國外某水電站擴(kuò)機(jī)改造工程的可行性分析

殷 晶

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，由于導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，水輪機(jī)的流量會(huì)急劇變化，因此在水輪機(jī)壓力過水系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水擊而導(dǎo)致事故。在設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)計(jì)算出上述過渡過程中最大轉(zhuǎn)速上升值及最大壓力上升值[1]。

水電站為了提高水資源利用率，獲得更大的電量效益，在原引水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過擴(kuò)建新機(jī)組來增加發(fā)電量。由于引用流量的增加，調(diào)節(jié)保證計(jì)算需重新復(fù)核，其復(fù)核結(jié)果直接關(guān)系到方案的可行性。

2 實(shí)例分析

2.1 概 況

國外某水電站采用長引水式開發(fā)，樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。引水系統(tǒng)主要有進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井及壓力鋼管組成，引水系統(tǒng)總長約4.8 km，電站引用流量46.8 m3/s。電站裝機(jī)60 MW(30 MW×2)，額定水頭148.2 m。見表1。

表1 國外某水電站原機(jī)組(2#，3#機(jī)組)擴(kuò)機(jī)前后主要參數(shù)表

2.2 擴(kuò)建水輪機(jī)及附屬設(shè)備

2.2.1機(jī)組選型

電站新增裝機(jī)容量15 MW，發(fā)電廠房型式為地面廠房，電站額定水頭136.6 m，最大水頭161.7 m，最小水頭134.2 m。本電站水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍在134.2～161.7 m之間，水頭變幅為27.4 m。此水頭段適合的水輪機(jī)最佳型式為混流式水輪機(jī)，因此電站新增水輪機(jī)采用立軸混流式。

綜合考慮效率、空化性能、額定流量等多方面的因素，本階段暫定選用D307作為水輪機(jī)代表轉(zhuǎn)輪開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

2.2.2 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

原電站裝機(jī)2×30 MW，結(jié)合本電站的特點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本電站推薦新增一臺(tái)單機(jī)容量為15 MW的裝機(jī)方案。

2.2.3 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)如下：

水輪機(jī)額定出力Pr=15.544 MW

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.29 m

額定比轉(zhuǎn)速ns=160.2 m·kW

額定轉(zhuǎn)速n=600 r/min

額定流量 12.45 m3/s

額定工況點(diǎn)效率 ≥93.2%

安裝高程 86.2 m

發(fā)電機(jī)型號(hào) SF15-10/2615

功率因數(shù)COSΦ 0.8

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2 ≥95 t·m2

保證效率 ≥96.5%

2.3 調(diào)節(jié)保證計(jì)算

調(diào)節(jié)保證計(jì)算是研究機(jī)組突然改變較大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性，計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理的時(shí)間和啟閉規(guī)律，解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性、機(jī)組慣性力矩和調(diào)整特性三者之間的矛盾[2]。

2.3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國外某水電站原為一洞二機(jī)的引水式電站，廠房形式為地面式，新增擴(kuò)建機(jī)組后，電站引水系統(tǒng)布置見圖1。

原電站單機(jī)容量30 MW，裝機(jī)兩臺(tái)，擴(kuò)機(jī)新增一臺(tái)單機(jī)容量15 MW的機(jī)組，原電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算控制目標(biāo)值：

機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率保證值 ≤50%

蝸殼最大壓力值 ≤222 m

尾水管最小水壓 ≥-7 m·H2O

2.3.2 計(jì)算方法及結(jié)果

為了能準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)組的大波動(dòng)情況，采用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算分析，其工況選擇及計(jì)算成果見表2和表3。

圖1 國外某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)簡圖

表2 國外某電站1#擴(kuò)機(jī)機(jī)組大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果

表3 國外某電站2#，3#機(jī)組大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果

2.3.2.1 1#新增機(jī)組

相應(yīng)引水系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw≈2.4 s，根據(jù)優(yōu)化計(jì)算，確定水輪機(jī)導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉方式，第一段關(guān)閉速率0.12，第二段關(guān)閉速率0.044，拐點(diǎn)開度0.4，第一段關(guān)閉時(shí)間5 s，總關(guān)閉時(shí)間14 s。

機(jī)組GD2值按常規(guī)設(shè)計(jì)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，GD2為95 t·m2，對(duì)應(yīng)的機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=6.03 s。機(jī)組大波動(dòng)過渡過程各項(xiàng)極值如下：

蝸殼最大壓力上升發(fā)生在校核洪水位下，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷，緊急停機(jī)，其蝸殼最大壓力為220.8 m·H2O。

機(jī)組校核洪水位下，兩臺(tái)大機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷，至空載運(yùn)行，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為βmax=53.6%。

尾水管最小水壓HB為-2.1 m。

2.3.2.2 2#，3#原機(jī)組

相應(yīng)引水系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw≈2.1 s，根據(jù)優(yōu)化計(jì)算，確定水輪機(jī)導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉方式，第一段關(guān)閉速率0.075，第二段關(guān)閉速率0.033，拐點(diǎn)開度0.4，第一段關(guān)閉時(shí)間8 s，總關(guān)閉時(shí)間20 s。

機(jī)組GD2值按常規(guī)設(shè)計(jì)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，GD2為362 t·m2，對(duì)應(yīng)的機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=7.98 s。機(jī)組大波動(dòng)過渡過程各項(xiàng)極值如下：

蝸殼最大壓力上升發(fā)生在正常蓄水位下，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷緊急停機(jī)，蝸殼最大壓力為220.9 m·H2O。

正常蓄水位下，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷至空載，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為βmax=52.7%。

尾水管最小水壓HB為-6.5 m。

2.4 結(jié)論及建議

2.4.1 結(jié) 論

原機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算最大轉(zhuǎn)速上升率控制目標(biāo)值為50%，本次調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果1#新增機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率53.6%，2#，3#原機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率52.7%，最大轉(zhuǎn)速上升率超出控制目標(biāo)值，其余滿足要求。

根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5186-2004)[3]，“當(dāng)機(jī)組容量占工作總?cè)萘康谋戎夭淮螅虿粨?dān)負(fù)調(diào)頻時(shí)，宜小于60%。”本次最大轉(zhuǎn)速上升率計(jì)算結(jié)果機(jī)組滿足規(guī)范要求。

2.4.2 建 議

1) 與業(yè)主、水輪發(fā)電機(jī)廠溝通，原機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大轉(zhuǎn)速上升率為52.7%，是否滿足要求。

2) 本次調(diào)節(jié)保證計(jì)算蝸殼最大壓力值220.9 m，接近最大承壓能力222 m，下階段原電站壓力鋼管做管道狀態(tài)評(píng)估，確保壓力鋼管的承壓能力。

3) 利用其它仿真計(jì)算軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算復(fù)核。

3 結(jié) 語

部分水電站運(yùn)行過程中存在棄水，擴(kuò)機(jī)改造能夠充分利用原電站浪費(fèi)的棄水，擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模，提高發(fā)電效益。對(duì)于擴(kuò)機(jī)工程而言，調(diào)節(jié)保證計(jì)算的復(fù)核直接影響擴(kuò)機(jī)方案的可行性與否，關(guān)系到水工建筑物和機(jī)組的安全與穩(wěn)定。電站應(yīng)據(jù)自身實(shí)際情況，因地制宜，有針對(duì)性的進(jìn)行增容改造工作，為水電站取得實(shí)實(shí)在在的技改成效和經(jīng)濟(jì)效益[4]。