涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程樞紐電站水力過渡過程計(jì)算分析

夏凱歌，李 鵬

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游，具有灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電、兼顧航運(yùn)等綜合利用效益，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)枯、調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)。電站裝設(shè)4 臺(tái)單機(jī)容量50 MW 立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。不設(shè)調(diào)壓井。輸水系統(tǒng)采用4 機(jī)1 管的引水方式，主洞洞徑9.5m，長(zhǎng)478.7 m，支管管徑Φ4.1 m，最遠(yuǎn)1 臺(tái)機(jī)組支管長(zhǎng)度為27.4 m，管路示意見圖1。

圖1 管路示意圖

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

1）《水利水電工程機(jī)電技術(shù)規(guī)范》SL 511-2011；

2）《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》GB/T 9652.1-2007。

3 水力過渡過程計(jì)算控制值確定

1）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值小于55%；

2）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的蝸殼最大壓力升高率保證值小于45%；

3）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的尾水管進(jìn)口斷面的最大真空保證值不大于8 m 水柱。

4 軟件介紹

電算軟件采用河海大學(xué)水力機(jī)組微機(jī)控制技術(shù)開發(fā)研究室開發(fā)的《水電站水力-機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算系統(tǒng)》。該軟件采用優(yōu)化方法進(jìn)行水輪機(jī)水壓力和轉(zhuǎn)速迭代計(jì)算，先用進(jìn)退法求出包含解的區(qū)域，然后用區(qū)域分割法求出解。經(jīng)已建成電站對(duì)比驗(yàn)證，該軟件計(jì)算結(jié)果與電站運(yùn)行過渡過程工況相近，能較好地反應(yīng)真實(shí)的水力過渡過程情況。

5 水力過渡過程計(jì)算

5.1 計(jì)算水位組合

計(jì)算水位組合選取典型水位組合和普通水位組合兩種，結(jié)合電站多種運(yùn)行水位組合計(jì)算結(jié)果，選出最危險(xiǎn)水位組合即典型水位組合，計(jì)算典型水位組合用以優(yōu)化相關(guān)計(jì)算參數(shù)，最后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)計(jì)算普通水位組合加以驗(yàn)證（表1、表2）。

表1 典型水位組合

表2 普通水位組合

5.2 機(jī)組參數(shù)優(yōu)化

5.2.1 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

1）直線關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

選取的GD2為2 900 t·m2，關(guān)閉方式為直線關(guān)閉。

根據(jù)選定的上述兩個(gè)控制水位組合，分別進(jìn)行計(jì)算，直線關(guān)閉時(shí)間分別取10 s、11 s、12 s、13 s、14 s。

由圖2～圖3，可得出在直線關(guān)閉時(shí)的結(jié)論：

圖2 CTH1 主要參數(shù)與關(guān)閉規(guī)律關(guān)系

圖3 CTH2 主要參數(shù)與關(guān)閉規(guī)律關(guān)系

①隨著關(guān)閉時(shí)間增大，蝸殼壓力升高率逐漸降低，轉(zhuǎn)速升高率逐漸增大。

②蝸殼壓力上升率最大值出現(xiàn)在CTH1 水位組合，轉(zhuǎn)速上升率最大值出現(xiàn)在CTH2 水位組合。

③直線關(guān)閉的方式不能滿足選取的過渡過程計(jì)算控制條件，不能同時(shí)滿足兩個(gè)典型工況的轉(zhuǎn)速升高率保證值和壓力升高率保證值的要求。

2）分段關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

分段關(guān)閉方式采用兩段關(guān)閉。

根據(jù)選定的兩個(gè)控制水位組合，分別進(jìn)行計(jì)算，分段關(guān)閉時(shí)間分別采取3 個(gè)方案（見表3）。

從表3 計(jì)算結(jié)果可以看出，采用分段關(guān)閉規(guī)律后，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率和壓力上升率得到很好的改善。由上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速升高率處于臨界處，因此考慮導(dǎo)葉第一段關(guān)閉時(shí)間較短時(shí)，能改善甩負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速升高率，綜合比較壓力上升率等因素，本階段推薦導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為第一段關(guān)閉時(shí)間為5 s，第二段關(guān)閉時(shí)間為15 s，見圖4。

表3 分段關(guān)閉時(shí)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果

圖4 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律圖

5.2.2 機(jī)組GD2優(yōu)化

機(jī)組GD2取值對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速有較大影響，為了分析機(jī)組GD2值對(duì)輸水系統(tǒng)及機(jī)組有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，并為機(jī)組GD2值的選取提供依據(jù)，有必要對(duì)機(jī)組GD2不同取值進(jìn)行過渡過程比較計(jì)算。

根據(jù)電站實(shí)際情況和前期試算結(jié)果，選定上述兩個(gè)控制水位組合,并采用分段關(guān)閉規(guī)律，選定GD2比較參數(shù)分別為2 600 t·m2、2 700 t·m2、2 800 t·m2、2 900 t·m2、3 000 t·m2。計(jì)算結(jié)果和相關(guān)分析如下（見表4 和圖5）：

表4 不同GD2 時(shí)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果

圖5 機(jī)組轉(zhuǎn)速升高率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量關(guān)系曲線

由圖5 可以看出：機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率隨GD2的增加而減小，但是對(duì)蝸殼末端壓力和尾水管進(jìn)口壓力影響不大。由于引水系統(tǒng)與機(jī)組本身存在一些不確定因素，可能導(dǎo)致計(jì)算誤差，由導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律中優(yōu)化可知：機(jī)組GD2取2 900 t·m2，過渡過程計(jì)算結(jié)果均能滿足選取的過渡過程計(jì)算控制條件要求，并有一定的安全裕度。因此，推薦機(jī)組GD2不低于2 900 t·m2為宜。

5.3 計(jì)算成果及分析

從表5、圖6～7 等計(jì)算結(jié)果可以看出，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律第一段關(guān)閉時(shí)間為5 s，第二段關(guān)閉時(shí)間為15 s，GD2為2 900 t·m2時(shí)，各水位組合計(jì)算結(jié)果均滿足選定的過渡過程計(jì)算控制條件，且保持有一定的安全裕量。最大壓力升高率出現(xiàn)在CTH2 水位組合，為42.4%；最大蝸殼水壓力出現(xiàn)在CTH3 水位組合，為135.53 m，尾水管最小壓力值出現(xiàn)在CTH2 水位組合，為0.07 m。根據(jù)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果，考慮到一定安全裕量，取壓力鋼管最高壓力設(shè)計(jì)值為140 m。最大轉(zhuǎn)速升高率出現(xiàn)在CTH2 水位組合，為52.9%。

表5 水力過渡過程計(jì)算結(jié)果

圖6 CTH1 水力過渡過程曲線

圖7 CTH2 水力過渡過程曲線

6 結(jié) 論

1）導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用直線關(guān)閉不能滿足過渡過程計(jì)算要求，所以采用兩段關(guān)閉方式，第一段關(guān)閉時(shí)間為5 s，關(guān)閉開度至70%，第二段關(guān)閉時(shí)間為15 s，關(guān)閉開度至0，經(jīng)計(jì)算此方案可以滿足過渡過程計(jì)算控制條件。

2）通過對(duì)涔天河水電站機(jī)組GD2的可能取值進(jìn)行比較計(jì)算可知：GD2值取2 900 t·m2時(shí)，過渡過程計(jì)算結(jié)果能滿足要求，并有一定的安全裕度，故推薦機(jī)組GD2不低于2 900 t·m2。

3）導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律第一段關(guān)閉時(shí)間為5 s，第二段關(guān)閉時(shí)間為15 s，GD2為2 900 t·m2時(shí)，各水位組合計(jì)算結(jié)果均滿足選定的過渡過程計(jì)算控制條件，且保持有一定的安全裕度。