東南亞某水電站工程過渡過程分析及結(jié)論

王 達(dá)

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司四川分公司,四川 成都 610094）

1 電站樞紐工程概況

TBB水電站位于東南亞某島國,為引水式電站,由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力明鋼管、地面廠房及尾水渠、變電站、場內(nèi)及場外道路等組成。電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,并兼顧下泄生態(tài)用水,首部樞紐首部校核洪水位252.11 m,正常蓄水位247.00 m,死水位244.00 m,設(shè)計引用流量13.6 m3/s,額定水頭154 m,總裝機(jī)3×6 MW。

2 電站自然條件

2.1 水文參數(shù)

壩址處集雨面積為84.28 km2；多年平均年徑流量為3.15 億m3；多年平均流量為9.98 m3/s；壩址設(shè)計洪峰流量（P=1%）為822 m3/s；廠址設(shè)計洪峰流量（P=1%）為956 m3/s。

2.2 氣象

廷巴班流域?qū)贌釒?地處北緯11°,位于熱帶季風(fēng)氣候和熱帶雨林氣候分區(qū)交界處,年內(nèi)季節(jié)區(qū)別不明顯,旱季僅持續(xù)1～3個月,主要分布在每年的12月～2月或3月～5月,總體而言,每年從11月～4月相對干燥,年內(nèi)其他月份相對濕潤。

2.3 地質(zhì)情況

本階段工程區(qū)地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)沿用原可研設(shè)計成果,地震動峰值加速度值為210 gal。水工建筑物抗震設(shè)防烈度為8 度。

3 電站基本參數(shù)

3.1 水庫特性參數(shù)

首部校核洪水位為252.11 m；正常蓄水位為247.00 m；死水位為244.00 m

3.2 下游尾水位

尾水渠正常尾水位為76.00 m；最低尾水位為75.31 m。

3.3 基本參數(shù)

轉(zhuǎn)輪直徑為0.9 m,額定轉(zhuǎn)速為900 r/min,最大毛水頭為177 m,額定水頭為154 m,最小水頭為154 m,額定流量為4.533 m3/s,水輪機(jī)額定容量為6.375 MW,機(jī)組飛輪力矩為12.8 t·m2。

4 計算過程

4.1 機(jī)組關(guān)閉規(guī)律計算工況及引水系統(tǒng)簡化說明

計算開始前,需要輸入引水管路系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪特性、甩負(fù)荷前工況、蝸殼、尾水管流道等多組參數(shù)。此外,還需要輸入導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。

根據(jù)電站具體情況,計算2種工況,見表1。

表1 計算工況

簡化的管路圖見圖1,簡化的管路參數(shù)見表2。

圖1 電站引水簡化示意圖

表2 引水線路參數(shù)

續(xù)表2

4.2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

本次調(diào)保計算中的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律將分別采用直線關(guān)閉和兩段關(guān)閉的形式進(jìn)行計算及比較分析。導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉時,關(guān)閉曲線見圖2。

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律曲線

圖2中,t0為導(dǎo)葉接力器不動時間,Ts1為導(dǎo)葉接力器以第一段關(guān)閉速度從全開至全關(guān)所需時間,Ts2為導(dǎo)葉接力器以第二段關(guān)閉速度從全開至全關(guān)所需時間,Y12導(dǎo)葉接力器運(yùn)動速度由第一段速度變?yōu)榈诙嗡俣葧r的導(dǎo)葉接力器行程,Tg1為導(dǎo)葉第一段實(shí)際關(guān)閉時間,Tg2為導(dǎo)葉第二段實(shí)際關(guān)閉時間。在使用如上參數(shù)定義時,各參數(shù)相互獨(dú)立,交互作用很小,可以使用較簡單的正交表進(jìn)行計算。

調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化計算采用遍歷法,由于KP,KI和KD之間交互作用明顯,一般不能使用簡單的正交表,故直接使用遍歷法求取優(yōu)化的參數(shù)組合。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析采用雙步QR算法求出狀態(tài)矩陣的特征值的方法,狀態(tài)矩陣自動形成,全部特征值均具有負(fù)實(shí)部時,系統(tǒng)穩(wěn)定。只要有一個特征值具有非負(fù)實(shí)部,系統(tǒng)不穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上可以計算水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域。

5 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計算結(jié)果

計算結(jié)果見表3。

6 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計算小結(jié)

根據(jù)表3可以看出當(dāng)三臺機(jī)組同時事故甩負(fù)荷時,推薦采用導(dǎo)葉最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律為直線關(guān)閉7 s為最優(yōu)且滿足規(guī)范要求（從導(dǎo)葉額定開度作為基值開始計算）。導(dǎo)葉不動時間為0.2 s。實(shí)際關(guān)閉時間為：Tg=7+0.2=7.2 s。

7 大波動工況擬定及計算結(jié)果

（1）根據(jù)電站的運(yùn)行條件和研究目的要求,確定如下大波動過渡過程數(shù)值計算工況見表4。

表4 大波動計算工況

（2）大波動計算結(jié)果見表5。

表5 大波動計算結(jié)果

續(xù)表5

1）結(jié)果分析

由表4可知：

a.以上工況中蝸殼進(jìn)口最大壓力值為221.37 m,出現(xiàn)工況3。

b.以上工況中尾水管進(jìn)口最小壓力值為-1.52 m,出現(xiàn)工況6。

c.以上工況中機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為55.33%,出現(xiàn)在工況14。

d.以上工況中調(diào)壓室最高涌浪水位為257.18 m,出現(xiàn)在工況11,最低涌浪水位為233.07 m,出現(xiàn)在工況5、工況7、工況14。

e.以上工況中機(jī)組最大壓力上升率為27.49%,出現(xiàn)在工況3。

根據(jù)上述結(jié)果,所有以上工況中的各項(xiàng)調(diào)節(jié)保證參數(shù)極值和調(diào)壓室最高、最低涌浪均能滿足計算控制值的要求,且均有合適的安全裕度。

8 小波動工況擬定及計算結(jié)果

（1）根據(jù)本電站的特點(diǎn),擬定小波動計算工況見表6。

表6 小波動計算工況

（2）調(diào)速器主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（GB/T 9652.1-2007）,水輪機(jī)引水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)Tw對PID型調(diào)速器不大于4 s,對PID型調(diào)速器不大于2.5 s,且水流慣性時間常數(shù)Tw與機(jī)組慣性時間常數(shù)Ta的比值不大于0.4,反擊式機(jī)組的Ta不小于4 s。本電站機(jī)組GD2取12.8t·m2時,Ta=4.57 s,額定工況的Tw=1.11 s,Tw/Ta=0.24,滿足PID型調(diào)速器要求。

調(diào)速器參數(shù)首先按照斯坦因建議公式取值,即bp+bt=1.5Tw/TaTd=3TW,Tn=0.5Tw。對1#機(jī)水力－機(jī)械單元中,機(jī)組慣性時間常數(shù)Ta約為4.57 s,壓力管道慣性時間常數(shù)Tw約為1.11 s,由此可以初步確定出相應(yīng)的調(diào)速器參數(shù)為：Tn=0.555 s,Td=3.33 s,bt=0.36,bp=0.00。

本次計算采用的河海大學(xué)程序中,調(diào)速器參數(shù)采用比例增益KP、積分增益KI、微分增益KD,故利用KP=1/bt、KI=1/（btTd）、KD=Tn/bt可得：KP=7,KI=2.7 ,KD=1.5。

根據(jù)小波動解析推導(dǎo)理論,水輪機(jī)工作水頭越小,輸水發(fā)電系統(tǒng)的小波動穩(wěn)定性越差,因此選擇小波動計算工況D（工況描述見表6）作為調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化計算工況,利用程序?qū)φ{(diào)速器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算,優(yōu)化結(jié)果見表7。

表7 調(diào)速器主要參數(shù)優(yōu)化計算

綜合考慮,選取第4 組參數(shù)作為本次小波動計算的調(diào)速器參數(shù)組,即：KP=7.0,KI=2.7 ,KD=1.5。

（3）小波動計算結(jié)果見表8。

表8 小波動計算結(jié)果

（4）結(jié)果分析

1）一般說來,機(jī)組的運(yùn)行水頭越低,其小波動穩(wěn)定性就越差。根據(jù)結(jié)果,小波動過渡過程的控制工況是工況D。工況D為上游死水位,最小水頭時,三臺機(jī)組同時突減10%負(fù)荷工況。

2）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大偏差出現(xiàn)在D工況,為17.82 r/min,為額定轉(zhuǎn)速的1.98%。機(jī)組頻率進(jìn)入±0.2%穩(wěn)定帶寬的調(diào)節(jié)時間出現(xiàn)在A工況,為5.79 s,振蕩次數(shù)0.5,調(diào)壓井水位呈收斂趨勢,表明本電站水力發(fā)電系統(tǒng)小波動穩(wěn)定性較好,具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。