電站含不同裝機容量機組導葉關閉規(guī)律

摘要： 擴建小容量生態(tài)機組是保證已建電站下游所需生態(tài)用水的有效方式之一.對于需要擴建機組的水電站，增設機組和原設機組選取的導葉關閉規(guī)律是否協(xié)調對于調節(jié)保證參數(shù)有著重要意義.基于特征線法建立了過渡過程仿真模型，探究設有不同裝機容量機組水電站的導葉關閉規(guī)律組合，開展了新增生態(tài)小機組前后對電站調保參數(shù)影響的對比分析，并揭示了電站中機組裝機容量對蝸殼壓力的影響機理.結果表明：電站中原機組若沿用增設生態(tài)機組前的關閉規(guī)律，會導致蝸殼壓力超出控制標準，因此應適當延長導葉關閉時間；機組裝機容量越大， 機組轉速越小，蝸殼壓力越大；電站設置不同裝機容量（AABB）機組時，裝機容量較小的機組A可直接采用電站全為該容量的方案（AAAA）的關閉規(guī)律，裝機容量較大的機組B可參考電站全用較大裝機方案（BBBB）的關閉規(guī)律.研究成果可為同類型水電站的導葉關閉規(guī)律選取提供參考.

關鍵詞： 導葉關閉規(guī)律；過渡過程；裝機容量；調保參數(shù)；生態(tài)機組

中圖分類號： S277.9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）05-0491-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0289

王沁怡，劉熠，黃衛(wèi)，等.電站含不同裝機容量機組導葉關閉規(guī)律［J］.排灌機械工程學報，2024，42（5）：491-496，540.

WANG Qinyi， LIU Yi， HUANG Wei，et al. Closing rules of turbines guide vane in hydropower plants with different installed capacity ［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（5）：491-496，540.（in Chinese）

Closing rules of turbines guide vane in hydropower plants

with different installed capacity

WANG Qinyi1， LIU Yi1， HUANG Wei2， ZHANG Jian1， CHEN Nan1， CHEN Sheng1*

（1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098， China; 2. Sinohydro Bureau 12 Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310030， China）

Abstract： One of the most efficient ways to ensure the ecological water required downstream of hydropower plants is the expansion of modest capacity eco-turbines. For the purpose of regulating and ensuring parameters in hydropower plants that require the expansion of turbines， the coordinated guide vane closing law for capacity enhancement and original turbine selection is crucial. A transition process numerical simulation model was created based on the characteristics line method" to" investigate the combination of the best guide vane closing laws for hydropower plants with various installed capacities of turbines. A comparative analysis was conducted on the impact of adding new ecological small units on the maintenance parameters of the power plant， and the mechanism of the influence of the capacity of the assembled units in the power plant on the volute pressure was revealed. The results indicate that the volute pressure will exceed the control requirement if the plant′s original turbine adheres to the closing rule before adding eco-turbines， therefore， the guide vane closing time should be prolonged correspondingly. The larger the installed capacity of the unit， the lower the unit speed， and the greater the volute pressure. When different installed capacity （AABB） turbines are installed in a hydropower plant， turbine A with the smaller installed capacity can adopt the guide vane closing law of the scheme （AAAA） in which the hydropower plant is equipped with the full capacity turbine， and turbine B with the larger installed capacity can refer to the guide vane closing law of the scheme （BBBB） in which the hydropower plant is equipped with the full capacity turbine. The research results can provide refe-rence for the selection of guide vane closing law of the same type hydropower stations.

Key words： guide vane closing law;transient process;installed capacity;bartender parameter;ecological hydraulic turbine

為保障河流生態(tài)功能、避免生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)流量維護著河流所需的自凈擴散能力［1］.中國各地陸續(xù)要求水電站在枯水期有可足量泄放生態(tài)流量的泄流設施，但早期許多水利樞紐工程項目在建設初期尚未設置生態(tài)流量設施［2-3］，生態(tài)流量難以保障.因此，電站在經(jīng)過技術論證后可在原設計上新增裝機容量較小的生態(tài)機組［4］，利用生態(tài)機組不間斷下泄的生態(tài)流量進行發(fā)電.生態(tài)機組既能通過不間斷下泄保障下游所需生態(tài)流量，又能充分利用下泄流量發(fā)電，具有明顯的經(jīng)濟效益和工程應用價值［5］.對于擴建生態(tài)機組的水電站，原機組若仍沿用原來的導葉關閉規(guī)律可能不能滿足調保計算要求，從而威脅水電站的安全穩(wěn)定運行.因此，如何協(xié)調選取電站原有機組和新設機組導葉關閉規(guī)律以保證在控制工況中機組轉速和水錘壓力滿足調節(jié)要求［6-9］，是增設小容量機組以及含不同容量機組的水電站設計中面臨的關鍵問題.眾多學者為改善過渡過程對機組導葉關閉規(guī)律選取進行了大量的研究.羅紅俊等［10］建立了相同容量雙機電站模型，運用MOASA優(yōu)化關閉規(guī)律，仿真結果說明了導葉采用多段式關閉規(guī)律可以有效改善水力過渡過程；CHALISE等［11］建立了非線性優(yōu)化模型，運用Bentley Hammer軟件找到導葉兩段折線關閉規(guī)律的參數(shù)；CUI等［12］對調保參數(shù)提出了新的非線性評估函數(shù)，使得不同情況下調保參數(shù)的安全裕度均衡分布；張美琴等［13］指出，抽蓄電站均為相同容量機組時，關閉規(guī)律受相繼甩工況尾水管最小壓力影響；儲善鵬等［14］針對抽蓄電站相同容量機組相繼甩工況，提出了一種求解最優(yōu)關閉規(guī)律的方法；李敏等［15］針對水錘壓力與機組轉速極值出現(xiàn)在不同工況的電站，推薦采用先快后慢的分段式導葉關閉規(guī)律；張超等［16］改變機組轉動慣量，提出導葉采用直線關閉規(guī)律時，機組轉動慣量存在臨界最小值.

以上文獻可以看出，已有研究主要針對電站機組均為相同裝機容量的情況，對于擴建機組等原因導致電站包含不同容量機組的系統(tǒng)，導葉關閉規(guī)律研究較少.由于實際工程中為追求操作簡便，導葉仍采取一段直線式關閉規(guī)律為主.文中基于特征線法，建立水電站過渡過程仿真模型，針對某含擴建生態(tài)機組的電站，分析擴建機組前后電站選取滿足調保計算要求的導葉一段直線關閉規(guī)律的速率變化，研究不同和相同容量的水輪機組合對蝸殼壓力、機組轉速影響規(guī)律，針對含不同容量機組的電站，提出導葉關閉規(guī)律組合的建議.

2 工程實例與分析

2.1 原電站資料

國內某電站在不添加設置生態(tài)小機組前，由2臺35 MW機組構成，機組額定流量為51.62 m3/s，額定轉速為250 r/min.引水主管道長596.30 m，水庫正常蓄水位2 465 m，死水位2 410 m.

基于特征線法的相關原理建立該電站的過渡過程仿真模型，由于該電站尾水管長度較短，故僅考慮蝸殼末端最大壓力、機組轉速最大上升率的控制工況進行研究，具體工況見表1，表中hup，hlow為上，下游水位.

各調保參數(shù)控制標準：① 蝸殼最大壓力HD2小于153 m；② 機組最大轉速上升率θD1小于50%.

原電站2臺35 MW機組采用的是斜率k=8 s-1一段直線關閉規(guī)律.由表2可知，采用2臺35 MW機組方案時選取8 s-1一段直線關閉規(guī)律時，控制工況下機組轉速最大上升率為44.72%，蝸殼末端最大壓力為148.30 m，均符合控制要求，且裕度較為均衡.

2.2 新增機組后資料

電站新增生態(tài)機組后，引水系統(tǒng)采用“一洞四機”聯(lián)合供水，共布設2臺大機組、2臺生態(tài)小機組，尾水系統(tǒng)采用單洞單機的布置形式，如圖3所示.生態(tài)機組額定流量為22.33 m3/s，額定轉速為375 r/min，單機容量為15 MW.當生態(tài)機組取以上的流量、轉速以及裝機容量時，該2種機組在額定工況下單位流量、單位轉速、開度十分接近，如圖4所示.

因此在額定流量工況時導葉開度變化相似，在甩負荷過渡過程時域計算以及機組在特性曲線上的運動軌跡會較為接近，說明新增機組參數(shù)選取具有一定合理性.

2.3 不同機組裝機容量組合的導葉組合關閉規(guī)律

建立“一洞四機”數(shù)值模型，考慮電站設置不同裝機容量的機組時，導葉關閉規(guī)律對調保極值的影響，并分析裝機容量不同對導葉關閉規(guī)律組合的機理與規(guī)律.

基于控制變量的原理，不改變輸水系統(tǒng)的長度、主管段內流速以及各裝機容量所對應的支管流速，僅改變機組裝機容量及其組合（分別為4臺15 MW機組、2臺15 MW機組和2臺35 MW機組、4臺35 MW機組），選取4臺機組中較危險的1#小機組和3#大機組在不同導葉關閉規(guī)律γ′組合方式下進行過渡過程計算（見表3），從而判斷裝機容量對機組導葉關閉規(guī)律組合的影響.

1） 4臺機組15 MW裝機容量.探究4臺機組裝機容量均選用15 MW方案時對機組導葉關閉規(guī)律組合的影響，計算結果如表4.

由表4機組轉速最大上升率可知，當4臺機組均取15 MW且采用相同關閉規(guī)律時，1#，2#機組與3#，4#大機組的最大相對轉速十分接近.但當4臺機組采用12 s-1直線關閉規(guī)律組合時，1#機組轉速最大上升率51.55%，3#機組轉速最大上升率50.62%，均超過轉速最大上升率控制值50%.因此，從轉速上升率的角度，推薦4臺裝機容量為15 MW機組關閉規(guī)律選取C4組合.圖5為15 MW D2工況導葉關閉規(guī)律兩機組水流速度變化率dv/dt結果.

由表4及圖5，當機組關閉規(guī)律采用C3或C4組合時，1#機組與3#機組的蝸殼末端最大壓力相對接近，且機組C3組合下的導葉關閉規(guī)律時蝸殼最大壓力極值相差較小.當3#，4#機組維持12 s-1一段直線關閉規(guī)律，隨著1#，2#機組直線關閉規(guī)律的增加，4臺機組的蝸殼末端最大壓力均逐漸下降，1#機組下降值略大于3#機組，反之亦然.這是因為機組導葉關閉規(guī)律發(fā)生改變，不僅會顯著影響對應管道水體中dv/dt變化過程，也會影響導葉關閉規(guī)律未發(fā)生改變的管道水體的dv/dt極值.

綜上，當4臺機組均取15 MW時，采用C4組合，機組蝸殼最大壓力為152.59 m，機組轉速最大上升率為45.99%，均在控制范圍之內.

2） 4臺機組35 MW裝機容量.探究4臺機組裝機容量均選用35 MW方案時，對機組導葉關閉規(guī)律組合的影響，計算結果如表5.

由表5機組轉速最大上升率可知，4臺機組均取35 MW時，機組關閉規(guī)律采用C3或C4組合時，1#機組與3#機組的轉速最大上升率十分接近，采用C3組合時轉速最大上升率更小，2種方案轉速最大上升率均符合小于50%的控制要求.

圖6為35 MW下D2工況導葉關閉規(guī)律兩機組水流速度變化率dv/dt結果.

由表5及圖6，導葉關閉規(guī)律采用C3，C4組合時，1#機組與3#機組的蝸殼末端最大壓力相對接近.但當采用C4組合，1#機組蝸殼末端最大壓力為159.38 m，3#機組蝸殼末端最大壓力154.74 m，不滿足蝸殼末端最大壓力控制值要求.當3#，4#機組維持12 s-1直線關閉規(guī)律，1#，2#機組導葉關閉時間逐漸增加，4臺機組的蝸殼末端最大壓力均逐漸下降，1#機組蝸殼末端最大壓力變化量大于3#機組，反之亦然.這是因為導葉關閉規(guī)律發(fā)生改變的機組，也會影響導葉關閉規(guī)律未發(fā)生改變機組的管道水體內dv/dt變化，但是前者dv/dt的極值影響更大.

因此，當4臺機組均取35 MW時，采用C3組合，機組蝸殼最大壓力、機組轉速最大上升率，均在控制范圍之內.結合4臺機組15 MW裝機容量組合結果，可以說明水電站機組裝機容量相同時，裝機容量越大，機組轉速極值越小，蝸殼壓力極值越大.

3） 15和35 MW裝機容量組合.原工程實例中2臺小機組與2臺大機組的裝機容量分別為15，35 MW.采用裝機容量不同的機組組合，探求采用上述裝機容量方案時，導葉關閉規(guī)律組合對調保極值的影響，計算結果如表6所示.

由表6結果可知，對于轉速最大上升率，機組導葉關閉規(guī)律采用相同時，裝機容量較小的1#機組的最大相對轉速總是較大.當4臺機組同時取8 s-1直線關閉規(guī)律時，1#小機組的最大轉速上升率44.91%，遠大于3#大機組；當同時取12 s-1直線關閉規(guī)律時，1#小機組的最大轉速上升率50.66%，遠大于3#大機組.為了盡可能減小裝機容量不同對機組轉速極值差異的影響，應盡量增加較大裝機容量機組導葉關閉規(guī)律，或降低較小裝機容量機組的導葉關閉規(guī)律.當采用C5組合時，小機組最大轉速上升率為42.12%，大機組最大轉速上升率為41.50%，轉速極值非常接近，為0.62%.圖7為15和35 MW D2工況導葉關閉規(guī)律兩機組水流速度變化率dv/dt結果.

由表6及圖7可知，35 MW機組若沿用電站擴建前的8 s-1導葉關閉規(guī)律時（見表2），蝸殼末端最大壓力將超過控制標準，說明對于增設生態(tài)小機組的水電站，原設機組沿用電站擴建前的關閉規(guī)律，不能滿足調保要求.導葉關閉規(guī)律發(fā)生改變的機組也會影響導葉關閉規(guī)律未發(fā)生改變機組的管道水體內原先dv/dt時程.由圖7可知，裝機容量較大的機組，同一組合方案甩負荷時dv/dt極值越大，蝸殼壓力極值越大.當大小機組關閉規(guī)律選取C5組合時，1#小機組與3#大機組的蝸殼末端最大壓力差值最小，為0.47 m.

因此，當容量較小機組采用8 s-1直線關閉規(guī)律，容量較大機組采用10 s-1直線關閉規(guī)律時，蝸殼末端最大壓力與機組轉速最大上升率均能滿足相應的控制標準，且裕度較為均衡，具有較好的統(tǒng)一性和魯棒性.

3 結 論

1） 當電站的所有機組裝機容量相同（AAAA）時，裝機容量越大，機組轉速極值越小，蝸殼壓力極值越大.

2） 當電站新增生態(tài)機組后，原機組沿用之前的導葉關閉規(guī)律會導致蝸殼末端最大壓力超過控制標準，因此需要對電站原機組導葉關閉規(guī)律進行調整.

3） 當電站包含不同裝機容量機組（AABB）時，其中裝機容量較小機組（AA）可直接采用電站全為該較小裝機容量機組方案（AAAA）時的關閉規(guī)律；裝機容量較大機組（BB）可適當縮短電站全為該較大裝機容量機組時（BBBB）的關閉規(guī)律.其原因在于機組裝機容量越大，甩負荷時水體流速變化率越大.

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（責任編輯 談國鵬）

收稿日期： 2022-11-18； 修回日期： 2023-05-01； 網(wǎng)絡出版時間： 2024-04-25

網(wǎng)絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.0950.010

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51879087，52179062）;中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（B210202015）

第一作者簡介： 王沁怡（1999—），女，江西南昌人，博士研究生（wangqinyi@hhu.edu.cn），主要從事水電站及泵站水力過渡過程研究.

通信作者簡介： 陳勝（1987—），男，江蘇揚州人，副教授（chensheng@hhu.edu.cn），主要從事水電站及泵站水力過渡過程研究.