水電站過渡過程機(jī)組活動導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律研究

(凌源市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧 凌源 122500)

1 工程背景

桓仁水電站位于渾江的中游河段，是渾江水能梯級開發(fā)的第一級水電站，也是裝機(jī)容量最大的水電站。桓仁水庫的正常蓄水位為300m，死水位290m，總庫容36.4億m3，工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為萬年一遇。桓仁水電站工程由單支墩大頭壩及壩后式廠房等水工建筑物組成，其最大壩高為78.5m，壩頂長593m，水電站廠房內(nèi)裝有三臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘?22.5MW。

連接上游水庫和調(diào)壓井的引水隧洞直徑為4.9m，全長1762m，調(diào)壓井的內(nèi)徑為8.5m，底板高程為240.0m，頂部高程390.0m。調(diào)壓室與電站廠房之間通過壓力鋼管連接，主管道的管徑為4.5m，分為上平段、豎井段和下平段三段，其中上平段長61m，豎井段長350m，下平段長456m，在主管道的末端設(shè)有直徑為3.5m的三個支管，分別進(jìn)入三個發(fā)電機(jī)組。

2 計算模型的建立

水輪機(jī)模型的描述主要依賴于流量和力矩特征。主要包括傳遞系數(shù)構(gòu)成的線性化模型以及全特征描述的水輪機(jī)模型。其中，線性化模型是基于水輪機(jī)穩(wěn)定工作工況下的流量和力矩方程線性化得到的，主要用于穩(wěn)定運(yùn)行的水輪機(jī)模型描述，而在水力波動比較劇烈的工況下，描述精度會顯著降低。全特征描述模型主要基于綜合特性曲線對流量和力矩特征進(jìn)行描述，更適用于水輪機(jī)波動過渡過程。由于本次研究的主要內(nèi)容是過渡過程機(jī)組活動導(dǎo)葉的控制規(guī)律，因此采用基于綜合特征曲線的水輪機(jī)模型，其描述見式(1):

(1)

式中Q11——單位流量,m3/s；

M11——單位力矩,N·m；

α——導(dǎo)葉開度,m；

n11——單位轉(zhuǎn)速,r/min。

由上述模型可知，在導(dǎo)葉的開度、轉(zhuǎn)速以及工作水頭已知的條件下，水輪機(jī)模型可解。因此，小波動過程的導(dǎo)葉開度可以由調(diào)速器模型輸出，而對于大波動過程，其導(dǎo)葉的開度就需要通過人為規(guī)定的控制規(guī)律獲得。按照上述方法，將桓仁水電站水輪機(jī)的流量和力矩特性關(guān)系以表格形式輸入計算軟件，利用三次樣條插值法計算流量和力矩，結(jié)果見表1和表2。

表1 水輪機(jī)流量特性

表2 水輪機(jī)力矩特性

續(xù)表

為了提高計算效率，本次研究采用可視化建模和計算軟件，并輸入以上表格中的水輪機(jī)參數(shù)。在仿真計算過程中，將調(diào)壓室的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定為斷面面積和阻抗孔口面積，并輸入計算機(jī)。經(jīng)過處理后的壓力管道為多段當(dāng)量管，結(jié)合工程實際，本次研究將壓力管道分為13段，其中一條連接水庫，四條連接下游尾水，一條為下游三岔的管間連接，其余各段均為首尾相連。在壓力管道模型構(gòu)建完畢之后，各個邊界條件也隨之確定。最后，再以所有管段的公約數(shù)作為各個計算節(jié)點之間的間距，共布設(shè)691節(jié)點，進(jìn)而得到時間步長為0.012s，最終完成計算模型的構(gòu)建。

3 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)選

3.1 計算任務(wù)的確定

本次研究中將壓力管道、水輪機(jī)組和調(diào)壓室在內(nèi)的整個過水系統(tǒng)作為研究對象，利用特征線法和可視化仿真程序，對桓仁水電站的大波動過渡過程進(jìn)行仿真模擬計算，主要內(nèi)容包括計算水電站各機(jī)組在甩負(fù)荷過程中的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率βmax、機(jī)組蝸殼末端最大壓力值Hmax、尾水管的真空度H真空。根據(jù)電站的實際參數(shù)，確定電站在上述三個參數(shù)的控制條件如下：由于電站本身沒有調(diào)頻責(zé)任，因此機(jī)組在甩全負(fù)荷時的最大轉(zhuǎn)速上升率βmax應(yīng)小于55%；由于電站的額定水頭為62.3m，蝸殼末端壓力的最大上升率應(yīng)小于25%，所以蝸殼末端最大壓力值Hmax應(yīng)小于77.88m；尾水管的最大真空值H真空不小于8m。

3.2 選定最優(yōu)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

水力發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷過程是一個復(fù)雜的調(diào)度過程，但是其控制規(guī)律往往采用一個人為設(shè)定的線性關(guān)閉規(guī)律，而這一過程中的活動導(dǎo)葉的開度也需要由預(yù)先規(guī)定的控制策略進(jìn)行控制。因此，在甩負(fù)荷過程中的活動導(dǎo)葉關(guān)閉一般包括直線關(guān)閉和兩段式關(guān)閉。對那些比較簡單的工程，在機(jī)組甩負(fù)荷過程中的機(jī)組轉(zhuǎn)速與水擊壓力上升率之間的沖突并不大，采取直線關(guān)閉規(guī)律即可滿足需要。但是，根據(jù)相關(guān)的理論研究和工程實踐經(jīng)驗，水力發(fā)電機(jī)組在甩負(fù)荷過程中的壓力管道水擊壓力上升率的最大值一般會出現(xiàn)在第二波峰的位置，也就是壓力管道的壓力最大值出現(xiàn)在水輪機(jī)流量降低的后期。因此，對于那些較為復(fù)雜的水電工程，壓力管道水擊壓力的上升率與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率之間存在顯著沖突，所以活動導(dǎo)葉通常需要采取兩段關(guān)閉的規(guī)律，也就是在簡單的線性關(guān)閉規(guī)律上設(shè)置一個拐點，在初期以相對較快的速度關(guān)閉活動導(dǎo)葉，而拐點后降低關(guān)閉速度，直到活動導(dǎo)葉完全關(guān)閉。

本次研究基于上述成果，分別擬定10s、15s和20s三個關(guān)閉時長的直線和兩段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行模型計算，計算的前提條件是上下游水位均為設(shè)計水位，三臺機(jī)組均按照額定轉(zhuǎn)速和出力的正常工況進(jìn)行甩全負(fù)荷，并根據(jù)計算結(jié)果選擇最優(yōu)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。

對擬定的三個關(guān)閉時長的直線關(guān)閉規(guī)律下的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率βmax、機(jī)組蝸殼末端最大壓力值Hmax、尾水管的真空度H真空進(jìn)行仿真模擬計算，結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，機(jī)組活動導(dǎo)葉的關(guān)閉速度越快，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率就越低。本次模擬計算的10s、15s和20s三個關(guān)閉時間均不會導(dǎo)致水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪的飛逸，最大轉(zhuǎn)速上升率的值均滿足規(guī)定要求。但是，無論選擇哪種關(guān)閉時長，壓力管道的水擊壓力上升率均不能滿足計算標(biāo)準(zhǔn)，因此直線關(guān)閉規(guī)律不適用于桓仁水電站，需要對兩段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行模擬計算分析。

表3 直線關(guān)閉規(guī)律計算結(jié)果

在直線關(guān)閉計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，本次研究擬定幾種兩段關(guān)閉規(guī)律，其中以5s作為拐點，并在拐點處分別關(guān)閉40%、50%、60%。對擬定的兩段關(guān)閉規(guī)律下的機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率βmax、機(jī)組蝸殼末端最大壓力值Hmax、尾水管的真空度H真空進(jìn)行仿真模擬計算，其中控制規(guī)律比較合理的三種情況的計算結(jié)果見表4。由計算結(jié)果可知，在桓仁水電站三臺機(jī)組同時甩負(fù)荷的過渡過程中，無論使用何種關(guān)閉規(guī)律，其機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大上升率均超過規(guī)范要求，而水擊壓力上升值則較難控制。綜合上述，采用兩段關(guān)閉規(guī)律，并且以5s處為拐點，以20s為關(guān)閉總時長，并且在拐點處關(guān)閉40%時，最大水擊壓力最小，因此確定該規(guī)律為活動導(dǎo)葉關(guān)閉的最優(yōu)規(guī)律。

表4 兩段關(guān)閉規(guī)律計算結(jié)果

4 結(jié) 語

由于過渡過程比較復(fù)雜，控制難度相對較大，因此過渡過程成為水電站運(yùn)行安全事故的多發(fā)時段。本次研究以遼寧省桓仁水電站為例，通過仿真計算的手段對過渡過程中的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律展開研究，通過計算成果的綜合分析，認(rèn)為采用以5s處為拐點，以20s為關(guān)閉總時長，并在拐點處關(guān)閉40%的兩段關(guān)閉規(guī)律為活動導(dǎo)葉關(guān)閉的最優(yōu)規(guī)律。本文結(jié)論不僅可為桓仁水電站擬定機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程中的導(dǎo)葉關(guān)閉控制策略，還可以為相似的水電站改善過渡過程質(zhì)量提供經(jīng)驗和借鑒。