瑪依納水電站水力過渡過程數值計算分析

甘 楠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

瑪依納水電站水力過渡過程數值計算分析

甘 楠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)無法滿足GB/T9652.1—2007《水輪機控制系統(tǒng)技術條件》要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。為此，在引水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置無法改變的情況下，在犧牲調速系統(tǒng)速動性，放寬對電站調節(jié)品質要求的前提下討論其引水發(fā)電系統(tǒng)布置的可行性。目前，2臺機組已經安全穩(wěn)定運行多年，證明該電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置是合理的。

引水發(fā)電系統(tǒng)；水力過渡過程；水流慣性時間常數； 機組慣性時間常數；瑪依納水電站

1 電站概況

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區(qū)的伊犁河左岸一級支流恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐，上游為年調節(jié)水庫，廠內裝有2臺150 MW水斗式水輪發(fā)電機組。電站建設的主要任務是發(fā)電，其次是灌溉，以滿足哈薩克斯坦南部地區(qū)在自然保護排水和灌溉用電高峰時期對電能的需求，電能送入哈薩克斯坦南部電網，南部電網和中亞電網相連。2012年1月第一臺機組并網發(fā)電，2012年3月第二臺機組并網發(fā)電。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)

引水系統(tǒng)主要由進水口(哈方負責設計與施工)、事故閘門井(含水電站進水口閘門啟閉機)、有壓引水隧洞、調壓井和壓力管道等建筑物組成。引水發(fā)電系統(tǒng)形式為“一洞一井一管兩機”。

引水隧洞長4 913 m，斷面形式為馬蹄形(4.2 m×6.3 m、4.2 m×6.8 m)和圓形(直徑5.6 m和4.1 m)。調壓井置于引水隧洞末端的條形山脊內，為露天水室式調壓井，由上室(圓形露天水池)和豎井構成。調壓室豎井內徑6.0 m，底部高程1 610.10 m，頂部高程1 780.00 m，豎井高169.90 m；上室(圓形露天水池)內徑22 m，頂部高程1 790 m。調壓井距廠房軸線平面距離約4 268 m，調壓井處隧洞底高程與廠房安裝高程(1 248 m)高差為357 m。壓力管道由上平段、豎井段和下平段以及岔、支管段組成。壓力管道主管長約4 322 m，管徑4.1 m。主管末端由一個“Y”形岔管分接兩條支管，每條支管末端管徑由2.60 m漸變至2.30 m與廠房內球閥連接，1、2號支管各長約32 m。

瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)特點為：調壓井后壓力鋼管較長，約4 355 m，調壓井幾乎在引水隧洞和壓力鋼管中間位置，使得引水系統(tǒng)水流慣性時間常數Tw及Tw/Ta均很大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

3 水力過渡過程數值計算

3.1 水力過渡過程設計要求

瑪依納水電站壓井在同類電站中規(guī)模較大，引水管道較長，特別是引水調壓井后至水輪機進口的水流慣性時間常數Tw及Tw/Ta，在額定工況和發(fā)最大出力的最大流量工況時分別為5.20 s、0.622和5.22 s、0.686。根據GB/T9652.1—2007《水輪機控制系統(tǒng)技術條件》規(guī)定，水輪機引水系統(tǒng)的水流慣性時間常數Tw對比例積分微分(PID)型調速器不大于4 s；Tw與機組慣性時間常數Ta的比值不大于0.4。所以本電站Tw及Tw/Ta遠超出中國規(guī)范要求。

根據DL/T5186—2004《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》，額定水頭大于300 m時，配水環(huán)管最大壓力升高率宜小于25%；沖擊式機組最大轉速升高率宜小于30%。本電站調節(jié)保證計算允許值設計要求：①機組最、大轉速升高相對值βmax<20%；②配水環(huán)管末端最大壓力不超過626 m水頭，主機廠配水環(huán)管最大設計壓力6.52 MPa。

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司除自己用專用程序進行計算外，還分別委托河海大學和武漢大學對本電站引水發(fā)電系統(tǒng)進行了水力過渡過程計算，水輪機主要部件噴嘴和轉輪供貨商維奧也對整個引水發(fā)電系統(tǒng)(含水輪發(fā)電機組)進行了調節(jié)保證計算。

3.2 水力過渡過程計算分析結果

3.2.1 機組最大壓力和轉速最大上升率

由于配水環(huán)管末端的最大壓力和機組的最大轉速上升率分別有針閥和折向器控制，均能夠選擇合適的啟閉規(guī)律保證調保參數在控制值范圍內。

(1)河海大學計算結果。選擇針閥60 s(實際有效關閉時間，即從額定開度到完全關閉的直線關閉時間)直線關閉，折向器3 s直線關閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為603.22 m，最大水壓力升高為17.23%；機組轉速最大上升率為17.89%。

(2)武漢大學計算結果。選擇針閥70 s(實際有效關閉時間，即從額定開度到完全關閉的直線關閉時間)直線關閉，折向器2.5 s直線關閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為593.05 m，小于配水環(huán)管容許承受的最大壓力626 m，機組轉速最大上升率為12.83%。

(3)維奧的初步計算結果。選擇針閥105 s(全行程關閉時間，即從全開到全關時間，折算成實際有效關閉時間約90 s)直線關閉，折向器2 s直線關閉，得到的配水環(huán)管末端最大壓力值為614 m，機組轉速最大上升率遠小于30%。

上述計算結果差異較大，考慮到折向器的作用，機組現場調試整定：針閥105 s(全行程關閉時間，折算成實際關閉時間約90 s)直線關閉，折向器2 s直線關閉。

3.2.2 調壓室涌浪值

調壓室托馬穩(wěn)定斷面面積FK=22.614 m2，實際采用的斷面面積為28.274 m2，其小波動穩(wěn)定安全系數K為1.25，滿足規(guī)范K=1.0～1.1的要求。

(1)成都預案水道專業(yè)計算結果。調壓井最高涌浪水位為1 787.608 m，調壓井最低涌浪水位為1 702.333 m。

(2)武漢大學仿真計算。調壓室最高涌浪值為1 785.48 m，最低涌浪值為1 685.98 m。

(3)河海大學仿真計算結果。調壓室最高涌浪值為1 784.01 m(正常蓄水位，兩臺機同時事故甩額定負荷)，調壓井最低涌浪水位為1 676.10 m(死水位，兩臺機同時甩全負荷，在85 s時一臺機從空載增至額定負荷)。

(4)維奧仿真計算。調壓室最高涌浪值為1 783.5 m，最低涌浪值為1 678.78 m。

上述計算結果盡管有所差別，但所有計算最高涌浪均低于調壓井拱頂高程，最低涌浪均高于調壓室底板高程，均滿足設計要求。

3.2.3 調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性

當系統(tǒng)處于孤網，機組受到負荷階躍變化后，機組轉速和噴嘴開度等開始急劇波動，之后衰減較慢，而調壓室水位衰減更慢。這主要是因為本電站調壓室后的Tw及Tw/Ta值過大，在額定工況時水流慣性時間常數Tw=5.20s，Tw/Ta=0.622，被調節(jié)系統(tǒng)不滿足調速器的適用條件：Tw≤4 s，Ta≥4 s，Tw/Ta≤0.4，說明水輪機過水系統(tǒng)水流慣性和機組慣性的條件對穩(wěn)定是不利的，證明了本電站調速系統(tǒng)的動態(tài)特性的質量指標較差。若要保證機組運行的穩(wěn)定性，不得不選擇比較大的調速器參數，犧牲其速動性，在優(yōu)化調速器參數下，受到擾動時，機組調節(jié)時間比較長，小波動調節(jié)品質不是很理想。

當加大調壓室后壓力管道直徑，由4.1 m調整為4.5 m，調速器參數最優(yōu)組合相應的調節(jié)時間縮短(如一臺機停機，一臺機帶額定孤網負荷，調速器處于調頻狀態(tài)，施加10%額定負荷的擾動時，調節(jié)時間縮短約10 s)，機組轉速超調量變少，過渡過程形態(tài)也明顯改善對系統(tǒng)增負荷擾動的影響較明顯，對系統(tǒng)小波動過渡過程有利。

如果在兩臺機同時帶孤網負荷時，只允許一臺機的調速器進行調節(jié)，另一臺機的調速器置于深度開度限制狀態(tài)(即在一定范圍頻率波動時，調速器不響應，在機組甩負荷時調速器響應)，調節(jié)時間較一臺機工作的工況還有所減少，大致可控制在60 s以下，機組轉速超調量可控制在5%左右，在工程上能實際使用(河海大學仿真成果)。

兩臺機同時帶額定或部分孤網負荷，調速器均處于頻率調節(jié)狀態(tài)，施加10%額定負荷的減負荷擾動，最短的調節(jié)時間是349.2 s，且轉速過渡過程有多次波動，超調量也比較大，考慮到實際系統(tǒng)中負荷擾動是不斷產生的，因此該工況工程上是不穩(wěn)定的(河海大學仿真成果)。

3.2.4 水力干擾計算

電站在大系統(tǒng)中工作，一臺機事故甩負荷，并不影響電網頻率。此時若調速器設為頻率調節(jié)工作方式，未甩負荷機組的噴嘴開度也不變，但水壓力變化會引起機組功率變化；若調速器設為功率調節(jié)方式，則噴嘴開度與機組功率均會隨水壓力變化而變化。

在上游水位為1 749 m時，兩臺機同時帶額定負荷，一臺機事故甩額定負荷后，在調速器工作方式為頻率調節(jié)時，配水管水壓力波動幅值為62.29 m水頭，為額定水頭的13.2%；機組功率波動幅值為30.2 MW，為額定功率的19.67%；在調速器工作方式為功率調節(jié)時，配水管水壓力波動幅值為70.32 m水頭，為額定水頭的14.92%，機組功率波動幅值為20.62 MW，為額定功率的13.43%。本電站壓力總管相當長，水力干擾是明顯的，但過渡過程是衰減的(河海大學仿真成果)。

水力干擾過渡過程計算結果表明：在小波動整定的調速器參數條件下，其機組運行穩(wěn)定性可以得到保證，波動的總趨勢都是收斂的。但擾動波幅較大、振蕩次數較多、調節(jié)時間較長。

4 分析和總結

(1)瑪依納水電站調壓井受地形條件的限制只能置于引水隧洞末端的條形山脊內，使得調壓井后壓力主管長達4 138 m，Tw/Ta=0.622>0.4，由此調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，過渡過程品質也較差，只有較大幅度增大壓力主管直徑或較大幅度減少壓力管道長度或大幅增加機組轉動慣量GD2才有可能從根本上改善本電站穩(wěn)定性和動態(tài)特性。為滿足Tw≤4，且

Tw/Ta≤0.4，若大幅增加壓力主管直徑，則壓力鋼管主管直徑需由4.1 m增加到5.2 m，4 138 m長的壓力鋼管投資將大幅增加；若大幅減少調壓井后壓力鋼管長度，即需要將調壓井移至離廠房約2 500 m的位置，但地質條件決定沒有這樣的位置布置埋入式調壓井，除非在地面以上布置鐵塔式調壓井，但這種鐵塔式調壓井造價太高，且考慮到該地區(qū)地震烈度為IX度，因此無論從經濟上還是安全上都不可行；若大幅增加機組轉動慣量GD2，GD2則需從7 500 t2·m增加到11 800 t2·m，一方面是經濟上增加投資，另一方面增加機組轉動慣量GD2從技術上也是有限的，即不可能為了滿足調保計算要求而大幅增加機組轉動慣量。因此，本電站的先天條件決定了引水發(fā)電系統(tǒng)很難滿足中國規(guī)范要求的Tw/Ta≤0.4，要滿足規(guī)范要求則代價很大。

(2)該電站電能送入哈薩克斯坦南部電網，哈薩克斯坦南部電網主要由火電機組和燃氣機組組成，水電機組很少，在電網中所占比例很小，南部電網總裝機容量較大(大于3 000 MW)，且南部電網和中亞電網相連，因此本電站機組在電網中不承擔調頻任務。

(3)該電站機組水頭范圍為458.2～521.7 m，額定水頭為494.1 m，既可以選擇混流機組也可以選擇水斗式機組，盡管選擇混流機組轉速(428 rpm)比水斗式機組轉速(250 rpm)高得多，但相應水輪發(fā)電機造價低得多，因此從經濟上講選擇混流式機組比沖擊式機組合適，但本電站引水系統(tǒng)特點決定混流機組不可能滿足調保計算對轉速和壓力同時滿足要求，即技術上混流式機組不滿足調保計算要求，故選擇水斗式機組是合適的。

從以上分析可知，本電站目前的引水發(fā)電系統(tǒng)(含水輪發(fā)電機組)的穩(wěn)定性較差，在引水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置無法改變的情況下，在犧牲調速系統(tǒng)速動性，放寬對電站調節(jié)品質要求的前提下，瑪依納水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的布置是可行的。目前，2臺機并網發(fā)電至今，機組已經安全穩(wěn)定運行多年，證明該電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置是合理的。

[1]GB/T9652.1—2007 水輪機控制系統(tǒng)技術條件[S]．

[2]DL/T5186—2004 水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范[S]．

[3]尹曉林， 程春. 哈薩克斯坦瑪依納水電站引水發(fā)電樞紐建筑物布置設計[J]. 水電站設計， 2012， 28(3)： 66-68．

[4]程春， 馬林. 哈薩克斯坦瑪依納水電站引水隧洞設計特點[J]. 水電站設計， 2013， 29(3)： 19-21．

[5]程春， 馬林. 哈薩克斯坦瑪依納水電站壓力管道結構設計[J]. 水電站設計， 2013， 29(2)： 15-18．

(責任編輯 焦雪梅)

Numerical Calculation and Analysis of Hydraulic Transition Process of Moinak Hydropower Station

GAN Nan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the poor stability of water diversion and power generation system in Moinak Hydropower Station, the system cannot meet the requirements of GB/T 9652.1—2007 Specification of Control System for Hydraulic Turbines. Because the layout of water diversion and power generation structures can’t be changed, the feasibility of structure layout can only be discussed under the premises of lowering the mobility of speed control system and power governing quality. At present, two units of Moinak Hydropower Station have been safely and stably operated for many years and it is proved that the layout of water diversion and power generation system is reasonable．

water diversion and power generation system; hydraulic transition process; water inertia time constant; unit inertia time constant; Moinak Hydropower Station

2015-12-11

甘楠(1975—)，男，湖南岳陽人，高級工程師，主要從事水電站水力機械設計工作．

TV131.4(361)

A

0559-9342(2016)11-0088-03