水電站技改增容的調節保證設計

董志浩,吳佰杰

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都610072)

水電站技改增容的調節保證設計

董志浩1,吳佰杰2

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都610072)

調節保證設計對水電站技改增容的安全性與經濟性具有重要意義。為了確保調節保證設計的基本資料、工況參數及計算成果等與工程實際相符,提出了調節保證設計的技術路線,明確了大波動、水力干擾、小波動及敏感性分析等數值計算分析的主要內容,并結合國內工程進行了計算分析與探討,可供類似工程的調節保證設計參考。

技改增容；調節保證設計；水力過渡過程計算；水輪發電機組；水電站

0 引 言

水電站水輪發電機組在理想狀態下的可靠壽命一般為30～50年。當水輪發電機組接近其使用壽命,出現性能、可靠性和可利用率的明顯下降,或因遭受地震、泥石流、洪水等的破壞,或因上下游梯級電站的投產而使電站原有的運行方式、水位、水頭和徑流等發生較大改變,出現諸多影響電站安全運行或經濟效益發揮的問題時,及時對水電站進行技改增容是勢在必行的。水電站技改增容普遍采用的基本思路是在不改變電站輸水系統、水輪機流道和發電機機坑的前提下,優化機組參數和水力、結構及工藝設計,使水輪發電機組運行更加安全穩定,發揮出最大的綜合效益。為了確保水電站技改增容的安全性與經濟性,在其可行性研究與實施過程中,采用水電站水力-機械過渡過程數值計算專用程序進行調節保證設計是必不可少的,也是工程竣工安全鑒定、質量監督的重要依據[1]。

1 調節保證設計的技術路線

針對水電站技改增容的特點,為確保其調節保證設計所采用的基本資料、工況參數及設計成果與工程實際相符,采用如下技術路線：①依據竣工報告、圖紙等資料,確定輸水發電系統及水輪機流道的真實參數,如流道各段的長度、斷面形狀尺寸和設計壓力,調壓室(若有)的斷面積、孔口形狀和面積、底板和平臺高程以及上、下游特征水位等。②明確技改增容后的機組主要參數及資料,如轉輪直徑、額定轉速、額定流量、額定出力、安裝高程、轉動慣量、水輪機模型綜合特性曲線和飛逸曲線以及機組允許的最高轉速升高率、蝸殼末端最高水錘壓力和尾水管進口最小壓力等。③計算流道參數如每段長度、斷面積和水頭損失系數等；優選調速器參數。④依輸水發電系統樞紐布置及參數選擇合適的水電站水力-機械過渡過程數值計算理論與方法并建立計算數學模型[2]。⑤合理確定電站技改增容后的調節保證計算控制值和計算內容,優化導葉啟閉規律,進行調保計算。⑥依計算成果并參考類似工程,合理確定調保設計值。計算內容要全面,包括大波動(含設計和校核工況)、水力干擾和小波動。對調壓室孔口流量系數和長輸水管道糙率做敏感性計算分析,以確保安全[1]。

2 實 例

四川某水電站共裝4臺單機容量60 MW的豎軸混流式水輪發電機組,其輸水發電系統由進水口，1條長約18 755.7 m、內徑7.2～6.0 m的引水隧洞,1個井筒內徑14.1 m的多室阻抗開敞式引水調壓室、2條長約511.1 m和500.8 m、內徑4.2 m的壓力管道，4條長約29.2～35.4 m、內徑2.8 m的壓力支管，4臺水輪發電機組及其尾水管和出口組成一個水力單元。上游水庫校核洪水位2 568.30 m,正常蓄水位2 572.00 m,死水位2 565.00 m,具有日調節性能。下游校核洪水尾水位2 319.70 m,正常尾水位2 314.60 m,最低尾水位2 313.44 m。機組額定轉速333.3 r/min,額定流量30.55 m3/s,額定水頭220 m,轉輪直徑3.05 m,水輪機安裝高程2 309.00 m。電站4臺機組分別與4臺主變采用單元接線升壓至220 kV,出線以一回架空線與系統相連。電站上游銜接梯級是年調節水電站,投產后大大提高了河流的流量調節能力和水量利用率,提高了電站的水能資源利用程度。為了更利于梯級發電流量的匹配、充分發揮電站的潛力、增加發電量和經濟效益,有必要對機組增容改造。技改增容的目標是通過僅改變額定流量至37.0 m3/s,將4臺機組的單機容量由60 MW增至72 MW。經計算,電站4臺72 MW機組的轉動慣量GD2取2 000 t·m2時,額定工況的機組加速時間常數Ta=8.24 s、調壓室至1～4號機尾水管出口的水流慣性時間常數Tw=1.48～1.52 s、Tw/Ta=0.179～0.184,滿足PID型調速器要求[3]。參考斯坦因建議公式,優選的調速器主要參數為：加速時間常數Tn=0.8 s,緩沖時間常數Td=4.0 s,永態轉差系數bp=0,暫態轉差系數bt=0.25。

2.1 計算控制值

依電站已投運的設計參數及相關規范[3-5],調節保證計算控制值為：

(1)大波動,機組最大轉速升高率不超過50.0%,蝸殼末端最高壓力不超過332.0 m水柱,尾水管進口最小壓力不低于-5.4 m水柱,壓力管道頂點最小壓力不低于2.0 m水柱；調壓室的最高涌波水位比其溢流頂高程2 613.50 m低1.0 m以上,最低涌波水位比其底板高程2 505.00 m高1.0 m以上。

(2)水力干擾,機組出力擺動相對幅度不大于20.0%,且波動應是衰減的。

(3)小波動,機組最大轉速偏差相對值小于5.0%,超調量小于0.10,衰減度大于0.80,振蕩次數不超過2次,調節時間小于40.0 s。

2.2 計算內容

(1)大波動計算[1,4-5],分設計工況D1～D4和校核工況C1～ C3。即D1,額定水頭下4臺機同時甩額定負荷；D2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,4臺機同時甩額定負荷；D3,上游死水位下游最低尾水位,1臺機甩額定負荷,其余3臺機停機；D4,上游死水位下游正常尾水位,1臺機由空載增至滿負荷,其余3臺機帶滿負荷運行；C1,上游正常蓄水位下游正常尾水位,1臺機由空載增至額定負荷,在流入調壓室流量最大時4臺機同時甩額定負荷；C2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,2臺機同時甩額定負荷,在調壓室水位最高時另2臺機同時甩額定負荷；C3,上游死水位下游正常尾水位,4臺機同時甩滿負荷,在流出調壓室流量最大時1臺機由空載增至滿負荷。

(2)水力干擾計算工況G1,以4臺機額定水頭、額定出力運行時2臺機突同時甩全負荷作為計算控制工況,因為此時甩負荷引起的水擊壓力和調壓室水位波動最大,對運行機組的出力擺度最不利。

(3)小波動計算工況X1,電站額定水頭與最小水頭(218.8 m)接近,故以4臺機帶額定負荷運行于孤網中,同時對4臺機施加10%減負荷擾動作為計算控制工況。

2.3 計算與分析

采用特征線法進行數值計算。經優化,導葉關閉規律為兩段關閉,第一段從全開到60%開度的直線關閉時間為2.8 s；第二段從60%開度到全關的直線關閉時間為8.4 s；導葉開啟規律為直線開啟,從全關到全開的時間為20 s。

(1)大波動,對管道糙率n分別取最小值(鋼襯0.011,混凝土0.012)、中值(鋼襯0.012,混凝土0.014)和最大值(鋼襯0.013,混凝土0.016)以及阻抗孔流量系數ψ分別取0.6、0.7、0.8做敏感性計算,見表1。

表1 大波動及敏感性計算結果

由表1知：①管道糙率和阻抗孔流量系數對調壓室最低涌波和壓力管道壓力影響較大；②設計工況的計算結果均不超過計算控制值且有足夠的安全裕量；③校核工況除C3的調壓室最低涌波水位超出計算控制值外,其他計算結果均不超過。因此需對工況C3做出運行限制,即在上游死水位附近4臺機同時甩全負荷后,需間隔不少于360 s后才能將其中1臺機從空載開始增至滿負荷,以避免最不利疊加工況的發生,則表1中工況C3在管道糙率和流量系數分別取n=最小值,ψ=0.7；n=中值,ψ=0.7和n=中值,ψ=0.8時,調壓室最低涌波水位分別為2 506.11、2 507.84、2 506.56 m,均比其底板高程2 505.00 m高1.0 m以上,滿足規范要求。

(2)水力干擾工況G1的計算結果為：運行機組的出力最大擺動相對幅度為17.85%,調壓室涌波水位的收斂趨勢明顯。表明本電站輸水發電系統的水力干擾穩定性較好。

(3)小波動工況X1的計算結果為：機組轉速最大偏差為7.81 r/min,為額定轉速的2.34%,超調量0.093,衰減度0.90,振蕩次數1.5次,機組頻率進入±0.2%穩定帶寬的調節時間為34.2 s；調壓室涌波水位收斂較快。表明本電站輸水發電系統的小波動穩定性較好,具有較好的調節品質。

2.4 調節保證設計值的確定

依上述計算成果,考慮電站實際運行時受水力、機械、電氣、電網等諸多因素的影響,并參考類似電站,計算結果留適當裕量,因此確定的調節保證設計值同計算控制值；同時對工況C3做出運行限制,以確保安全運行。

3 結 語

截止2014年底,中國水電總裝機容量已突破3億kW,約占全球水電裝機總量的1/4[6]。隨著20世紀80年代投運的眾多水輪發電機組陸續達到使用壽命,水電站技改增容工程將越來越多,為了確保工程的安全性與經濟性,對其調節保證設計做全面深入的研究很有必要。筆者針對水電站技改增容調節保證設計的特點及新的規范要求[1,5],提出了調節保證設計的技術路線,并結合工程實例,探討了計算控制值、計算值和設計值之間的關系以及大波動、水力干擾和小波動計算工況的合理選取,特別是當調保計算值不能滿足設計值時,提出了明確可行的機組運行限制措施。文中提出的技術路線是合理可行的,可供類似工程的調節保證設計參考。

[1]李修樹, 高瑜, 董笑波. 淺析水電站調節保證設計[J]. 水力發電, 2014, 40(4): 58-60．

[2]沈祖詒. 水輪機調節[M]. 3版. 北京： 中國水利水電出版社, 1998．

[3]GB/T 9652.1—2007水輪機控制系統技術條件[S]．

[4]DL/T 5186—2004水力發電廠機電設計規范[S]．

[5]NB/T 35021—2014水電站調壓室設計規范[S]．

[6]張蕾, 張梅. 中國水電的跨越式發展圖譜[J]. 中國投資, 2015(15): 92-93．

(責任編輯 高 瑜)

Design of Regulation Guarantee for the Rehabilitating and Upgrading of Hydropower Station

DONG Zhihao1, WU Baijie2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The design of regulation guarantee is very important in safety and economy for hydropower station rehabilitating and upgrading. In order to ensure the basic data, condition parameters and results of hydraulic transient calculation of the design of regulation guarantee being coincident with engineering actual situation, the technical route of the design of regulation guarantee is proposed and main contents of numerical calculations such as large fluctuation, hydraulic interference, small fluctuation and sensitivity analysis are defined. There are some analyses based on the results of numerical calculations of a domestic hydropower station, which can provide a reference for the design of regulation guarantee of similar engineering．

rehabilitating and upgrading; design of regulation guarantee; hydraulic transient calculation; hydraulic generator set; hydropower station

2016-09-30

董志浩(1996—),男,湖北咸寧人,研究方向為水利水電工程．

TM73

A

0559-9342(2017)02-0077-04