王 慶，陳維勤，德宮健男

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功果橋機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算及甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析

王 慶，陳維勤，德宮健男

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，杭州 310016）

采用東芝公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的專門程序，對(duì)功果橋水輪機(jī)甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。經(jīng)過(guò)對(duì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的多次優(yōu)化，調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果滿足了合同要求。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，二者吻合良好，從而驗(yàn)證了計(jì)算程序的精確性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了參考依據(jù)，同時(shí)對(duì)類似電站的甩負(fù)荷試驗(yàn)也有一定的借鑒意義。

水電站；調(diào)節(jié)保證計(jì)算；甩負(fù)荷試驗(yàn)

0 前言

水力過(guò)渡過(guò)程是引水式電站必須面對(duì)的問(wèn)題之一。對(duì)于水輪機(jī)主機(jī)廠家來(lái)說(shuō)，根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的電站輸水系統(tǒng)的資料，推薦合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、GD2值，使最大水錘壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升、尾水管水壓等參數(shù)在合理的允許值范圍內(nèi)，是非常重要的工作，也是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

同時(shí)，最大水錘壓力是作為復(fù)核壓力管道、蝸殼及水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)之一；尾水管壓力則是校核尾水管內(nèi)真空度及防止產(chǎn)生水柱分離現(xiàn)象的重要評(píng)價(jià)依據(jù)；而限制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升在一定范圍內(nèi)，則是為了保證供電系統(tǒng)的質(zhì)量，也是為了防止由于過(guò)速引起過(guò)電壓從而造成發(fā)電機(jī)電氣絕緣的損壞，以及超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度而產(chǎn)生的破壞和振動(dòng)等。

功果橋電站位于云南省云龍縣，為瀾滄江中下游河段規(guī)劃梯級(jí)的最上游一級(jí)。電站共設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為225MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，以發(fā)電為主，在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。

電站為全地下式廠房，布置在右岸，岸邊式進(jìn)水口。電站輸水系統(tǒng)分別有四組上游引水系統(tǒng)和兩組下游尾水系統(tǒng)組成。上游引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管布置，共設(shè)4臺(tái)機(jī)組；下游尾水系統(tǒng)采用兩機(jī)一洞一調(diào)壓室方式，即1號(hào)、2號(hào)機(jī)組尾水匯合到1號(hào)尾水調(diào)壓室、1號(hào)尾水洞；3號(hào)、4號(hào)機(jī)組尾水匯合到2號(hào)尾水調(diào)壓室、2號(hào)尾水洞。

1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

水輪發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行情況下，水輪機(jī)的出力與電力系統(tǒng)的負(fù)荷相互平衡，這時(shí)機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，水電站有壓引水系統(tǒng)(壓力隧洞、壓力鋼管、蝸殼、尾水管及尾水隧洞)中的水流處于恒定流狀態(tài)。

但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，常會(huì)遇到各種事故導(dǎo)致機(jī)組突然與系統(tǒng)解列，把負(fù)荷甩掉的情況。由于負(fù)荷的變化是瞬時(shí)發(fā)生的，而導(dǎo)葉的啟閉需要一定時(shí)間，水輪機(jī)的出力不能及時(shí)發(fā)生相應(yīng)變化，因而破壞了水輪機(jī)出力和負(fù)荷之間的平衡。在調(diào)速器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉使其關(guān)閉過(guò)程中，水輪機(jī)產(chǎn)生的剩余能量轉(zhuǎn)化為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能，從而造成機(jī)組轉(zhuǎn)速的急速上升。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，由于水流運(yùn)動(dòng)的慣性大，水輪機(jī)流量的迅速改變勢(shì)必會(huì)引起有壓管路系統(tǒng)中的非恒定流運(yùn)動(dòng)，即流量和流速也會(huì)發(fā)生急劇變化，使得壓力管道、蝸殼及尾水管中的壓力隨之變化（即水錘現(xiàn)象）。

為了能有效模擬管路系統(tǒng)內(nèi)水錘傳播特性的非恒定流運(yùn)動(dòng)，由東芝公司獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)發(fā)，運(yùn)用于水泵式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、軸流式水輪機(jī)及其他型式水輪機(jī)組的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的專門程序采用了特征曲線法進(jìn)行模擬計(jì)算。

特征曲線法可分析復(fù)雜管路內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)情況，也可處理復(fù)雜的邊界條件，同時(shí)能計(jì)入摩擦阻力的影響。方法是建立壓力管道的基本方程式，將方程式轉(zhuǎn)化為全微分方程的型式，再對(duì)全微分方程進(jìn)行積分，用數(shù)值計(jì)算方法求解水錘值及其變化過(guò)程。方程式的轉(zhuǎn)換如上面的圖所示。

東芝公司水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算程序的原理如圖1所示，流程圖如圖2所示。

圖1 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算程序原理概略圖

圖2 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算程序流程圖

2 計(jì)算條件

2.1 電站水位參數(shù)

上游水庫(kù)水位：

校核洪水位：1309.5m；

正常蓄水位：1307.0m；

死水位：1303.0m。

下游水庫(kù)水位：

校核尾水位：1259.0m；

設(shè)計(jì)尾水位：1257.6m；

正常尾水位：1245.3m；

一臺(tái)機(jī)額定流量對(duì)應(yīng)的尾水位：1241.68m。

2.2 水輪機(jī)基本參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)：HL-LJ-669；

最大水頭：66 m；

額定水頭：58 m；

最小水頭：46 m；

轉(zhuǎn)輪公稱直徑1：6690 mm；

額定出力：230 MW；

額定流量：437.6 m3/s；

額定轉(zhuǎn)速：93.75 r/min；

飛逸轉(zhuǎn)速：190 r/min；

最高效率：96.14%；

水輪機(jī)安裝高程：1235.00 m；

允許吸出高度：－6.64 m。

2.3 合同規(guī)定的調(diào)節(jié)保證值

合同中規(guī)定：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2不小于75000t·m2時(shí)，蝸殼末端最大壓力不超過(guò)0.9MPa（包括壓力上升值在內(nèi)），即0.9×101.972≈91.8mH2O。最大轉(zhuǎn)速上升率不大于額定轉(zhuǎn)速的55%，即93.75×1.55 ≈145.3r/min。尾水錐管內(nèi)的最大真空度不得大于6.5mH2O。

3 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

3.1 輸水系統(tǒng)管路計(jì)算模型及參數(shù)

功果橋電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算所采用的管路模型為1號(hào)、2號(hào)機(jī)組所組成的輸水系統(tǒng)，即1號(hào)、2號(hào)機(jī)組尾水匯合到1號(hào)尾水調(diào)壓室、1號(hào)尾水洞。

圖3 功果橋電站輸水系統(tǒng)計(jì)算模型概略圖

管路模型根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的圖紙資料，進(jìn)行了從上游水庫(kù)經(jīng)引水隧洞、至水輪機(jī)再到尾水調(diào)壓室直至下池水庫(kù)的輸水系統(tǒng)的全程模擬。1號(hào)、2號(hào)機(jī)管路全長(zhǎng)分別為1011.6m、1023.1m，其中1號(hào)機(jī)上游側(cè)管路為265.3m，2號(hào)機(jī)上游側(cè)引水管路為276.8m，管路等價(jià)直徑均為11.0m；2臺(tái)機(jī)組從水輪機(jī)中心至調(diào)壓室的長(zhǎng)度均為160.4m，管路直徑依次為9.8m、14.2m、17.1m；調(diào)壓室至下池水庫(kù)管路長(zhǎng)度為585.9m。

3.2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果

功果橋電站水輪機(jī)模型的驗(yàn)收試驗(yàn)于2008年9月在日本東芝公司順利完成，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了合同的要求。采用該模型的水輪機(jī)完全特性數(shù)據(jù)及本計(jì)算程序，進(jìn)行了功果橋水輪機(jī)甩負(fù)荷的調(diào)節(jié)保證計(jì)算。

根據(jù)合同規(guī)定及設(shè)計(jì)單位的要求，并結(jié)合混流式機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)可能出現(xiàn)的最惡劣工況，對(duì)最高水頭－最大出力、額定水頭－最大出力以及設(shè)計(jì)單位指定：上池水庫(kù)水位為校核洪水位1309.5m，下池水位為1258.52m的三種控制工況進(jìn)行了調(diào)節(jié)保證計(jì)算，并于2009年1月提交了計(jì)算成果報(bào)告。

功果橋電站水輪機(jī)為低水頭大容量式機(jī)組，鑒于低水頭水電站一般發(fā)生的水錘形式，并通過(guò)對(duì)水輪機(jī)在以上控制工況的多種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行的計(jì)算及結(jié)果比較，確定導(dǎo)葉采用先快后慢的兩段關(guān)閉的模式。關(guān)閉規(guī)律如圖4所示。

圖4 提交報(bào)告中的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

提交報(bào)告的計(jì)算結(jié)果表明，采用上述優(yōu)化的導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律，三種工況下的蝸殼最大水壓上升值、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率、尾水管最大真空度的計(jì)算結(jié)果均滿足合同保證值的要求。

4 復(fù)核計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4.1 復(fù)核計(jì)算

功果橋電站為單線路送出，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榫€路跳閘等原因引起雙機(jī)組甩負(fù)荷。為檢驗(yàn)機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)各調(diào)保參數(shù)是否滿足要求，功果橋電站于2013年1月31日進(jìn)行了1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)。

為確保雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)順利進(jìn)行，東芝公司在試驗(yàn)前又再次根據(jù)當(dāng)時(shí)的水位條件及試驗(yàn)準(zhǔn)備采用的機(jī)組出力進(jìn)行了調(diào)保計(jì)算的核算，在保證調(diào)保各參數(shù)均能滿足合同規(guī)定的前提下，對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。并在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，派相關(guān)人員前往現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，以保證現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉規(guī)律能最大限度地與理論計(jì)算一致。

4.2 雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為東芝公司提供的最終優(yōu)化關(guān)閉規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)雙機(jī)調(diào)試完畢的結(jié)果對(duì)比?？梢?jiàn)三者差別甚微，關(guān)閉斜率一致。

圖6為功果橋電站1、2號(hào)機(jī)組在圖5所示的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果曲線從上至下依次為機(jī)組頻率變化曲線、1號(hào)機(jī)蝸殼水壓變化曲線、2號(hào)機(jī)蝸殼水壓變化曲線、2號(hào)機(jī)尾水管水壓變化曲線。由圖可知，機(jī)組頻率最大值為73.66Hz（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為138.1r/min）；1號(hào)機(jī)蝸殼水壓最大值為0.81MPa；2號(hào)機(jī)蝸殼水壓最大值為0.79MPa；2號(hào)機(jī)尾水管水壓最小值為－0.14MPa（相當(dāng)于－14mH2O，但由于該測(cè)點(diǎn)位于水輪機(jī)中心線下方10m處，將該測(cè)量值換算至水輪機(jī)中心線基準(zhǔn)處時(shí)結(jié)果為－4mH2O）。以上試驗(yàn)結(jié)果均滿足合同對(duì)調(diào)節(jié)保證值的要求。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

圖6 現(xiàn)場(chǎng)雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

由于水壓脈動(dòng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果均為脈動(dòng)壓力曲線。而計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果尚無(wú)法模擬真實(shí)的水壓脈動(dòng)，為了更直觀地進(jìn)行比較，在確認(rèn)了1、2號(hào)機(jī)曲線衰減趨勢(shì)幾近一致的前提下，選取了脈動(dòng)較小的2號(hào)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

東芝公司的2號(hào)機(jī)的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果波形曲線如圖7所示。曲線從上至下依次為蝸殼水壓變化曲線、尾水管水壓變化曲線及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明，2號(hào)機(jī)蝸殼水壓在不考慮計(jì)算誤差的情況下，計(jì)算結(jié)果最大值為81mH2O，約0.79MPa，與實(shí)測(cè)結(jié)果在發(fā)生時(shí)間和數(shù)值上均一致。尾水管水壓在不考慮計(jì)算誤差的情況下，計(jì)算結(jié)果最小值為－3.9mH2O，與實(shí)測(cè)結(jié)果在數(shù)值上幾乎一致。機(jī)組轉(zhuǎn)速上升最大值為142.8r/min，與實(shí)測(cè)結(jié)果僅差4.7r/min，分析原因可能是由于現(xiàn)場(chǎng)2號(hào)機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉調(diào)試時(shí)間比東芝提供的導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間稍慢所致，二者的關(guān)閉時(shí)間詳見(jiàn)圖5。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的整體減慢會(huì)造成轉(zhuǎn)速的急速上升，但由于上述時(shí)間不長(zhǎng)，只是造成極值稍微增大，據(jù)圖8可知，二者的振動(dòng)周期，波形衰減趨勢(shì)均良好吻合。

圖7 東芝公司的計(jì)算結(jié)果

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與東芝復(fù)核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

圖8為2號(hào)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果與東芝公司復(fù)核計(jì)算結(jié)果的波形對(duì)比，可見(jiàn)二者在極值幾近一致的前提下，振動(dòng)周期、波形衰減趨勢(shì)以及時(shí)間變化均良好吻合，且結(jié)果均滿足合同對(duì)調(diào)節(jié)保證值的要求。

4.3 四臺(tái)機(jī)同時(shí)甩滿負(fù)荷試驗(yàn)

功果橋電站為單線路送出，全廠四臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩滿負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程現(xiàn)象也有可能發(fā)生。為檢驗(yàn)機(jī)組在四機(jī)甩滿負(fù)荷過(guò)程中各調(diào)保參數(shù)是否滿足要求，以及電站安保系統(tǒng)的應(yīng)變能力，功果橋電站于2013年3月17日進(jìn)行了全廠四機(jī)甩滿負(fù)荷試驗(yàn)。

由于功果橋電站1號(hào)，2號(hào)和3號(hào)，4號(hào)機(jī)組分別為兩組獨(dú)立的輸水系統(tǒng)組成，對(duì)于調(diào)保計(jì)算結(jié)果而言，四機(jī)甩滿負(fù)荷的結(jié)果理論上應(yīng)同雙機(jī)甩滿負(fù)荷的結(jié)果趨于一致。據(jù)云南省電力試驗(yàn)研究院2013年4月提供的四機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告表明，功果橋電站四機(jī)甩滿負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器與主機(jī)的過(guò)渡過(guò)程與雙機(jī)甩滿負(fù)荷過(guò)程基本一致，電廠調(diào)速系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程正常，各項(xiàng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)與功果橋電站水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了東芝公司用于水力過(guò)渡過(guò)程模擬的計(jì)算方法是合理的。東芝公司在該計(jì)算方法的基礎(chǔ)上編制的專用程序的計(jì)算結(jié)果能與原型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果保持充分的一致性，能真實(shí)地反映機(jī)組調(diào)節(jié)保證各參數(shù)在甩負(fù)荷時(shí)的實(shí)際變化，同時(shí)也證明了該程序的計(jì)算精度完全能夠滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

該調(diào)節(jié)保證計(jì)算程序在不斷與原型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，在工程實(shí)踐中不斷擴(kuò)充和完善了其功能，能夠?yàn)樗啓C(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)提供可靠參數(shù)和科學(xué)依據(jù)，更有效的確保水電站的安全。

[1] 劉啟釗, 胡明. 水電站（第4版）[M]. 中國(guó)水利水電出版社2010.

[2] ターボ機(jī)械協(xié)會(huì)[日]. ハイドロタービン[M]. 日本工業(yè)出版.

Field Test and Simulation Analysis of Load RejectionTransient of Gongguoqiao Power Plant

WANG Qing, CHEN Weiqin,Takeo Tokumiya

(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

In this paper, the hydraulic transients calculation procedure which developed independently by Toshiba was used to simulate the turbine load rejection transient of Gongguoqiao power plant. After optimizing the guide vanes closing law, simulation results meet the contract requirements.After comparison analysis, the simulation results can coincide with actual measuring results at site. It verified the precision of procedure and the accuracy of the simulation results provided by Toshiba. It provided a reference basis for field test of load rejection. Meanwhile, it has a certain reference value for similar load rejection tests.

power station; guaranteed calculation for regulation;test of load rejection

TK730.7

A

1000-3983(2014)05-0039-06

2014-03-15

王慶（1984-），2007年畢業(yè)于河海大學(xué)，現(xiàn)從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作，助理工程師。目前在日本東芝公司進(jìn)行業(yè)務(wù)研修，主要為水泵水輪機(jī)與混流式水輪機(jī)組的水力設(shè)計(jì)與模型開(kāi)發(fā)。

審稿人：魏顯著