的6.7%；水輪機廠家開展的計算流體力學(xué)（CFD)數(shù)值仿真結(jié)果顯示,該壓力上升值為額定水頭壓力的9.8%［12］。原型機和數(shù)值模擬結(jié)果接近,相互印證。防抬機安全系數(shù)取水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部件總重與瞬時上抬水壓之比,上抬分布水壓取原型機試驗和數(shù)值仿真結(jié)果中的最大值。計算得出45、20 MW機組防抬機安全系數(shù)分別為2.5和2.6,不會發(fā)生機組抬升,且有較高的安全裕度。

5.3 優(yōu)化效益分析

以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井省去了調(diào)壓井及相關(guān)附屬土建工程,增加了調(diào)壓閥及少量配套機電設(shè)備,合計節(jié)省工程投資約2 100萬元,節(jié)省調(diào)壓井及附屬工程工期約6個月,規(guī)避了深大地下工程開挖對施工人員人身安全造成傷害的風(fēng)險。

以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井,省去5 500 m2的調(diào)壓井及道路占地,省去調(diào)壓井開挖、山體放坡、道路修建等棄渣7.5萬m3,避免了調(diào)壓井建設(shè)對原始環(huán)境的擾動和破壞,占地范圍內(nèi)的植被和表層土壤得到保護,避免了棄渣對原始自然景觀的破壞和造成水土流失,避免了施工生活垃圾、噪聲、揚塵、廢水等對環(huán)境的污染,具有顯著的生態(tài)和環(huán)境效益。

6 結(jié) 語

（1)隨著技術(shù)的發(fā)展,世界上采用調(diào)壓閥作為調(diào)壓措施的水電站成功案例增多,如楊村水電站、巴基斯坦PUHUR電站、老撾南奔電站、湖北龍?zhí)蹲焖娬尽⒃颇羡碌浜与娬镜?這些成功案例為調(diào)壓閥的應(yīng)用推廣提供了借鑒。

（2)根據(jù)2016年中國水利水電科學(xué)研究院與天津電氣科學(xué)研究院有限公司合作的“以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程研究”和“帶有調(diào)壓閥的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合測試裝置的研發(fā)”項目成果,對KYET水電站調(diào)壓閥一次調(diào)頻、大/小波動的水力過渡過程計算、調(diào)節(jié)仿真等開展了一系列科學(xué)試驗,研究表明,該水電站采用調(diào)壓閥能夠解決機組轉(zhuǎn)速和水道壓力上升問題,且滿足機電設(shè)備和水工建筑物的安全要求。在非線性水輪機特性條件下,大波動工況及由大波動工況自動調(diào)節(jié)進入小波動工況時水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程均是穩(wěn)定的。本文調(diào)壓閥調(diào)壓的可行性論證方法,選型、布置和防抬機復(fù)核,效益分析,及其相關(guān)結(jié)果均值得相似工程借鑒。

（3)隨著KYET水電站設(shè)計階段的深入,采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井方式,對加快工程投產(chǎn)、保障施工安全、鼓勵科技創(chuàng)新、節(jié)省投資、環(huán)境保護等而言均有利,有可觀的社會效益、經(jīng)濟效益及生態(tài)效益。實施階段應(yīng)認真研究為保證蝸殼進水蝶閥、機組事故配壓閥的控制系統(tǒng)安全可靠,在引水發(fā)電系統(tǒng)進水口設(shè)置快速閘門的措施。

近年來,我國水電設(shè)備研發(fā)、制造能力均有極大的提升,機組將實現(xiàn)全部國產(chǎn)化［13］。我國的水輪機控制技術(shù)已達到國際先進水平,為調(diào)壓閥推廣提供了支撐。新疆KYET水電站將成為國內(nèi)應(yīng)用調(diào)壓閥調(diào)壓的裝機容量最大的電站,在國內(nèi)具有重要的示范作用。