菲律賓Liangan水電站調節保證計算研究

熊曉明，王 頂

（(1.廣西財經學院，南寧 530003；2.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，南寧 530009）

1 工程概況

菲律賓Liangan 水電站位于菲律賓南部棉蘭老島西北部北拉瑙省的Liangan 河上，電站壩址距巴科洛德市區約7 km，距伊利甘市約32 km，距卡加廷德奧羅市約126 km。水電站的開發任務為發電和灌溉，并兼顧下游減水河段生態環境用水要求。

菲律賓Liangan水電站為地面引水式廠房，布置于Liangan河右岸，一期裝機容量11.9 MW，安裝2臺單機容量5.95 MW 混流式水輪發電機組，設計引用流量為11.18 m3/s。后期計劃擴容至18 MW，設計引用流量為16.92 m3/s。引水系統按18 MW裝機容量進行設計。引水系統分布于右岸，主要由進水口、壓力涵管、調壓塔（井）、壓力管道段等組成，壓力管段由豎井、下平段及支管組成。調壓井前后的引水管道直徑分別為2.9 m和2.4 m，長度分別為1114 m和186 m。然后分岔引至3臺機組，分岔管直徑為1.2 m。

2 基本參數

電站基本參數見表1。

表1 電站基本參數

調節保證計算基本參數見表2。

表2 調節保證計算基本參數

3 調節保證計算

3.1 調節保證計算模型

水輪機調節保證計算主要分為兩種情況：一種是大波動計算，一種是小波動計算。大波動計算的目的是經機組調節保證計算分析，優化選擇導葉關閉規律，以使得蝸殼進口水錘壓力和機組轉速的上升值均能滿足設計要求并盡可能地小，同時根據水力過渡過程計算分析，預測輸水系統沿線的最大、最小動水壓力，確定調壓室以及閘門井的最高、最低涌波水位等[1]。小波動計算的目的是通過調節保證計算來分析在水力-機械系統中出現小波動時，在調速器和其他控制裝置的作用下，系統恢復到初始穩定運行狀態或達到新的穩定狀態并長時間保持穩定運行的能力[2]。常用的水輪機調節保證計算方法是特征線法[3]，即基于特征線法來考慮水體彈性的一種分析方法，下面簡要介紹其計算模型。

對于管道中的瞬變流（一維不定常流動），其連續方程[4～6]為：

相應的運動方程為：

式中：H 為沿程水頭；V 是平均速度；g 為重力加速度；f是達西-威斯巴哈摩擦系數；α為管道中心線與水平線的夾角；D為管道直徑；a是波速。

用特征線法可將上述方程轉為如下差分方程：

式中：

圖1 特征線x-t網格

由（3）、（4）得

式（3）～（8）是對單管問題進行數值計算時，直接應用的常用公式。管道串聯和分叉點瞬變計算按滿足壓力相等及流量連續條件處理。

3.2 調節保證計算的基本資料

Liangan水電站引水系統總布置圖見圖2。

圖2 引水系統總布置圖

Liangan水電站調壓井的細部結構圖見圖3。

圖3 調壓井細部圖

簡化后的仿真計算模型見圖4。

圖4 仿真計算模型簡圖

3.3 兩種調節保證計算對比

3.3.1 計算軟件對比

為了確保水輪發電機組在極端工況下的運行安全，供貨商和設計單位均進行了調節保證計算。供貨商采用的是商業模擬軟件SIMSEN（3.1.1 版）。該軟件是由位于瑞士洛桑的瑞士聯邦技術研究所開發，它可以模擬如明渠、壓力鋼管等引水系統。設計單位采用的是河海大學的《水電廠水力-機械過渡過程仿真計算通用軟件》進行分析計算。該軟件可以模擬不同工況、不同機組類型、不同的引水系統下機組的過渡過程。

3.3.2 導葉調節規律對比

供貨商采用的導葉開啟和關閉規律是開、關時間均設定為10 s，同時在導葉關閉時，接力器設置5%的緩沖。具體規律見圖5。

圖5 供貨商導葉打開和關閉規律

設計單位采用導葉在6 s內直線關閉的關閉規律。

3.3.3 調節保證計算工況對比

表3 供貨商調節保證計算工況

為了驗證機組在不同組合工況下轉速上升、壓力上升是否符合規范要求，以及調壓井水位變幅是否與設計情況一致，供貨商與設計單位分別擬定了不同工況進行計算，供貨商的計算工況見表3。

設計單位的計算工況如下：

工況一：在額定水頭120 m 工況下，3 臺機組帶額定負荷運行，甩全負荷；

工況二：在高水頭121.97 m工況下，3臺機組帶額定負荷運行，甩全負荷。

4 計算結果對比

4.1 調節保證計算結果

供貨商通過計算各個組合工況，最終找到壓力上升和轉速上升、調壓井水位變動的最不利工況，其代號是201、204、208 a、210和211，具體數據見表4。

表4 供貨商調節保證計算結果

設計單位計算成果（以2#機為例）見表5。

表5 設計單位調節保證計算結果

4.2 最不利工況的過渡過程曲線圖

供貨商的3 個最不利工況下的過渡過程曲線圖，見圖6～圖8。

設計單位的事故甩負荷水力過渡過程曲線圖見圖9～圖10。

圖6 供貨商工況201過渡過程曲線

圖7 供貨商工況204過渡過程曲線

圖8 供貨商工況208 a過渡過程曲線

圖9 設計單位工況一（2#機）過渡過程曲線

圖10 設計單位工況二（2#機）過渡過程曲線

4.3 結果分析

根據供貨商計算結果可知，在緊急關機的工況下（工況204），即發電機飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導葉關閉時間TS′＝10 s 時，計算得最大轉速上升為1175 r/min，相應轉速上升率為63.19%；最大蝸殼壓力為150.9 m，相應的壓力上升率約15.37%，尾水管最大真空度為-3.31 m。

根據設計單位計算結果可知，在發電機飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導葉直線關閉時間TS′＝6 s 時，計算得最大頻率上升為89.61 Hz（即最大轉速為1 075.3 r/min），對應轉速上升率為49.35%；最大蝸殼壓力為151.52 m，相應的壓力上升率約21.88%。尾水管最大真空度為-4.22 m。

經分析，盡管供貨商與設計單位的調節保證計算結果存在一定的差異，但究其原因主要在于關閉規律不同，縮短關閉時間，則轉速上升下降而壓力上升增大，其趨勢符合過渡過程計算的規律。因此，通過優化導葉關閉規律即可使兩者的計算結果盡可能接近。

Liangan水電站機組為臥式混流式機組，水輪機額定水頭120 m，單機容量5.95 MW。根據水電站機電設計規范規定：機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率保證值宜小于30%；最大轉速升高率保證值宜小于50%。尾水管真空度不超過-8 m。根據規范，設計單位的計算結果完全滿足規范要求。而供貨商的計算結果中僅壓力和尾水管真空度滿足要求，但是轉速上升超過了規范允許值。經反復溝通，供貨商承諾其所供機組，包括發電機、軸承、轉子和所有其他相關部件在內的設備設計都能夠承受這樣的速率上升及其產生的力能滿足最大轉速上升工況要求，且蝸殼的設計壓力不低于1.6 MPa，因而，機組的運行穩定性是可以保證的。同時經設計單位反復的驗證計算，在供貨商確保機組飛輪力矩GD2在不小于200 kN·m2的前提下，最終確認機組的各項性能參數及引水系統的參數均能滿足我國相關規范對調節保證計算的規定，確保機組在最不利工況下的運行安全性。

5 結語

通過對比機組國外供貨商和國內設計單位對機組調節保證計算的不同，可以發現國內的設計更能嚴格的遵守規范要求，對電力系統穩定性有更大的裕度，而國外供貨商的設計顯然對機組的性能要求更高。這種差異主要在于國內外規范要求不一致，考慮問題的角度也有所不同。最終設計仍然以滿足國內規范為導向，計算選擇合適的導葉關閉規律和合理的機組飛輪力矩，從而確保機組和電力系統的安全穩定運行。