冗各水電站水力過渡過程研究

葛 曦，黃正財，楊 超，張建勛

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概述

冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣，為蒙江流域梯級電站的第八級，電站于2016年發(fā)電，裝機容量為3×30MW，采用地下廠房布置，尾水洞較長。

2 設(shè)計參數(shù)

冗各水電站的輸水系統(tǒng)為壓力隧洞后接壓力鋼管引水至地下廠房，再接長尾水隧洞到下游尾水的布置方式。3號發(fā)電引水隧洞從進口到廠房邊墻長

約219.8m，尾水洞長約188.4m。1號引水隧洞從進口到廠房邊墻長約155.8m，尾水洞長約149.3m。2號引水隧洞從進口到廠房邊墻長約187.8m，尾水洞長166.5m。顯然，在同樣的邊界條件下，由于冗各3號發(fā)電引水隧洞和尾水洞分別比冗各1號和冗各2號的長，所以冗各3號水輪機甩負荷的水力過渡過程條件最不利，以3號機作為計算對象。

有壓鋼筋混凝土隧洞長200.47m，隧洞內(nèi)徑4.5m，隧洞末端接壓力鋼管，壓力鋼管至蝸殼進口長24.164m，直徑4.0m。機組中心到尾水管出口長11.23m，尾水管出口后的有壓尾水隧洞長171.137m，有壓尾水洞面積為38.78m2,如圖1所示。

電站水頭不高，水頭變幅不大，選用立軸混流式機組單列布置，配套懸式密閉循環(huán)空氣冷卻三相同步水輪發(fā)電機，由于采用單管單機的布置方式，且機組前壓力引水系統(tǒng)不長，因此機組前沒有設(shè)置進水閥，而是采用了取水口設(shè)置快速閘門作為機組斷流設(shè)施。選用WT- 60-AZ微機調(diào)速器，該調(diào)速器采用進口PLC為控制核心。具體見表1。

3 水力過渡過程計算分析

3.1 計算工況的選擇

根據(jù)該電站的實際情況與DL/T5186- 2004《水

力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范》確定設(shè)計準則如下：

機組甩負荷的最大轉(zhuǎn)速升高率小于55%，機組甩負荷在額定水頭和最高水頭兩種情況下，最大蝸殼壓力宜控制在50%～30%以內(nèi)，以及機組甩全負荷時，尾水管內(nèi)的最大真空度不大于-8m水柱。

一般來講，機組甩負荷最危險的工況，最大水頭可能發(fā)生最大壓力上升，額定水頭可能產(chǎn)生最大速率上升值。由于該電站采用單管單機，機組運行獨立，依據(jù)調(diào)保計算的目的擬定工況見表2。

3.2 不同關(guān)閉規(guī)律及各工況水力過渡過程計算

采用一段關(guān)閉規(guī)律，通過不同導(dǎo)葉關(guān)閉時間，針對A11，A12工況甩額定負荷進行了大波動過渡過程計算。計算結(jié)果見表3、4。

從表3以看出：導(dǎo)葉直線關(guān)閉T1=11s、13s依次進行大波動過渡過程計算，在飛輪力矩GD2=2200t·m2時，最大壓力上升在最大水頭，最大速率上升發(fā)生額定水頭，尾水管真空度在規(guī)定的-8m范圍之內(nèi)。

最大壓力上升產(chǎn)生在整個導(dǎo)葉關(guān)閉的末端，最大速率上升產(chǎn)生在整個導(dǎo)葉開口的中間；各工況隨著關(guān)閉時間增加，機組產(chǎn)生的瞬時最大負荷和最小負荷改善有所減少，壓力真空值也隨著降低；各工況的蝸壓和尾壓產(chǎn)生脈動，呈衰減變化。

對3臺機在最小水頭(與額定水頭接近)和最大水頭同甩滿負荷工況(A13、A14)進行大波動過渡過程計算，經(jīng)過多個二段關(guān)閉規(guī)律的分析計算，選定導(dǎo)葉接力器分段關(guān)閉規(guī)律。

表3 一段關(guān)閉3#機大波動過渡過程計算結(jié)果

表4 二段關(guān)閉3#機大波動過渡過程計算結(jié)果

從表4中可以看出：導(dǎo)葉采用第二組的二段關(guān)閉規(guī)律，蝸殼最大壓力上升不超過75.4m，機組速率上升不超過55%，尾水管最小真空度小于-8m范圍之內(nèi)。機組產(chǎn)生的瞬時最大負荷和最小負荷與一段關(guān)閉相比均有所增加，甩負荷時增加了抬機可能性。

圖2 A11，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機組甩負荷大波動過渡過程曲線圖

圖3 A12，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機組甩負荷大波動過渡過程曲線圖

圖4 A13，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機組甩負荷大波動過渡過程曲線圖

從圖2～圖4機組的過渡過程曲線圖可以看出：各工況的蝸壓和尾壓產(chǎn)生脈動，但呈衰減變化。

3.3 計算結(jié)果

從表3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，機組通過以上各種工況的大波動過渡過程仿真計算，采用兩段關(guān)閉規(guī)律，在發(fā)電機GD2=2200t·m2條件下，機組速率上升和蝸殼最大壓力上升均優(yōu)于一段關(guān)閉規(guī)律下的計算結(jié)果，為保證機組的安全穩(wěn)定運行，采用表4中字體加粗部分的關(guān)閉規(guī)律及計算結(jié)果作為電站運行的依據(jù)。

3.4 機組甩負荷試驗的驗證

在機組運行過程中，1#機組在上游495m，下游447.65m的水位下進行了50%、75%、100%負荷下的甩負荷試驗，根據(jù)中控室讀取數(shù)據(jù)，在100%出力下甩負荷時出力29.9MW，轉(zhuǎn)速上升為142.3%，蝸殼壓力為67m。

在施工過程中，引水系統(tǒng)數(shù)據(jù)略有變化，因此我們重新進行了建模復(fù)核，并根據(jù)此次甩負荷的關(guān)閉規(guī)律和時間進行了調(diào)整計算。

以1#機計算得出：最大轉(zhuǎn)速上升值為45.4%，最大蝸殼壓力69m，最小尾管壓力-1.5m。對比數(shù)據(jù)，蝸殼壓力比現(xiàn)場高2m(約3%)，轉(zhuǎn)速上升也比現(xiàn)場高約3%，3%的誤差應(yīng)是軟件所留余量。

以3#機計算得出的最大轉(zhuǎn)速上升值為50%，最大蝸殼壓力75.8m，最小尾管壓力-3.2m?？鄢嗔亢笪仛毫θ匀怀鲆?。

因此調(diào)整了電站的關(guān)閉規(guī)律，第一段關(guān)閉時間為5s，第二段關(guān)閉時間為20s，分段開度為0.7。計算所得最大轉(zhuǎn)速上升值為49.4%，最大蝸殼壓力67.5m，最小尾管壓力-3.405m。該結(jié)果滿足規(guī)范要求及該電站運行。

4 結(jié)語

冗各水電站的布置有如下特點：①機組前引水系統(tǒng)采用單管單機，機組后尾水洞也是單管單機；②采用地下廠房布置型式；③機組前無進水閥而采用進口快速閘門；④長尾水洞。在水力過渡過程計算時，由于機組的獨立性，采用引水系統(tǒng)最長的3號機組作為計算控制。在計算過程中，我們對比了一段關(guān)閉與兩段關(guān)閉規(guī)律，初步選擇了更利于電站運行的第一段關(guān)閉時間為7s，第二段關(guān)閉時間為21s，分段開度為0.6作為調(diào)試運行指導(dǎo)，在施工過程中，由于引水系統(tǒng)參數(shù)略有變化，根據(jù)現(xiàn)場甩負荷試驗反饋回來的數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場甩負荷試驗所采用的關(guān)閉規(guī)律再進行對比驗算后，提出了更合適的關(guān)閉規(guī)律，得到了滿意的結(jié)果。

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