KYET 水電站調壓方式設計優化及關鍵技術

李 江，崔 煒，孔昭年，楊遠生，朱新民，周同旭

（1.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆烏魯木齊830000；2.中國水利水電科學研究院國家水電可持續發展研究中心，北京100038；3.天津電氣科學研究院有限公司，天津300301）

1 工程概況

新疆KYET水電站開發任務是發電,向新疆北部電網提供電力,以滿足經濟社會的發展需求。工程主要由攔河壩、引水發電洞、壓力管道、電站廠房等組成。大壩最大高度為50 m,水庫總庫容為1 008萬m3,裝機容量 110 MW（2×45 MW+1×20 MW),額定水頭為158 m,額定流量為78 m3/s,壓力引水道長度為7 100 m。可行性研究階段對KYET水電站調壓方式進行了比選研究,比選了氣墊式調壓室、調壓井、調壓閥方案。

水電站調壓室是長壓力水道的重要組成部分,可限制水錘壓力、改善機組運行條件和供電質量,對水電站的正常運行及水道系統的安全穩定起著舉足輕重的作用。該工程氣墊式調壓室方案利用施工支洞改建,地質條件基本滿足要求,容積約14 000 m。盡管省去了山體明挖及抵達調壓室的公路,布置位置靈活,但存在調壓室容積大、襯砌面積大、閉氣難度大、管理困難、投資較高等問題。大多數長引水式發電管道采用調壓井作為調壓設施,例如：新疆已經建成的公格爾-布倫口水電站（毛水頭659.5 m,裝機容量200 MW)、吉林臺二級水電站（2×25 MW)［1］、波波娜水電站（3×50 MW)［2］。調壓井方案屬于常規設計方案,該工程調壓井方案調壓井距離主廠房770.164 m,型式為阻抗式,底板高程為1 186.000 m,發電洞底板高程為1 158.096 m,頂高程為1 363.500 m,由阻抗孔、豎井組成。阻抗孔為圓形斷面,直徑為3.4 m；豎井為圓形斷面,直徑為16 m,斷面面積為201 m2,深度為200 m。問題是修建調壓井的附屬道路占地、山體削坡、棄渣堆放、施工期廢物排放等要付出一定的生態環境代價,而所在地的生態狀況較為脆弱。該方案還存在施工安全風險大、工期長、造價高等問題。

調壓閥是中小型水電站常采用的一種調壓方式。新疆吐木秀克水電站壓力管總長L＝896 m,水流慣性時間常數為4.7 s,大于4 s,根據規范應設置調壓設施,然而受地質、地形等諸多條件的制約,不宜設置調壓井,采用了調壓閥方案,調壓閥直徑取1.6 m,設計階段詳細研究了調壓閥的布置型式［3］。工程應用表明,在無條件布置調壓井時,調壓閥是行之有效的。調壓閥調壓已被中國、日本、澳大利亞、巴基斯坦等多個國家的水電站采用［5-7］。當前,我國制造業和信息控制技術發展較好,為調壓閥應用推廣創造了條件［8］。隨著KYET水電站設計工作的深入,認為采用調壓閥替代調壓井是可行的。

2 調壓閥原理、依據和應用情況

2.1 調壓閥原理和依據

水電站水輪發電機組突然甩負荷時,調速器自動控制水輪機關閉導葉,致使水道內產生水壓、機組轉速上升。對引水道較長的電站,緩慢關閉導葉常常不能使內水壓力和轉速上升率都控制在允許范圍內,通常設置調壓室來解決此問題。根據現行規范［9-10］,是否設置調壓室可初步按水道特性或機組特性判斷,依據的主要參數是水流慣性時間常數。最終的判別還需考慮水道布置、電站在電力系統中的作用、水道沿線地形地質條件、電站調節品質等因素,應采用水力過渡過程分析計算,經技術、經濟比較后確定。

水輪機調壓閥與調壓室的作用一致,調壓閥設置的必要性可參照調壓室的判斷條件。調壓閥一般安裝在電站水輪機進水口處,機組甩負荷時,在導葉關閉的同時開啟調壓閥,多余的流量從調壓閥排出,直至機組關閉后再緩慢關閉調壓閥。調壓閥并非長期動作,根據目前中小型電站的運行經驗,調壓閥的動作頻次大概每年幾次或無。我國已頒布了水輪機調壓閥及其控制系統基本技術條件的行業標準［11］。

2.2 調壓閥應用情況

水輪機調壓閥早在20世紀30年代已出現,1949年以前,我國東北的鏡泊湖水電站、廣東的大隆電站和東方電站均采用進口調壓閥,也稱放空閥。1965年重慶水輪機廠生產我國第1臺調壓閥在廣西澄碧河安裝運行。由于早期的調壓閥采用機械式控制,閥開啟操作時滯較大,調壓效果不顯著、可靠性差,因此未得到推廣［5］。20世紀70年代,國外開始出現與調速器液壓聯動的調壓閥,在我國水電部科技司主持下,國內數家科研單位研制調壓閥,在龍源、西洱河二級水電站中應用并推廣。當前,采用調壓閥作為調壓措施的水電站成功案例很多［7］,典型案例見表 1［6］,其中巴基斯坦塔貝拉電站單機容量達477 MW。

本文部分作者參加了四川楊村、云南勐典河、湖北龍潭嘴、老撾南奔、巴基斯坦普胡等水電站調壓閥的研發。楊村電站是目前國內采用調壓閥調壓單機容量最大的電站,單機容量為22.68 MW,水流慣性時間常數為25 s。

表1 采用調壓閥的電站案例統計

3 調壓閥應用的技術因素

調壓閥早期應用效果不甚理想,經過幾十年的發展取得了一定成效,但仍然存在一些問題與質疑,尤其是國內缺乏大容量調壓閥的應用先例,其小波動過程及對電網品質的影響等成為其推廣應用的技術制約。

3.1 設備制造與加工能力

調壓閥是從國外引進的技術,應用初期國內生產能力無法滿足制造要求,出現了很多問題,如廣西澄碧河調壓閥應用［5］。近40 a來我國水輪機控制制造技術得到了飛躍發展,整體上已達到國際先進水平。當前不存在制約設備的生產障礙,巴基斯坦塔貝拉水電站采用的就是我國自行研制的調壓閥（見表1)。

3.2 水力過渡過程問題

我國現行規程、規范對于采用調壓閥的水電站水力過渡過程分析方法、內容等尚無統一規定。近年來水利水電行業規范修編力度很大,部分比較先進的技術逐步納入規范,通常采取了比較審慎的態度,但并不排斥新技術的應用,前提是需要開展計算分析、模型試驗等大量認真細致的工作。當前,對于設置調壓閥業界爭議的焦點主要是小波動過程對電網品質的影響。

3.3 水輪機控制設備試驗用實時仿真系統

近年來,我國具有獨立知識產權的水輪機控制設備試驗用實時仿真系統成功研制并得到應用,實現了在實驗室階段、現場蝸殼充水前后對調速器進行全面檢查試驗,較好地解決了設備的實時仿真問題。在國家能源局“替代調壓井的新型調壓閥及其控制系統研究與電站示范應用”科技項目中,中國水利水電科學研究院與天津電氣科學研究院有限公司合作開發了“GDMS-PE01型水輪機調速系統綜合測試儀”,被測試的調速器、油壓設備、調壓閥、導葉和調壓閥接力器等是真實的物理裝置,而引水系統、水輪發電機組采用實時仿真系統,建立基于非線性特性的水輪機特性及水電站引水系統的動力學特性數學模型,物理模型與仿真的結合應用為調壓閥的研究應用提供了非常好的技術支撐。

4 KERT電站調壓閥的關鍵技術

4.1 水輪機一次調頻水力過渡過程

電力系統強調并網電站機組的一次調頻功能,其實質是將調速器自動化、安全可靠性加以量化,提出要求,加以約束。一次調頻對水輪機調節系統在功率永態調差系數、人工失靈區、短時響應目標功率等方面均有要求。KYET水電站是高水頭電站,適宜采用理想水輪機模型計算一次調頻。經計算,在現有機組參數條件下,KYET水電站水輪機調節系統一次調頻的水力過渡過程符合行業規范規定,可在設備調試時得到進一步驗證。根據多個工程的經驗,應注意機組并網運行時發生復雜的電磁現象,很難用簡單的仿真技術予以解決,并得出清晰結論。目前尚沒有成功計算分析并網機組一次調頻的報道。

4.2 水輪機大、小波動水力過渡過程

應用中國水利水電科學研究院與天津電氣科學研究院有限公司合作開發的基于Simulink的水輪機調節系統通用仿真程序完成水輪機調節系統在大、小波動過程中的穩定狀態分析。在非線性水輪機特性條件下,共計算分析了3臺機組同時甩100%負荷,單臺機組甩25%、50%、75%的負荷,機組啟動,空載擾動等11種工況。結果表明,機組頻率均在約40 s穩定在額定頻率附近擺動,水輪機調節系統在大、小波動條件下均是穩定的。機組甩負荷時,調壓閥均開啟100%,使得產生的蝸殼壓力下降20%～18%,但不會形成負壓。在阻尼系數取0.05、3臺機組同時甩100%負荷工況下水輪機的調節性能見圖1,滿足穩定和安全要求。

圖1 三臺機組甩負荷100%工況的水輪機調節性能

KYET水電站裝機110 MW,在該流域規劃電站中裝機容量占比不到5%,該電站建成后在同期并網發電的水電站中容量占比不到8%,從對電網品質影響的角度分析,即使其意外發生不穩定的波動也不會對電網造成很大影響。

4.3 帶調壓閥的機組調節仿真試驗

應用水輪機調速系統綜合測試儀對KYET水電站水輪機調節系統進行了試驗研究。在相關水輪機調速器國家標準、電力行業標準中選取水輪發電機組自動啟動、空載擾動、甩負荷等試驗項目。水輪發電機組自動啟動試驗是調速器接受指令后開至啟動開度,通常在達80%額定轉速時進行自動調節,如果系統不穩定,轉速大幅震蕩,甚至出現發散型震蕩,則機組不能自動運行；空載擾動試驗目的是檢驗系統穩定性,并找出最優參數供運行使用；甩25%、50%、70%、100%負荷試驗目的是檢驗調速器的自動控制能力,是檢驗、評價調速器動態特性的重要依據。

試驗擬定了測試機組自動啟動、空載擾動、甩負荷25%、50%、70%、100%等不同工況,分析表明,自動調節狀態下水輪機調節系統過渡過程穩定收斂,調節過程正常,蝸殼壓力上升和下降值略小于水力過渡過程計算的結果。

4.4 調壓閥對水道結構的影響

調壓閥對水道結構的主要影響體現在水錘壓力。原調壓井方案水道結構設計考慮的水錘壓力以蝸殼處水錘為靜水壓力的130%為基準。采用調壓閥方案后蝸殼水錘壓力取水力過渡過程計算和機組調節仿真試驗結果中的最大值,發生在3臺機組同時甩負荷、阻尼系數接近0時,其值為靜水壓力的129%。由此可見,調壓閥方案的管道水錘壓力略小于調壓井方案的,水電站水道結構仍然安全。

5 調壓閥選型、布置和效益分析

5.1 選型和布置

將水力過渡過程計算和試驗確定的技術參數作為調壓閥選型依據,確定45 MW機組調壓閥直徑為1 000 mm、最大行程為250 mm,20 MW機組調壓閥直徑為700 mm、最大行程為 175 mm,可保證機組甩100%負荷時最大轉速上升率不超過50%,壓力最大上升率不超過30%,壓力下降不會出現負壓,并留有足夠的余量。將調壓閥布置在主廠房水輪機層,進水口接水輪機蝸殼,出水口接至尾水管,布置示意見圖2。該布置方式相對簡單,設備所占空間小、安裝工期短。

圖2 調壓閥布置示意

5.2 防抬機復核

考慮到調壓閥出水口與尾水管連接,調壓閥宣泄的高速水流會瞬時增大尾水管內部壓力,此時水輪機導葉逐漸關閉,當水輪機葉片下部壓力大于上部壓力時可能導致機組抬升,因此進行了機組抬升復核。模型機試驗表明,尾水管瞬時最大壓力上升值為額定水頭壓力的6.7%；水輪機廠家開展的計算流體力學（CFD)數值仿真結果顯示,該壓力上升值為額定水頭壓力的9.8%［12］。原型機和數值模擬結果接近,相互印證。防抬機安全系數取水輪發電機組轉動部件總重與瞬時上抬水壓之比,上抬分布水壓取原型機試驗和數值仿真結果中的最大值。計算得出45、20 MW機組防抬機安全系數分別為2.5和2.6,不會發生機組抬升,且有較高的安全裕度。

5.3 優化效益分析

以調壓閥替代調壓井省去了調壓井及相關附屬土建工程,增加了調壓閥及少量配套機電設備,合計節省工程投資約2 100萬元,節省調壓井及附屬工程工期約6個月,規避了深大地下工程開挖對施工人員人身安全造成傷害的風險。

以調壓閥替代調壓井,省去5 500 m2的調壓井及道路占地,省去調壓井開挖、山體放坡、道路修建等棄渣7.5萬m3,避免了調壓井建設對原始環境的擾動和破壞,占地范圍內的植被和表層土壤得到保護,避免了棄渣對原始自然景觀的破壞和造成水土流失,避免了施工生活垃圾、噪聲、揚塵、廢水等對環境的污染,具有顯著的生態和環境效益。

6 結 語

（1)隨著技術的發展,世界上采用調壓閥作為調壓措施的水電站成功案例增多,如楊村水電站、巴基斯坦PUHUR電站、老撾南奔電站、湖北龍潭嘴水電站、云南勐典河電站等,這些成功案例為調壓閥的應用推廣提供了借鑒。

（2)根據2016年中國水利水電科學研究院與天津電氣科學研究院有限公司合作的“以調壓閥代替調壓井的水輪機調節系統過渡過程研究”和“帶有調壓閥的水輪機調節系統綜合測試裝置的研發”項目成果,對KYET水電站調壓閥一次調頻、大/小波動的水力過渡過程計算、調節仿真等開展了一系列科學試驗,研究表明,該水電站采用調壓閥能夠解決機組轉速和水道壓力上升問題,且滿足機電設備和水工建筑物的安全要求。在非線性水輪機特性條件下,大波動工況及由大波動工況自動調節進入小波動工況時水輪機調節系統過渡過程均是穩定的。本文調壓閥調壓的可行性論證方法,選型、布置和防抬機復核,效益分析,及其相關結果均值得相似工程借鑒。

（3)隨著KYET水電站設計階段的深入,采用調壓閥替代調壓井方式,對加快工程投產、保障施工安全、鼓勵科技創新、節省投資、環境保護等而言均有利,有可觀的社會效益、經濟效益及生態效益。實施階段應認真研究為保證蝸殼進水蝶閥、機組事故配壓閥的控制系統安全可靠,在引水發電系統進水口設置快速閘門的措施。

近年來,我國水電設備研發、制造能力均有極大的提升,機組將實現全部國產化［13］。我國的水輪機控制技術已達到國際先進水平,為調壓閥推廣提供了支撐。新疆KYET水電站將成為國內應用調壓閥調壓的裝機容量最大的電站,在國內具有重要的示范作用。