劉利

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

克孜爾水電廠機組擴容后調節(jié)保證復核計算

劉利

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

克孜爾水電廠在運行20年后，機電設備老化嚴重，在水工建筑物規(guī)模不變的前提下，對機組進行增效擴容，引水發(fā)電流量增加對整個系統(tǒng)的水力過渡過程成為制約因素。本文通過調節(jié)保證計算，為本電站推薦最優(yōu)的導葉關閉規(guī)律，對工程的后續(xù)增容設計提供理論基礎，希望對國內此類增效擴容水電站設計提供一定的借鑒參考。

水電站；分段關閉；調節(jié)保證計算；機組擴容

隨著我國水電站的開發(fā)，80、90年代建設的一批中、小型水電站，目前面臨機電設備老化，效率大幅度降低的情況，由于設備廠家產品的更新?lián)Q代，備品備件已經(jīng)無法滿足要求。這一批水電站大多急需改造，以適應電網(wǎng)要求以及更好的發(fā)揮水電清潔能源的優(yōu)勢作用。目前，科學技術的進步，水輪發(fā)電機組效率提高以及其他諸多因素的影響，電站改造過程中為了能充分的利用水能資源，機組擴容勢在必行。

1 概述

電廠為設在副壩后的水電站，原裝機容量為4×6.5 MW，單機流量30.4 m3/s，最大水頭為37.4 m，最小水頭20.4 m，設計水頭26.4 m。電廠運行20年后，對電站進行增效擴容。擴容方案：4臺水輪發(fā)電機組每臺擴容2 000 kW。擴容后，裝機容量為4× 8.5 MW，單機流量37.2m3/s，最大水頭37m，最小水頭20.6 m，出力加權平均水頭27.2 m，額定水頭27.0 m。

水庫于1991年建成，于2006年完成除險加固工作。除險加固工作完成后，水庫仍保持原各項興利任務不變，水庫汛期運行水位在實測壩前水位的基礎上增加2 m。電廠擴容是在除險加固基礎上進行，利用多余水量進行發(fā)電，在不改變原有工程定位的基礎上，擴容主要利用下泄水量及水頭。引水發(fā)電量相比增加27.2 m3/s，為滿足電站安全穩(wěn)定運行，必須對引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程進行復核計算。

電站壓力引水系統(tǒng)為一個壓力隧洞，洞徑7.0m，洞長119.2 m，下分叉為2支壓力鋼管直徑為5.0 m，管長為27 m，再分叉為2支壓力支管直徑3.4 m，管長32 m。

2 數(shù)學模型的建立

1）方程建立

采用特征線法編程計算，此程序計算水輪機管道中水流的瞬變流態(tài)。假定：①壓力水管中的水體是不可壓縮的；②管道壁具有彈性；③不考慮水力學參數(shù)在斷面內的差異，以該斷面參數(shù)的平均值來表征斷面的水力學特性；④不考慮水中含氣量變化對水錘波速的影響；⑤不考慮水的空化狀態(tài)。在以上假定條件下建立流量變化和壓力波動間的基本方程。

這些方程應用于壓力鋼管中某一斷面時，此斷面由x座標軸定位（由水流的反方向測定）。在時間t時，考慮到水流速度遠小于波速，建立如下方程。

動態(tài)方程：

質量守恒方程：

管路內流態(tài)假定為理想一元流動，由于時間t和座標x的連續(xù)性，上述兩式可變?yōu)橹牟▌臃匠蹋?/p>

f1和f2是自變量“x+at”和“x-at”的任意函數(shù)。由此，沿著管線座標軸分布的任意一點的壓力H和流量Q（在時刻為t時，位置為x）由上述兩式疊加求解可得。

2）數(shù)值求解

本過渡過程程序是采用逐步迭代的數(shù)值近似法將上述兩基本方程求解編制而成的。

以長度△x=a△t為單位將壓力鋼管分段，各段兩端為節(jié)點。求解各節(jié)點處壓力H和流量Q。

在計算開始時t=0，工況為穩(wěn)定工況，H和Q均為已知，因此函數(shù)f1和f2是確定的。

經(jīng)過一個時間步長△t后，根據(jù)下式，可求出此時各節(jié)點H和Q。

使用該程序需輸入包括引水管路系統(tǒng)參數(shù)、轉輪特性、甩負荷前穩(wěn)定運行工況、蝸殼、尾水管流道等多組參數(shù)。

3）引水發(fā)電系統(tǒng)簡化

根據(jù)引水發(fā)電系統(tǒng)布置圖，統(tǒng)計處理后，簡化見圖1。

圖1

3 計算工況的選擇和結果

根據(jù)可能出現(xiàn)的各種組合工況，筆者共列出24種過渡工況，按照導葉關閉規(guī)律對各工況的逐一計算篩選，最終推薦最優(yōu)的導葉關閉規(guī)律為兩段關閉，導葉第一段的關閉時間為2.4 s(含調速器遲滯時間0.2 s)，導葉開口由100%關至47%，導葉第二段的關閉時間為6.8 s，導葉開口由47%至全關。

圖2

（1）蝸殼末端壓力最大值發(fā)生在上游校核洪水位，下游正常尾水位，最高水頭，超出力10%，4臺機突甩負荷，正常關閉。蝸殼末端壓力值為54.0 m,此時最高轉速為額定轉速的168.0%（見上頁圖2）。

（2）尾水管進口最小壓力值發(fā)生在額定水頭27m，下游最低尾水位，額定出力，4臺機突甩負荷，正常關閉。尾水管進口最小壓力為-5.8 m（見上頁圖2）。

（3）機組最高轉速發(fā)生在額定水頭27 m，下游最低尾水位，額定出力，4臺機突甩負荷，正常關閉。最高轉速為機組額定轉速的170.8%，超過設計規(guī)范對最高轉速不大于60%的要求（見圖3）。

圖3

根據(jù)國內外對真機水輪發(fā)電機組過渡過程的實測，在過渡過程中，蝸殼進口處存在著高頻壓力脈動；尾水管進口由于水流旋轉，使其壓力分布極為不均。因此，對計算機仿真計算的結果進行了修正。

4 機組GD2敏感性分析

根據(jù)業(yè)主對水力過渡過程計算的要求，對機組GD2作敏感性分析如下：

將機組GD2增加50 t.m2后，對機組甩負荷進行了計算,結果顯示,若水輪發(fā)電機組的GD2為545t.m2，最高轉速為機組額定轉速的167.0%，蝸殼末端壓力上升值為50.0 m。由于改造后機組的GD2為495 t. m2，已包括考慮發(fā)電機和水輪機轉動慣量的總和，受改造尺寸和電磁方案的限制，機組GD2沒有增加的余地。

5 對電廠長期運行的技術要求

對上游校核洪水位，下游正常尾水位，最高水頭，超出力10%，4臺機突甩負荷，正常關閉工況進行蝸殼末端壓力上升與同時甩負荷機組臺數(shù)進行分析，如圖4所示。

此時對應的機組轉速上升關系如圖5。

圖4

圖5

對額定水頭27 m，下游最低尾水位，額定出力，4臺機突甩負荷，正常關閉工況進行機組轉速上升與同時甩負荷機組臺數(shù)進行分析，如下頁圖6所示。

4臺機同時甩負荷時，機組最高轉速達到了額定轉速的170.8%。為了防止機組甩負荷對機組的破壞作用，應盡量避免4臺機組在額定出力時同時甩負荷。

圖6

6 結語

根據(jù)推薦的導葉關閉規(guī)律，機組最高轉速達到了額定轉速的170.8%，超出設計規(guī)范要求。由于該電站裝機容量占本地區(qū)總裝機容量的3.4%，占比很小且無調頻任務。在電站關機流程中，將二級電氣過速動作值，設定為145%nr，在停機的同時，關閉水輪機進水閥。純機械過速保護動作值設定為150%nr，在電氣停機系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由純機械過速保護裝置油壓操作關閉導葉、關閉水輪機進水閥。國外最大轉速升高率保證值也有提高的趨勢，根據(jù)《水輪發(fā)電機基本技術條件》“水輪發(fā)電機和與其直接或間接連接的輔機，應能在飛逸轉速運轉5 min而不產生有害變形”的論述，設立多重保護，確保在甩負荷極端情況出現(xiàn)時，有效控制引水發(fā)電系統(tǒng)壓力上升和機組轉速上升。

該電站于2014年年底改造完成投入運行后，機組運行穩(wěn)定，關機正常。運行管理單位監(jiān)管有效，未出現(xiàn)4臺機同時甩負荷的現(xiàn)象，其它臺數(shù)機組甩負荷過程中，壓力和轉速上升值均未超出設計要求。

[1]孔昭年.水輪機控制系統(tǒng)的設計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

[2]克孜爾電廠引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程分析計算報告[R].

TV734

A

1672-5387（2017）04-0009-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.003

2016-11-18

劉利（1986-），男，工程師，從事水力機械設計工作。