功果橋機組調節保證計算及甩負荷試驗結果分析

王 慶，陳維勤，德宮健男

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功果橋機組調節保證計算及甩負荷試驗結果分析

王 慶，陳維勤，德宮健男

（東芝水電設備（杭州）有限公司，杭州 310016）

采用東芝公司獨立開發的水力過渡過程計算的專門程序，對功果橋水輪機甩負荷過渡過程進行了模擬計算。經過對導葉關閉規律的多次優化，調節保證計算結果滿足了合同要求。通過與現場甩負荷試驗實測結果的對比分析，二者吻合良好，從而驗證了計算程序的精確性及計算結果的準確性。為現場甩負荷試驗的順利進行提供了參考依據，同時對類似電站的甩負荷試驗也有一定的借鑒意義。

水電站；調節保證計算；甩負荷試驗

0 前言

水力過渡過程是引水式電站必須面對的問題之一。對于水輪機主機廠家來說，根據設計單位提供的電站輸水系統的資料，推薦合適的導葉關閉規律、GD2值，使最大水錘壓力、機組轉速上升、尾水管水壓等參數在合理的允許值范圍內，是非常重要的工作，也是保證機組安全穩定運行的關鍵之一。

同時，最大水錘壓力是作為復核壓力管道、蝸殼及水輪機強度的依據之一；尾水管壓力則是校核尾水管內真空度及防止產生水柱分離現象的重要評價依據；而限制機組轉速上升在一定范圍內，則是為了保證供電系統的質量，也是為了防止由于過速引起過電壓從而造成發電機電氣絕緣的損壞，以及超過設計強度而產生的破壞和振動等。

功果橋電站位于云南省云龍縣，為瀾滄江中下游河段規劃梯級的最上游一級。電站共設4臺單機容量為225MW的混流式水輪發電機組，以發電為主，在電力系統中擔任調峰、調頻和事故備用。

電站為全地下式廠房，布置在右岸，岸邊式進水口。電站輸水系統分別有四組上游引水系統和兩組下游尾水系統組成。上游引水系統采用單機單管布置，共設4臺機組；下游尾水系統采用兩機一洞一調壓室方式，即1號、2號機組尾水匯合到1號尾水調壓室、1號尾水洞；3號、4號機組尾水匯合到2號尾水調壓室、2號尾水洞。

1 計算程序簡介

水輪發電機組在正常運行情況下，水輪機的出力與電力系統的負荷相互平衡，這時機組以額定轉速運行，水電站有壓引水系統(壓力隧洞、壓力鋼管、蝸殼、尾水管及尾水隧洞)中的水流處于恒定流狀態。

但在實際運行過程中，常會遇到各種事故導致機組突然與系統解列，把負荷甩掉的情況。由于負荷的變化是瞬時發生的，而導葉的啟閉需要一定時間，水輪機的出力不能及時發生相應變化，因而破壞了水輪機出力和負荷之間的平衡。在調速器調節導葉使其關閉過程中，水輪機產生的剩余能量轉化為機組轉動部分的動能，從而造成機組轉速的急速上升。導葉關閉時，由于水流運動的慣性大，水輪機流量的迅速改變勢必會引起有壓管路系統中的非恒定流運動，即流量和流速也會發生急劇變化，使得壓力管道、蝸殼及尾水管中的壓力隨之變化（即水錘現象）。

為了能有效模擬管路系統內水錘傳播特性的非恒定流運動，由東芝公司獨立進行開發，運用于水泵式水輪機、混流式水輪機、軸流式水輪機及其他型式水輪機組的水力過渡過程計算的專門程序采用了特征曲線法進行模擬計算。

特征曲線法可分析復雜管路內部流體的運動情況，也可處理復雜的邊界條件，同時能計入摩擦阻力的影響。方法是建立壓力管道的基本方程式，將方程式轉化為全微分方程的型式，再對全微分方程進行積分，用數值計算方法求解水錘值及其變化過程。方程式的轉換如上面的圖所示。

東芝公司水力過渡過程計算程序的原理如圖1所示，流程圖如圖2所示。

圖1 水力過渡過程計算程序原理概略圖

圖2 水力過渡過程計算程序流程圖

2 計算條件

2.1 電站水位參數

上游水庫水位：

校核洪水位：1309.5m；

正常蓄水位：1307.0m；

死水位：1303.0m。

下游水庫水位：

校核尾水位：1259.0m；

設計尾水位：1257.6m；

正常尾水位：1245.3m；

一臺機額定流量對應的尾水位：1241.68m。

2.2 水輪機基本參數

水輪機型號：HL-LJ-669；

最大水頭：66 m；

額定水頭：58 m；

最小水頭：46 m；

轉輪公稱直徑1：6690 mm；

額定出力：230 MW；

額定流量：437.6 m3/s；

額定轉速：93.75 r/min；

飛逸轉速：190 r/min；

最高效率：96.14%；

水輪機安裝高程：1235.00 m；

允許吸出高度：－6.64 m。

2.3 合同規定的調節保證值

合同中規定：當發電機的轉動慣量GD2不小于75000t·m2時，蝸殼末端最大壓力不超過0.9MPa（包括壓力上升值在內），即0.9×101.972≈91.8mH2O。最大轉速上升率不大于額定轉速的55%，即93.75×1.55 ≈145.3r/min。尾水錐管內的最大真空度不得大于6.5mH2O。

3 計算過程及結果

3.1 輸水系統管路計算模型及參數

功果橋電站水輪機調節保證計算所采用的管路模型為1號、2號機組所組成的輸水系統，即1號、2號機組尾水匯合到1號尾水調壓室、1號尾水洞。

圖3 功果橋電站輸水系統計算模型概略圖

管路模型根據設計單位提供的圖紙資料，進行了從上游水庫經引水隧洞、至水輪機再到尾水調壓室直至下池水庫的輸水系統的全程模擬。1號、2號機管路全長分別為1011.6m、1023.1m，其中1號機上游側管路為265.3m，2號機上游側引水管路為276.8m，管路等價直徑均為11.0m；2臺機組從水輪機中心至調壓室的長度均為160.4m，管路直徑依次為9.8m、14.2m、17.1m；調壓室至下池水庫管路長度為585.9m。

3.2 調節保證計算結果

功果橋電站水輪機模型的驗收試驗于2008年9月在日本東芝公司順利完成，各項指標均達到了合同的要求。采用該模型的水輪機完全特性數據及本計算程序，進行了功果橋水輪機甩負荷的調節保證計算。

根據合同規定及設計單位的要求，并結合混流式機組甩負荷時可能出現的最惡劣工況，對最高水頭－最大出力、額定水頭－最大出力以及設計單位指定：上池水庫水位為校核洪水位1309.5m，下池水位為1258.52m的三種控制工況進行了調節保證計算，并于2009年1月提交了計算成果報告。

功果橋電站水輪機為低水頭大容量式機組，鑒于低水頭水電站一般發生的水錘形式，并通過對水輪機在以上控制工況的多種導葉關閉規律下的甩負荷過渡過程進行的計算及結果比較，確定導葉采用先快后慢的兩段關閉的模式。關閉規律如圖4所示。

圖4 提交報告中的導葉關閉規律

提交報告的計算結果表明，采用上述優化的導葉兩段關閉規律，三種工況下的蝸殼最大水壓上升值、機組最大轉速上升率、尾水管最大真空度的計算結果均滿足合同保證值的要求。

4 復核計算與現場甩負荷試驗結果的對比

4.1 復核計算

功果橋電站為單線路送出，機組在運行時，可能會因為線路跳閘等原因引起雙機組甩負荷。為檢驗機組在甩負荷時各調保參數是否滿足要求，功果橋電站于2013年1月31日進行了1號、2號機組的雙機甩負荷試驗。

為確保雙機甩負荷試驗順利進行，東芝公司在試驗前又再次根據當時的水位條件及試驗準備采用的機組出力進行了調保計算的核算，在保證調保各參數均能滿足合同規定的前提下，對現有導葉關閉規律繼續進行優化。并在現場調試時，派相關人員前往現場確認，以保證現場關閉規律能最大限度地與理論計算一致。

4.2 雙機甩負荷試驗結果分析

圖5為東芝公司提供的最終優化關閉規律與現場雙機調試完畢的結果對比。可見三者差別甚微，關閉斜率一致。

圖6為功果橋電站1、2號機組在圖5所示的導葉關閉規律基礎上進行雙機甩負荷試驗的結果。試驗結果曲線從上至下依次為機組頻率變化曲線、1號機蝸殼水壓變化曲線、2號機蝸殼水壓變化曲線、2號機尾水管水壓變化曲線。由圖可知，機組頻率最大值為73.66Hz（對應轉速約為138.1r/min）；1號機蝸殼水壓最大值為0.81MPa；2號機蝸殼水壓最大值為0.79MPa；2號機尾水管水壓最小值為－0.14MPa（相當于－14mH2O，但由于該測點位于水輪機中心線下方10m處，將該測量值換算至水輪機中心線基準處時結果為－4mH2O）。以上試驗結果均滿足合同對調節保證值的要求。

圖5 現場調試時導葉關閉規律

圖6 現場雙機甩負荷試驗結果

由于水壓脈動的影響，現場試驗的測量結果均為脈動壓力曲線。而計算機模擬結果尚無法模擬真實的水壓脈動，為了更直觀地進行比較，在確認了1、2號機曲線衰減趨勢幾近一致的前提下，選取了脈動較小的2號機的試驗結果進行對比。

東芝公司的2號機的詳細計算結果波形曲線如圖7所示。曲線從上至下依次為蝸殼水壓變化曲線、尾水管水壓變化曲線及機組轉速變化曲線。計算結果表明，2號機蝸殼水壓在不考慮計算誤差的情況下，計算結果最大值為81mH2O，約0.79MPa，與實測結果在發生時間和數值上均一致。尾水管水壓在不考慮計算誤差的情況下，計算結果最小值為－3.9mH2O，與實測結果在數值上幾乎一致。機組轉速上升最大值為142.8r/min，與實測結果僅差4.7r/min，分析原因可能是由于現場2號機導葉關閉調試時間比東芝提供的導葉關閉時間稍慢所致，二者的關閉時間詳見圖5。導葉關閉時間的整體減慢會造成轉速的急速上升，但由于上述時間不長，只是造成極值稍微增大，據圖8可知，二者的振動周期，波形衰減趨勢均良好吻合。

圖7 東芝公司的計算結果

圖8 現場試驗結果與東芝復核計算結果的對比

圖8為2號機的現場甩負荷試驗結果與東芝公司復核計算結果的波形對比，可見二者在極值幾近一致的前提下，振動周期、波形衰減趨勢以及時間變化均良好吻合，且結果均滿足合同對調節保證值的要求。

4.3 四臺機同時甩滿負荷試驗

功果橋電站為單線路送出，全廠四臺機組同時甩滿負荷過渡過程現象也有可能發生。為檢驗機組在四機甩滿負荷過程中各調保參數是否滿足要求，以及電站安保系統的應變能力，功果橋電站于2013年3月17日進行了全廠四機甩滿負荷試驗。

由于功果橋電站1號，2號和3號，4號機組分別為兩組獨立的輸水系統組成，對于調保計算結果而言，四機甩滿負荷的結果理論上應同雙機甩滿負荷的結果趨于一致。據云南省電力試驗研究院2013年4月提供的四機甩負荷試驗檢測報告表明，功果橋電站四機甩滿負荷時，調速器與主機的過渡過程與雙機甩滿負荷過程基本一致，電廠調速系統，勵磁系統調節動態過程正常，各項動態調節參數技術指標滿足調節保證計算的要求。

6 結語

通過與功果橋電站水輪機現場甩負荷試驗結果的對比分析，驗證了東芝公司用于水力過渡過程模擬的計算方法是合理的。東芝公司在該計算方法的基礎上編制的專用程序的計算結果能與原型機現場測試的結果保持充分的一致性，能真實地反映機組調節保證各參數在甩負荷時的實際變化，同時也證明了該程序的計算精度完全能夠滿足工程設計的要求。

該調節保證計算程序在不斷與原型機現場試驗結果進行比較和驗證的基礎上，在工程實踐中不斷擴充和完善了其功能，能夠為水輪機調節保證計算及現場甩負荷試驗提供可靠參數和科學依據，更有效的確保水電站的安全。

[1] 劉啟釗, 胡明. 水電站（第4版）[M]. 中國水利水電出版社2010.

[2] ターボ機械協會[日]. ハイドロタービン[M]. 日本工業出版.

Field Test and Simulation Analysis of Load RejectionTransient of Gongguoqiao Power Plant

WANG Qing, CHEN Weiqin,Takeo Tokumiya

(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

In this paper, the hydraulic transients calculation procedure which developed independently by Toshiba was used to simulate the turbine load rejection transient of Gongguoqiao power plant. After optimizing the guide vanes closing law, simulation results meet the contract requirements.After comparison analysis, the simulation results can coincide with actual measuring results at site. It verified the precision of procedure and the accuracy of the simulation results provided by Toshiba. It provided a reference basis for field test of load rejection. Meanwhile, it has a certain reference value for similar load rejection tests.

power station; guaranteed calculation for regulation;test of load rejection

TK730.7

A

1000-3983(2014)05-0039-06

2014-03-15

王慶（1984-），2007年畢業于河海大學，現從事水輪機設計工作，助理工程師。目前在日本東芝公司進行業務研修，主要為水泵水輪機與混流式水輪機組的水力設計與模型開發。

審稿人：魏顯著