楊寧湖

中國電力投資集團(tuán)五凌電力碗米坡水電廠，湖南長沙 410004

碗米坡水電站超功率甩負(fù)荷過渡過程性能分析

楊寧湖

中國電力投資集團(tuán)五凌電力碗米坡水電廠，湖南長沙 410004

碗米坡水電站計(jì)劃將機(jī)組單機(jī)額定功率由80 mW提高到85 mW，本文結(jié)合真機(jī)試驗(yàn)及仿真計(jì)算情況對(duì)超額定功率運(yùn)行甩負(fù)荷過渡過程指標(biāo)是否滿足調(diào)節(jié)保證要求，是否滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求進(jìn)行分析，提出導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化方案，得出在優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行科學(xué)調(diào)整后機(jī)組可滿足超額定功率運(yùn)行的調(diào)保及相應(yīng)安全要求的結(jié)論。

額定功率；過渡過程；性能；調(diào)節(jié)保證

AbstractWanmipo hydro power plant is planning to increase the unit power from 80MW to 85MW. With the result of real machine testing and simulation calculating which are testing the transition index of load rejection under overload operating condition,this article is to conclude a guide vane closing optimization program,which can guarantee the safety overload operating of the unit and other related safety requirements.

KeywordsRated power；transient process；Performance；calculation of guaranteed regulation

1 概述

碗米坡水電站位于湖南酉水中下游保靖縣境內(nèi)，下游距保靖縣城28km。電站以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合效益。電站控制流域面積10 415m2，占酉水流域56%，多年平均流量299m3/s，年徑流量94.3億m3。水庫正常蓄水位248m，總庫容3.78億m3，調(diào)節(jié)庫容1.25億m3，具有不完全季調(diào)節(jié)性能。電站總裝機(jī)容量240mW，安裝三臺(tái)單機(jī)容量80mW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量7.92億千瓦時(shí)。該電站是湖南湘西電網(wǎng)內(nèi)唯一一座統(tǒng)調(diào)電站，對(duì)湘西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起支撐作用。在豐水期該電站承擔(dān)基荷運(yùn)行，枯水期主要是調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓及事故備用。

碗米坡電站水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、主變壓器、發(fā)電機(jī)出口開關(guān)及GIS設(shè)備、出線設(shè)備的額定值與正常運(yùn)行值均有較大裕度，每臺(tái)機(jī)組具備增加5～10mW出力的能力。

碗米坡水庫調(diào)節(jié)庫容僅1.25億m3，稍有較大來水就會(huì)面臨棄水的可能，為充分利用水能資源，盡可能減少棄水量，使發(fā)電效益最大化，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下適度超額定出力運(yùn)行可取得較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在不增加一分錢投資的前提下，可多獲得一座中小型水電站的效益。因此筆者對(duì)超額定功率運(yùn)行時(shí)甩負(fù)荷后的過渡過程性能進(jìn)行分析，找出其中制約超出力的關(guān)鍵因素，使之符合安全要求和調(diào)節(jié)保證要求。

2 設(shè)備概述及主要性能指標(biāo)

2.1 水輪機(jī)主要參數(shù)

2.2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2.3 調(diào)速器主要參數(shù)

型號(hào)：BWT-100步進(jìn)式PLC微機(jī)調(diào)速器

頻率測量方式：殘壓測頻+齒盤測速

工作油壓：6.3MPa

3 機(jī)組調(diào)節(jié)保證技術(shù)要求

1）該電站設(shè)計(jì)單位中南勘測設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)報(bào)告提出的技術(shù)要求為：

（1）導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間：活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉分兩段進(jìn)行：第一段關(guān)閉時(shí)間3.5s，第二段關(guān)閉時(shí)間7s，第二段關(guān)閉導(dǎo)葉起始相對(duì)開度為30%K。

（2）蝸殼最大動(dòng)水壓力：蝸殼最大動(dòng)水壓力出現(xiàn)在最大水頭下甩最大負(fù)荷的工況，其值為0.57MPa。

（3）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高：機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高的控制工況是設(shè)計(jì)水頭下甩額定負(fù)荷，其值為144r/min。

2）該電站機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)廠家提出的技術(shù)要求為：

（1）導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉，第一段關(guān)閉時(shí)間約為3.5s，第二段關(guān)閉時(shí)間約為7s第二段關(guān)閉導(dǎo)葉起始相對(duì)開度為30%K。

（2）機(jī)組在設(shè)計(jì)水頭發(fā)額定出力運(yùn)行甩滿負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速不超過145r/min。

（3）機(jī)組在最大水頭發(fā)額定出力(或最大出力)運(yùn)行突甩滿負(fù)荷時(shí)的蝸殼最大壓力上升值不超過30%。蝸殼最大承壓為0.58 MPa。

4 甩負(fù)荷試驗(yàn)分析

鑒于以上技術(shù)要求，電站聯(lián)系湖南省電力試研院對(duì)1＃機(jī)進(jìn)行了甩負(fù)荷試驗(yàn)（三臺(tái)機(jī)水力性能基本相同，選取1＃機(jī)為試驗(yàn)機(jī)組），筆者作為電站調(diào)度協(xié)調(diào)人員，全程參與了該項(xiàng)目的試驗(yàn)。該試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)上游水位為247.89m，下游水位為201.84m，水頭為46.05m。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 1#機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果分析：在該水頭下，甩80mW負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口壓力最大值為0.5857MPa，甩85mW負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口壓力最大值為0.5917MPa，均高于設(shè)計(jì)院及廠家的技術(shù)要求，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉分段關(guān)閉拐點(diǎn)及關(guān)閉速度均比設(shè)計(jì)值高。因此，必須對(duì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，以確保超額定功率運(yùn)行時(shí)甩負(fù)荷過渡過程中蝸殼進(jìn)口壓力上升滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

5 機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程仿真分析

1）建?；驹瓌t：仿真的核心是機(jī)組甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值和蝸殼進(jìn)口水壓上升值，根據(jù)甩負(fù)荷后調(diào)速器的工作特點(diǎn)，可以將甩負(fù)荷情況下的仿真模型設(shè)計(jì)為根據(jù)導(dǎo)葉開度變化的開環(huán)控制過程。即根據(jù)導(dǎo)葉開度的變化過程，仿真計(jì)算出機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過程和蝸殼進(jìn)口水壓上升過程，模型中只考慮導(dǎo)葉開度變化的模型、水輪機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、引水系統(tǒng)模型，不考慮調(diào)速器模型。

仿真模型框圖如圖1所示。

圖1 甩負(fù)荷過渡過程仿真模型框圖

2）模型的驗(yàn)證：為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須保證模型結(jié)構(gòu)與模型參數(shù)能夠基本反映機(jī)組的特性。通過甩負(fù)荷過渡過程的實(shí)測數(shù)據(jù)，與相同工況下的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，并調(diào)整模型參數(shù)，使仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，保證模型結(jié)果與模型參數(shù)反映機(jī)組的真實(shí)特性[1]。在相同工況下，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果見表2。

表2 仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較表

從仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和蝸殼進(jìn)口水壓上升最大值基本一致，可以將該模型及參數(shù)作為機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程仿真計(jì)算的模型。

3）機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程仿真分析：對(duì)于機(jī)組超額定出后甩負(fù)荷過渡過程的仿真分析，主要計(jì)算最大水頭和能發(fā)85mW出力的機(jī)組最小水頭的過渡過程結(jié)果。最大水頭下的計(jì)算，主要驗(yàn)證蝸殼進(jìn)口水壓的上升是否滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求；相應(yīng)最小水頭下的計(jì)算，主要驗(yàn)證機(jī)組轉(zhuǎn)速上升是否滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。根據(jù)水輪機(jī)綜合特性曲線，在導(dǎo)葉最大開度下，發(fā)85 mW出力時(shí)機(jī)組相應(yīng)最小水頭為41.2m（以下稱相應(yīng)最小水頭）。

1）試驗(yàn)時(shí)機(jī)組的工作水頭與設(shè)計(jì)的最大水頭基本接近，因此，可以將該水頭下的試驗(yàn)結(jié)果最為機(jī)組最高水頭下的試驗(yàn)結(jié)果，無需對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。

2）相應(yīng)最小水頭下機(jī)組甩85 mW負(fù)荷的過渡過程仿真計(jì)算機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為143.9R/min，蝸殼進(jìn)口水壓上升為0.5488MPa，甩負(fù)荷過渡過程結(jié)果滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

3）在設(shè)計(jì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的甩負(fù)荷過渡過程仿真計(jì)算：最大水頭下甩85 MW負(fù)荷過渡過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為135.8R/min，蝸殼進(jìn)口水壓上升為0.589MPa；相應(yīng)最小水頭下甩85mW負(fù)荷過渡過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為148.1R/min，蝸殼進(jìn)口水壓上升為0.5367MPa。

因此，在設(shè)計(jì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，相應(yīng)最小水頭下的甩負(fù)荷過渡過程結(jié)果滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求，但在最大水頭下的甩負(fù)荷過渡過程中蝸殼進(jìn)口水壓上升雖有所改善，但仍然超過調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

6 優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律分析

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化原則，是保證機(jī)組在最大水頭和相應(yīng)最小水頭下甩85mW負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口水壓上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升均應(yīng)滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求[2]。在該指導(dǎo)原則下，對(duì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最后確定的優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為：第一段關(guān)閉時(shí)間3.8s，第二段關(guān)閉時(shí)間7s。第二段關(guān)閉導(dǎo)葉起始相對(duì)開度為30%K。

優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的甩負(fù)荷過渡過程仿真計(jì)算結(jié)果為：

1）最大水頭下甩85mW負(fù)荷過渡過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為137r/min，蝸殼進(jìn)口水壓上升為0.5735MPa。

2）相應(yīng)最小水頭下甩85mW負(fù)荷過渡過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為14r/min，蝸殼進(jìn)口水壓上升為0.5219MPa。

在優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，最大水頭和相應(yīng)最小水頭甩85 MW負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口水壓上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升均滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求。

7 結(jié)論

在優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下，最大水頭和相應(yīng)最小水頭甩85mW負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口水壓上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升均滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，說明該電站機(jī)組具備超定功率運(yùn)行的基本條件。下一步可根據(jù)優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和分段關(guān)閉拐點(diǎn)值，并進(jìn)行最大水頭和相應(yīng)最小水頭下的甩最大負(fù)荷驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保甩負(fù)荷過渡過程性能指標(biāo)滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求。

[1] 陳飛勇，汪定揚(yáng).混流式水輪機(jī)過渡過程數(shù)值模型研制.長江科學(xué)院院報(bào)，1992（2）.

[2] 白家驄.擬合推估算法在水輪機(jī)過渡過程分析中的應(yīng)用.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（3）.

TM61

A

1674-6708（2010）18-0035-02

楊寧湖，畢業(yè)學(xué)校：長沙理工大學(xué)，職稱：助理工程師，職務(wù)：中電投集團(tuán)五凌電力碗米坡電廠發(fā)電分部主任，研究方向：水力發(fā)電運(yùn) 行管理