涔天河水電站大波動水力過渡過程電算與分析

摘 要：本文介紹了涔天河水電站大波動水力過渡過程電算的工況選擇及計算成果，分析并確定水力過渡過程計算控制值和設計值。工況選擇時涵蓋全水頭范圍運行，并需要與實際運行工況相近，了解典型工況規律，以便利用典型工況快速進行洞徑比選、機組飛輪力矩敏感性分析及導葉關閉規律優化等。

關鍵詞：涔天河水電站；水力過渡過程計算；工況選擇；大波動；分段關閉

1 前言

涔天河水電站位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開發的第一個梯級，下距江華縣城12km。涔天河水庫是一座以灌溉、防洪、下游補水和發電為主，兼顧航運等綜合利用效益的大型水利水電工程。電站裝機4臺50MW立式混流式水輪發電機組和1臺9MW臥式混流式水輪發電機組，總裝機容量209MW，為引水式電站、地面廠房，在系統中承擔調枯、調峰、調頻和事故備用等任務。

電站壓力引水系統為5機一管的引水方式，引水總管管徑φ9.5m，長約478.7m，不設調壓井。每臺大機組支管管徑φ4.1m，小機組支管管徑φ1.8m，每臺機組金屬蝸殼上游側裝有進水蝶閥。

電站采用220kV一級電壓接入系統，一回出線接至220kV江華變電站，線路的長度約為7km。發電機電壓側采用兩組擴大單元接線，設置兩臺升壓變壓器，每段母線連接兩臺發電機組和一臺變壓器，兩臺變壓器容量均為120MVA；220kV電壓側采用單母線接線。當四臺機組同時運行時，高壓側母線故障或者線路故障均有可能導致四臺機組同時跳閘。

本工程9MW小機組用于大機組停機時維持下游生態流量用，因此大機組與小機組不會同時運行，不存在大機組與小機組同時甩負荷的情況，故大波動水力過渡過程計算按四臺大機組不同工況運行時同甩負荷考慮，下文提到機組均指大機。電算軟件采用河海大學水力機組微機控制技術開發研究室開發的《水電站水力-機械過渡過程仿真計算系統》。

2 基礎資料

大波動水力過渡過程計算所需基礎資料包括電站上下游特征水位、水輪發電機組主要參數及水輪機模型資料、壓力引水系統布置參數等，本工程部分基礎資料參數如下：

（1）水庫水位：

校核洪水位：320.27m 設計洪水位：317.76m

正常蓄水位：313.0m 死水位：270.0m

（2）尾水水位：

校核洪水位：229.25m 設計洪水位：229.11m

最低尾水位：220.5m

（3）凈水頭：

最高水頭：94m 最低水頭：46m

（4）水輪機參數：

水輪機型號：HLTF120-LJ-290 額定轉速：230.8r/min

額定水頭：77.5m 額定流量：72.69m3/s

額定出力：51.55MW 機組飛輪力矩：≥2900t·m2

3 控制值選擇

根據《水利水電工程機電設計技術規范》（SL511-2011）的規定選擇水力過渡過程計算控制值如下：

（1）機組甩負荷時的最大轉速升高率保證值小于55%；

（2）機組甩負荷時的蝸殼最大壓力升高率保證值小于45%；

（3）機組甩負荷時的尾水管進口斷面的最大真空保證值不大于8m水柱。

4 計算工況說明及結果分析

本工程大波動水力過渡過程電算的目的是算出過渡過程中壓力引水系統的最大水錘壓力和機組的最大轉速升高率，用以確定金屬蝸殼和壓力鋼管設計強度，同時對機組飛輪力矩GD2進行敏感性分析、優化導葉關閉規律。基于上述目的，同時為使得計算工況能涵蓋全水頭運行范圍，擬定的計算工況及其說明見表1。

工況選定后一般先按導葉一段直線關閉進行大波動水力過渡過程電算，選出出現蝸殼最大壓力和機組最大轉速的工況，并確定導葉關閉時間，再以選出的工況和導葉關閉時間進行機組飛輪力矩的敏感性分析計算及導葉關閉規律優化計算，本工程一段直線關閉不能滿足選擇的控制值，因此按導葉兩段折線關閉規律考慮，限于篇幅僅附最終計算結果，略去中間成果，計算結果匯總見表2。

從表4可以看出，蝸殼壓力升高率極值、蝸殼壓力極值、尾水管最小壓力極值及機組轉速升高率極值集中出現在最大水頭到額定水頭運行的工況（CTH1～CTH4工況），即為典型工況。從計算結果來看，采用分段關閉規律，四臺機組同時甩負荷時，蝸殼最大壓力升高率為42.3%，蝸殼末端最大壓力134.67mH2O，機組最大轉速升高率為52.9%，尾水管最小壓力0.08mH2O，均低于控制值。據此，推薦金屬蝸殼和壓力鋼管最大設計壓力140mH2O，機組過速保護整定值：第一道電氣保護整定115%nr（nr為額定轉速），第二道電氣保護整定140%nr，第三道機械保護整定150%nr。

導葉分段關閉規律見圖1，典型工況水力過渡過程圖形見圖2～4。

5 結語

涔天河水電站大波動水力過渡過程電算包括引水隧洞洞徑比選、設置引水調壓井方案比選、機組飛輪力矩敏感性分析、導葉關閉規律優化計算、水錘波疊加探討計算、小波動穩定性分析計算、調速器參數優化計算等，限于篇幅，本文僅展現了推薦方案大波動水力過渡過程電算成果，通過電算成果掌握最大壓力升高率和最大轉速升高率出現的典型工況，即額定水頭以上滿出力運行的各種工況，以便前期工作快速完成方案比較過渡過程電算。