重力有壓自流灌溉供水對電站發電運行影響的探討

吳昌春

（黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 鄭州 450000）

0 工程概況

小浪底北岸灌溉洞工程位于小浪底水利樞紐左岸進水塔群與西溝水庫之間，地處河南省濟源市境內，是小浪底水利樞紐的主要組成部分，采用重力有壓自流方式為北岸灌區供水和向西溝水庫供水及發電，引水條件和方式由小浪底水庫的運用方式和進水塔總體布置決定，在灌區和西溝電站同時引水時，優先滿足灌區的引水要求。

1 基本參數

1.1 水輪發電機組基本參數

1.1.1 水輪機基本參數

電站安裝2臺立式混流式水輪機，水頭運行范圍在64.2～116.5 m之間。西溝電站的水輪機綜合特性曲線圖參見圖1，水輪機基本參數參見表1。

表1 水輪機基本參數

1.1.2 發電機參數

發電機為立軸懸式空冷發電機，其基本參數見表2。

表2 發電機基本參數

1.1.3 調速器基本參數

每臺機組設置一臺具有PID調節規律的微機控制電液調速器。調速閥參數參見表3。

表3 調速閥基本參數

1.1.4 調壓閥基本參數

每臺機組蝸殼120°處安裝一臺臥式液壓操作調壓閥，通流直徑600 mm。調壓閥基本參數參建表4。

表4 調壓閥基本參數

1.2 北岸灌溉工程基本參數

1.2.1 上游水庫水位、進出水口水位及布置高程參見表5。

表5 水庫、進出水口水位及布置高程

1.2.2 調流調壓閥門的主要參數

調流調壓閥門運行應保證在小浪底水庫為最低水位230 m時，仍能下泄約30.0 m3/s流量。為保證灌溉流量，灌溉隧洞末端設置2套并聯安裝的調流調壓閥門。調流調壓閥門采用水下淹沒出流。

2 電站調速穩定性分析判據及大波動分析控制條件

調速穩定性也稱為小波動穩定性。調速系統時間域穩定品質通過表6來分析。

表6 調速器穩定性參數

2.1 時間域調節穩定品質分析判據

調節時間定義：從機組轉速因受擾開始偏離給定值開始，到機組動態轉速進入轉速偏差殘留小于最大相對偏差的±2%為止所經歷的時間。在空載條件下壓力管道流量很小時，由于水擊波衰減很慢將對調速過程產生不利影響， 轉速偏差殘留波動可適當放寬，例如±5%。

2.2 最大轉速偏差率定義

最大轉速偏差率=最大相對轉速偏差/相對負荷變化量

3 灌溉引水對西溝電站正常發電運行的影響

3.1 計算分析前提條件

分析只涉及灌區通過調流調壓閥引水灌溉時對西溝電站正常發電運行穩定性的影響。而對于西溝電站在獨立運行時的穩定性，主要有以下兩點:

（1）西溝電站為“井閥并用方案”，獨立運行時Tw=6.20 s，Ta=4.36 s（相應于GD2=66 t·m2），Tw/Ta=1.42，遠大于規范規定值0.4。

（2）研究西溝電站機組并網前或脫網后的空載運行穩定性，在空載條件下，調壓井的穩定斷面比孤網帶負荷時要小得多。

3.2 灌溉流量對西溝電站水輪發電機組調速穩定性的影響

3.2.1 高水頭工況X1計算分析

X1共定義了3個子工況,對應不同的灌區灌溉流量，都是水輪發電機組在負荷擾動之后進入了空載運行條件，見表7。

高水頭工況X1計算如下：

（1）Tw/Ta=1.42，遠大于規范規定值0.4。由于西溝電站調壓井不滿足托馬穩定條件，在孤網帶負荷條件下要求水輪發電機組滿足小波動穩定要求是不切實際的。

表7 髙水頭X1工況計算分析

（2）在高水頭條件下，西溝電站水輪發電機組的空載調速穩定性幾乎完全不受灌溉流量的影響。

圖2 X1a工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖3 X1b工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖4 X1c工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

3.2.2 低水頭工況X2計算分析

上游水位250 m是西溝電站兩臺水輪發電機組發電允許的最低上游水位。對應不同的灌區流量，X2也定義了3個子工況。計算分析詳見表8。

表8 低水頭X2工況計算分析

低水頭工況X2的計算結論如下:

（1）在上游250 m水位（西溝電站2臺水輪發電機組發電最低上游水位）條件下，西溝電站水輪發電機組的調速穩定性受灌溉流量的影響明顯,灌溉流量越大,西溝電站水輪發電機組的調速穩定性就越好。

（2）當灌溉流量為零時，水輪發電機組調速穩定性不好，主要反映在調節過程50 s之后仍有小幅轉速波動，而且該波動收斂很慢。波動周期與調壓井波動周期相同，不穩定性是由調壓井的穩定性不好所致。

（3）在上游250 m水位條件下，2臺灌溉調流調壓閥的過流能力略顯不足(未達到灌區設計流量30 m3/s)。

圖5 X2a工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖6 X2b工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖7 X2c工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

3.2.3 灌溉調流調壓閥的開啟和關閉對西溝電站運行的水力干擾

西溝電站水輪發電機組并網帶負荷運行時，水輪發電機組的運行穩定性在大電網運行的假定條件下的轉速/頻率穩定性是不會存在問題的，除非這個電網本身就存在不穩定問題。灌溉調流調壓閥對西溝電站的水力干擾主要反映在壓力波動導致西溝電站水輪發電機組出力波動上。

3.2.4 灌溉調流調壓閥的開啟工況GR1計算分析

受水力干擾的水輪發電機組水頭越低，受干擾的程度就越嚴重。低水頭條件下的水力干擾GR1共定義了3個子工況, 對應了不同的灌溉調流調壓閥開啟時間和動作閥門臺數。西溝電站水輪發電機組并大電網作有差調頻運行。計算分析詳見表9。

表9 GR1工況計算分析

GR1工況的計算結論如下：

（1）灌溉調流調壓閥雙閥同時開啟會造成較大的瞬態壓力下降，從而引起西溝電站水輪發電機組較大的出力下降。將閥門開啟時間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝水輪發電機組水頭與出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（2）與灌溉調流調壓閥雙閥同時開啟相比，單閥開啟所造成的西溝電站水輪發電機組水頭和出力下降要低得多，如果把開啟時間設在60 s或者60 s以上，灌溉調流調壓閥開啟對西溝電站水輪發電機組所造成的水力干擾程度可以接受。

（3）GR1a工況造成的調壓井最低涌浪水位為236 m, 調壓井水位不會拉空，GR1b和GR1c工況就更安全。

圖8 GR1a工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖9 GR1b工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖10 GR1c工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

3.2.5 灌溉調流調壓閥的關閉工況GR2計算分析

對應了不同的灌溉閥門關閉時間和動作閥門臺數，GR2共定義了3個子工況。GR2計算分析詳見表10。

表10 GR2工況計算分析

圖11 GR1a工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖12 GR1b工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

圖13 GR1c工況下西溝電站水輪發電機組小波動仿真計算波形圖

GR2工況的計算結論如下：

（1）灌溉調流調壓閥雙閥同時關閉會造成引水隧洞較大的瞬態壓力上升，從而引起西溝電站水輪發電機組較大的出力上升，機組超出力可超過30%。將調流調壓閥關閉時間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站機水輪發電組水頭與出力上升的程度, 但機組短時超出力仍可超過23%。

（2）與雙閥同時關閉相比,單閥關閥所造成的西溝電站機組水頭和出力上升要低得多，如果把調流調壓閥關閉時間設在60 s或者60 s以上，調流調壓閥關閉對西溝電站水輪發電機組所造成的短時出力上升理論上可控制在11%以內，是可以接受的。

4 結論

（1）在上游275 m水位（高水頭）條件下，西溝電站水輪發電機組的空載調速穩定性幾乎完全不受灌溉引水流量的影響。

（2）在上游250 m水位條件下（西溝電站2臺水輪發電機組發電最低上游水位要求），西溝電站水輪發電機組的調速穩定性受灌溉引水流量的影響明顯，而且影響是正面的, 灌溉流量越大, 西溝電站水輪發電機組的調速穩定性就越好。

（3）灌溉閥雙閥同時開啟會造成引水隧洞中較大的瞬態壓力下降，從而引起西溝電站水輪發電機組較大的出力下降。將灌溉閥門開啟時間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站水輪發電機組水頭與出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（4）與雙閥同時開啟相比，單閥開啟所造成的西溝電站水輪發電機組水頭和出力下降要低得多，如果把開啟時間設在60 s或者60 s以上，灌溉閥門開啟對西溝電站水輪發電機組所造成的水力干擾程度應該說是可以接受的。

（5）在上游水位250 m條件下，灌溉閥雙閥同時開啟造成的調壓井最低涌浪水位為236 m, 不出現調壓井拉空問題。

（6）灌溉閥雙閥同時關閉會造成引水隧洞中較大的瞬態壓力上升，從而引起西溝電站水輪發電機組較大的出力上升，機組超出力可超過30%。將灌溉閥門關閉時間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站機組水頭與出力上升的程度, 但機組短時超出力仍可超過23%。

（7）與灌溉閥門雙閥同時關閉相比，單閥關閥所造成的水頭和出力上升要低得多，如果把開啟時間設在60 s或者60 s以上，灌溉閥門關閉對西溝電站水輪發電機組所造成的短時出力上升可控制在11%以內，是可以接受的。