國外某水電站擴機改造工程的可行性分析

殷 晶

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

機組甩負荷時，由于導葉迅速關閉，水輪機的流量會急劇變化，因此在水輪機壓力過水系統(tǒng)內會產生水擊而導致事故。在設計階段，就應計算出上述過渡過程中最大轉速上升值及最大壓力上升值[1]。

水電站為了提高水資源利用率，獲得更大的電量效益，在原引水系統(tǒng)的基礎上通過擴建新機組來增加發(fā)電量。由于引用流量的增加，調節(jié)保證計算需重新復核，其復核結果直接關系到方案的可行性。

2 實例分析

2.1 概 況

國外某水電站采用長引水式開發(fā)，樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關站組成。引水系統(tǒng)主要有進水口、引水隧洞、調壓井及壓力鋼管組成，引水系統(tǒng)總長約4.8 km，電站引用流量46.8 m3/s。電站裝機60 MW(30 MW×2)，額定水頭148.2 m。見表1。

表1 國外某水電站原機組(2#，3#機組)擴機前后主要參數(shù)表

2.2 擴建水輪機及附屬設備

2.2.1機組選型

電站新增裝機容量15 MW，發(fā)電廠房型式為地面廠房，電站額定水頭136.6 m，最大水頭161.7 m，最小水頭134.2 m。本電站水輪機運行水頭范圍在134.2～161.7 m之間，水頭變幅為27.4 m。此水頭段適合的水輪機最佳型式為混流式水輪機，因此電站新增水輪機采用立軸混流式。

綜合考慮效率、空化性能、額定流量等多方面的因素，本階段暫定選用D307作為水輪機代表轉輪開展相關設計工作。

2.2.2 機組臺數(shù)選擇

原電站裝機2×30 MW，結合本電站的特點，經技術經濟比較，本電站推薦新增一臺單機容量為15 MW的裝機方案。

2.2.3 水輪機發(fā)電機組主要參數(shù)

水輪發(fā)電機組參數(shù)如下：

水輪機額定出力Pr=15.544 MW

水輪機轉輪直徑D1=1.29 m

額定比轉速ns=160.2 m·kW

額定轉速n=600 r/min

額定流量 12.45 m3/s

額定工況點效率 ≥93.2%

安裝高程 86.2 m

發(fā)電機型號 SF15-10/2615

功率因數(shù)COSΦ 0.8

轉動慣量GD2 ≥95 t·m2

保證效率 ≥96.5%

2.3 調節(jié)保證計算

調節(jié)保證計算是研究機組突然改變較大負荷時調節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性，計算機組的轉速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化，選定導水機構合理的時間和啟閉規(guī)律，解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性、機組慣性力矩和調整特性三者之間的矛盾[2]。

2.3.1 設計標準

國外某水電站原為一洞二機的引水式電站，廠房形式為地面式，新增擴建機組后，電站引水系統(tǒng)布置見圖1。

原電站單機容量30 MW，裝機兩臺，擴機新增一臺單機容量15 MW的機組，原電站機組調節(jié)保證計算控制目標值：

機組最大轉速升高率保證值 ≤50%

蝸殼最大壓力值 ≤222 m

尾水管最小水壓 ≥-7 m·H2O

2.3.2 計算方法及結果

為了能準確計算出機組的大波動情況，采用計算機仿真軟件進行計算分析，其工況選擇及計算成果見表2和表3。

圖1 國外某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)簡圖

表2 國外某電站1#擴機機組大波動過渡過程計算結果

表3 國外某電站2#，3#機組大波動過渡過程計算結果

2.3.2.1 1#新增機組

相應引水系統(tǒng)水流慣性時間常數(shù)Tw≈2.4 s，根據(jù)優(yōu)化計算，確定水輪機導葉采用兩段關閉方式，第一段關閉速率0.12，第二段關閉速率0.044，拐點開度0.4，第一段關閉時間5 s，總關閉時間14 s。

機組GD2值按常規(guī)設計，機組額定轉速為600 r/min，GD2為95 t·m2，對應的機組慣性時間常數(shù)Ta=6.03 s。機組大波動過渡過程各項極值如下：

蝸殼最大壓力上升發(fā)生在校核洪水位下，兩臺機同時甩額定負荷，緊急停機，其蝸殼最大壓力為220.8 m·H2O。

機組校核洪水位下，兩臺大機同時甩額定負荷，至空載運行，機組最大轉速上升率為βmax=53.6%。

尾水管最小水壓HB為-2.1 m。

2.3.2.2 2#，3#原機組

相應引水系統(tǒng)水流慣性時間常數(shù)Tw≈2.1 s，根據(jù)優(yōu)化計算，確定水輪機導葉采用兩段關閉方式，第一段關閉速率0.075，第二段關閉速率0.033，拐點開度0.4，第一段關閉時間8 s，總關閉時間20 s。

機組GD2值按常規(guī)設計，機組額定轉速為500 r/min，GD2為362 t·m2，對應的機組慣性時間常數(shù)Ta=7.98 s。機組大波動過渡過程各項極值如下：

蝸殼最大壓力上升發(fā)生在正常蓄水位下，3臺機同時甩全負荷緊急停機，蝸殼最大壓力為220.9 m·H2O。

正常蓄水位下，3臺機同時甩額定負荷至空載，機組最大轉速上升率為βmax=52.7%。

尾水管最小水壓HB為-6.5 m。

2.4 結論及建議

2.4.1 結 論

原機組調節(jié)保證計算最大轉速上升率控制目標值為50%，本次調節(jié)保證計算結果1#新增機組最大轉速上升率53.6%，2#，3#原機組最大轉速上升率52.7%，最大轉速上升率超出控制目標值，其余滿足要求。

根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》(DL/T 5186-2004)[3]，“當機組容量占工作總容量的比重不大，或不擔負調頻時，宜小于60%?！北敬巫畲筠D速上升率計算結果機組滿足規(guī)范要求。

2.4.2 建 議

1) 與業(yè)主、水輪發(fā)電機廠溝通，原機組甩負荷時最大轉速上升率為52.7%，是否滿足要求。

2) 本次調節(jié)保證計算蝸殼最大壓力值220.9 m，接近最大承壓能力222 m，下階段原電站壓力鋼管做管道狀態(tài)評估，確保壓力鋼管的承壓能力。

3) 利用其它仿真計算軟件進行調節(jié)保證計算復核。

3 結 語

部分水電站運行過程中存在棄水，擴機改造能夠充分利用原電站浪費的棄水，擴大裝機規(guī)模，提高發(fā)電效益。對于擴機工程而言，調節(jié)保證計算的復核直接影響擴機方案的可行性與否，關系到水工建筑物和機組的安全與穩(wěn)定。電站應據(jù)自身實際情況，因地制宜，有針對性的進行增容改造工作，為水電站取得實實在在的技改成效和經濟效益[4]。