三佳電站導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算

佘建軍，姜明利，謝敏萍

（1.玉溪市水利電力勘測設(shè)計(jì)院，云南 玉溪 653100；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

1 前言

水電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算是對機(jī)組突然改變運(yùn)行工況時(shí)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性研究，目的是選定合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，保證機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力變化在合理和標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組和電站壓力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三佳電站位于云南省華寧縣華溪鎮(zhèn)三家村地界內(nèi)，珠江流域南盤江水系右岸一級支流曲江上，距離華寧縣城42 km，交通便利。壩址以上控制徑流面積2 888 km2。該電站屬引水式，發(fā)電引用流量41.4 m3/s，設(shè)計(jì)水頭38.6 m，裝機(jī)容量3×4 500 kW，采用立式機(jī)組布設(shè)，廠區(qū)位于順流的左岸。電站控制方式采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，按“無人值班”（少人值守）方式設(shè)計(jì)。

電站采用有壓引水方式引水隧洞長340 m，洞徑4.2 m，鋼筋混凝土洞壁厚40 cm，支管采用壓力鋼管形式，長約24 m，管徑2.0 m，管壁厚約2.0 cm。有壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為58 m。

2 電站及機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2.1 電站主要參數(shù)

表1 電站主要參數(shù)

2.2 機(jī)組主要參數(shù)

表2 機(jī)組主要參數(shù)

3 導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)保計(jì)算

水電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算是對機(jī)組突然改變運(yùn)行工況時(shí)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性研究，目的是選定合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，保證機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力變化在合理和標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組和電站壓力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 有壓隧洞及壓力鋼管布置

電站采用有壓引水方式引水隧洞長340 m，洞徑4.2 m，鋼筋混凝土洞壁厚40 cm，支管采用壓力鋼管形式，長約24 m，管徑2.0 m，管壁厚約2.0 cm。有壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為58 m。其管路各段水力計(jì)算參數(shù)如表3：

表3 隧洞特征參數(shù)

表4 各管段水力計(jì)算表

3.2 分段關(guān)閉拐點(diǎn)開度選擇

通過對有壓引水系統(tǒng)的分析，其最高壓力不能超過58 m。按最大水頭計(jì)算則壓力上升值要小于38%，轉(zhuǎn)速上升可以達(dá)60%?；谝陨蠗l件，其分段關(guān)閉的拐點(diǎn)開度應(yīng)在83%～87%之間選擇。通過計(jì)算確定拐點(diǎn)相對開度為85%。

3.3 分段關(guān)閉時(shí)間確定計(jì)算

根據(jù)計(jì)算tr＜Ts電站有壓系統(tǒng)發(fā)生間接水擊，并且ρτ0＞1.5最大水擊發(fā)生在末相，但按末相水擊計(jì)算，其壓力上升和轉(zhuǎn)速上升均不滿足調(diào)保要求，因此采用分段關(guān)閉方式，控制轉(zhuǎn)速上升值，通過導(dǎo)葉先快關(guān)閉后慢關(guān)閉的分段關(guān)閉方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。把最大壓力上升控制在首相，因此利用首相公式計(jì)算得出快關(guān)時(shí)間為1.10 s。慢關(guān)時(shí)間則通過末相水擊公式計(jì)算為30 s。轉(zhuǎn)速控制按水輪發(fā)電機(jī)組的慣性力矩特性，在快關(guān)段的直線關(guān)閉時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)速最大上升，在慢關(guān)機(jī)段時(shí)通過機(jī)組的力矩特性逐漸減速，其快關(guān)段直線關(guān)閉時(shí)間為7.859 s。

3.4 拐點(diǎn)及關(guān)閉過程最大壓力上升結(jié)果

拐點(diǎn)壓力按首相公式計(jì)算，慢關(guān)閉過程的壓力上升按末相公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 拐點(diǎn)及關(guān)閉過程最大壓力計(jì)算結(jié)果

3.5 拐點(diǎn)及關(guān)閉過程最大轉(zhuǎn)速上升結(jié)果

拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速按首相公式計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表6：

表6 拐點(diǎn)及關(guān)閉過程最大轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）由于電站的壓力隧洞設(shè)計(jì)壓力較小，僅為58 m，在計(jì)算時(shí)首先應(yīng)滿足壓力上升的要求，因此拐點(diǎn)相對開度較大，直線關(guān)閉時(shí)間較長，轉(zhuǎn)速上升接近60%，而且壓力值也達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值，基本達(dá)到調(diào)保計(jì)算要求。

（2）本計(jì)算為分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算的極值計(jì)算，在最大水頭下出現(xiàn)最大壓力上升，最大壓力為57.014 m略低于設(shè)計(jì)壓力，由于壓力隧洞取水口為龍?zhí)ь^，則整個隧洞均處于同一壓力線，因此整條隧洞的壓力均應(yīng)按58 m設(shè)計(jì)。

（3）按本分段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算，其最大轉(zhuǎn)速上升極值為580.312 r/min，轉(zhuǎn)速上升接近規(guī)范規(guī)定的60%轉(zhuǎn)速上升值，因此機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)其強(qiáng)度應(yīng)按轉(zhuǎn)速上升率不小于60%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）該計(jì)算為理論計(jì)算，與電站實(shí)際情況有待于在今后運(yùn)行中驗(yàn)證，因此，還存在許多不確定因素。為確保安全，提出以下建議：

1）提高壓力隧洞的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按目前相關(guān)規(guī)范的要求，水頭在40 m左右的電站有壓隧洞的設(shè)計(jì)值應(yīng)不大于最高水頭的150%。如果標(biāo)準(zhǔn)提高可適當(dāng)加大拐點(diǎn)開度，降低壓力上升的極值。

2）增加機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量，降低轉(zhuǎn)速上升值同時(shí)也可適當(dāng)加大拐點(diǎn)開度，使得計(jì)算裕度更大。