熊曉明，王 頂

（(1.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院，南寧 530003；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，南寧 530009）

1 工程概況

菲律賓Liangan 水電站位于菲律賓南部棉蘭老島西北部北拉瑙省的Liangan 河上，電站壩址距巴科洛德市區(qū)約7 km，距伊利甘市約32 km，距卡加廷德奧羅市約126 km。水電站的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電和灌溉，并兼顧下游減水河段生態(tài)環(huán)境用水要求。

菲律賓Liangan水電站為地面引水式廠房，布置于Liangan河右岸，一期裝機(jī)容量11.9 MW，安裝2臺(tái)單機(jī)容量5.95 MW 混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)引用流量為11.18 m3/s。后期計(jì)劃擴(kuò)容至18 MW，設(shè)計(jì)引用流量為16.92 m3/s。引水系統(tǒng)按18 MW裝機(jī)容量進(jìn)行設(shè)計(jì)。引水系統(tǒng)分布于右岸，主要由進(jìn)水口、壓力涵管、調(diào)壓塔（井）、壓力管道段等組成，壓力管段由豎井、下平段及支管組成。調(diào)壓井前后的引水管道直徑分別為2.9 m和2.4 m，長(zhǎng)度分別為1114 m和186 m。然后分岔引至3臺(tái)機(jī)組，分岔管直徑為1.2 m。

2 基本參數(shù)

電站基本參數(shù)見表1。

表1 電站基本參數(shù)

調(diào)節(jié)保證計(jì)算基本參數(shù)見表2。

表2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算基本參數(shù)

3 調(diào)節(jié)保證計(jì)算

3.1 調(diào)節(jié)保證計(jì)算模型

水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算主要分為兩種情況：一種是大波動(dòng)計(jì)算，一種是小波動(dòng)計(jì)算。大波動(dòng)計(jì)算的目的是經(jīng)機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算分析，優(yōu)化選擇導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，以使得蝸殼進(jìn)口水錘壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升值均能滿足設(shè)計(jì)要求并盡可能地小，同時(shí)根據(jù)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析，預(yù)測(cè)輸水系統(tǒng)沿線的最大、最小動(dòng)水壓力，確定調(diào)壓室以及閘門井的最高、最低涌波水位等[1]。小波動(dòng)計(jì)算的目的是通過(guò)調(diào)節(jié)保證計(jì)算來(lái)分析在水力-機(jī)械系統(tǒng)中出現(xiàn)小波動(dòng)時(shí)，在調(diào)速器和其他控制裝置的作用下，系統(tǒng)恢復(fù)到初始穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)或達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行的能力[2]。常用的水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法是特征線法[3]，即基于特征線法來(lái)考慮水體彈性的一種分析方法，下面簡(jiǎn)要介紹其計(jì)算模型。

對(duì)于管道中的瞬變流（一維不定常流動(dòng)），其連續(xù)方程[4～6]為：

相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：H 為沿程水頭；V 是平均速度；g 為重力加速度；f是達(dá)西-威斯巴哈摩擦系數(shù)；α為管道中心線與水平線的夾角；D為管道直徑；a是波速。

用特征線法可將上述方程轉(zhuǎn)為如下差分方程：

式中：

圖1 特征線x-t網(wǎng)格

由（3）、（4）得

式（3）～（8）是對(duì)單管問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，直接應(yīng)用的常用公式。管道串聯(lián)和分叉點(diǎn)瞬變計(jì)算按滿足壓力相等及流量連續(xù)條件處理。

3.2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算的基本資料

Liangan水電站引水系統(tǒng)總布置圖見圖2。

圖2 引水系統(tǒng)總布置圖

Liangan水電站調(diào)壓井的細(xì)部結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 調(diào)壓井細(xì)部圖

簡(jiǎn)化后的仿真計(jì)算模型見圖4。

圖4 仿真計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

3.3 兩種調(diào)節(jié)保證計(jì)算對(duì)比

3.3.1 計(jì)算軟件對(duì)比

為了確保水輪發(fā)電機(jī)組在極端工況下的運(yùn)行安全，供貨商和設(shè)計(jì)單位均進(jìn)行了調(diào)節(jié)保證計(jì)算。供貨商采用的是商業(yè)模擬軟件SIMSEN（3.1.1 版）。該軟件是由位于瑞士洛桑的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所開發(fā)，它可以模擬如明渠、壓力鋼管等引水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)單位采用的是河海大學(xué)的《水電廠水力-機(jī)械過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算通用軟件》進(jìn)行分析計(jì)算。該軟件可以模擬不同工況、不同機(jī)組類型、不同的引水系統(tǒng)下機(jī)組的過(guò)渡過(guò)程。

3.3.2 導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)比

供貨商采用的導(dǎo)葉開啟和關(guān)閉規(guī)律是開、關(guān)時(shí)間均設(shè)定為10 s，同時(shí)在導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，接力器設(shè)置5%的緩沖。具體規(guī)律見圖5。

圖5 供貨商導(dǎo)葉打開和關(guān)閉規(guī)律

設(shè)計(jì)單位采用導(dǎo)葉在6 s內(nèi)直線關(guān)閉的關(guān)閉規(guī)律。

3.3.3 調(diào)節(jié)保證計(jì)算工況對(duì)比

表3 供貨商調(diào)節(jié)保證計(jì)算工況

為了驗(yàn)證機(jī)組在不同組合工況下轉(zhuǎn)速上升、壓力上升是否符合規(guī)范要求，以及調(diào)壓井水位變幅是否與設(shè)計(jì)情況一致，供貨商與設(shè)計(jì)單位分別擬定了不同工況進(jìn)行計(jì)算，供貨商的計(jì)算工況見表3。

設(shè)計(jì)單位的計(jì)算工況如下：

工況一：在額定水頭120 m 工況下，3 臺(tái)機(jī)組帶額定負(fù)荷運(yùn)行，甩全負(fù)荷；

工況二：在高水頭121.97 m工況下，3臺(tái)機(jī)組帶額定負(fù)荷運(yùn)行，甩全負(fù)荷。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.1 調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果

供貨商通過(guò)計(jì)算各個(gè)組合工況，最終找到壓力上升和轉(zhuǎn)速上升、調(diào)壓井水位變動(dòng)的最不利工況，其代號(hào)是201、204、208 a、210和211，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 供貨商調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)單位計(jì)算成果（以2#機(jī)為例）見表5。

表5 設(shè)計(jì)單位調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果

4.2 最不利工況的過(guò)渡過(guò)程曲線圖

供貨商的3 個(gè)最不利工況下的過(guò)渡過(guò)程曲線圖，見圖6～圖8。

設(shè)計(jì)單位的事故甩負(fù)荷水力過(guò)渡過(guò)程曲線圖見圖9～圖10。

圖6 供貨商工況201過(guò)渡過(guò)程曲線

圖7 供貨商工況204過(guò)渡過(guò)程曲線

圖8 供貨商工況208 a過(guò)渡過(guò)程曲線

圖9 設(shè)計(jì)單位工況一（2#機(jī)）過(guò)渡過(guò)程曲線

圖10 設(shè)計(jì)單位工況二（2#機(jī)）過(guò)渡過(guò)程曲線

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)供貨商計(jì)算結(jié)果可知，在緊急關(guān)機(jī)的工況下（工況204），即發(fā)電機(jī)飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間TS′＝10 s 時(shí)，計(jì)算得最大轉(zhuǎn)速上升為1175 r/min，相應(yīng)轉(zhuǎn)速上升率為63.19%；最大蝸殼壓力為150.9 m，相應(yīng)的壓力上升率約15.37%，尾水管最大真空度為-3.31 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位計(jì)算結(jié)果可知，在發(fā)電機(jī)飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間TS′＝6 s 時(shí)，計(jì)算得最大頻率上升為89.61 Hz（即最大轉(zhuǎn)速為1 075.3 r/min），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速上升率為49.35%；最大蝸殼壓力為151.52 m，相應(yīng)的壓力上升率約21.88%。尾水管最大真空度為-4.22 m。

經(jīng)分析，盡管供貨商與設(shè)計(jì)單位的調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，但究其原因主要在于關(guān)閉規(guī)律不同，縮短關(guān)閉時(shí)間，則轉(zhuǎn)速上升下降而壓力上升增大，其趨勢(shì)符合過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的規(guī)律。因此，通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律即可使兩者的計(jì)算結(jié)果盡可能接近。

Liangan水電站機(jī)組為臥式混流式機(jī)組，水輪機(jī)額定水頭120 m，單機(jī)容量5.95 MW。根據(jù)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率保證值宜小于30%；最大轉(zhuǎn)速升高率保證值宜小于50%。尾水管真空度不超過(guò)-8 m。根據(jù)規(guī)范，設(shè)計(jì)單位的計(jì)算結(jié)果完全滿足規(guī)范要求。而供貨商的計(jì)算結(jié)果中僅壓力和尾水管真空度滿足要求，但是轉(zhuǎn)速上升超過(guò)了規(guī)范允許值。經(jīng)反復(fù)溝通，供貨商承諾其所供機(jī)組，包括發(fā)電機(jī)、軸承、轉(zhuǎn)子和所有其他相關(guān)部件在內(nèi)的設(shè)備設(shè)計(jì)都能夠承受這樣的速率上升及其產(chǎn)生的力能滿足最大轉(zhuǎn)速上升工況要求，且蝸殼的設(shè)計(jì)壓力不低于1.6 MPa，因而，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性是可以保證的。同時(shí)經(jīng)設(shè)計(jì)單位反復(fù)的驗(yàn)證計(jì)算，在供貨商確保機(jī)組飛輪力矩GD2在不小于200 kN·m2的前提下，最終確認(rèn)機(jī)組的各項(xiàng)性能參數(shù)及引水系統(tǒng)的參數(shù)均能滿足我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)調(diào)節(jié)保證計(jì)算的規(guī)定，確保機(jī)組在最不利工況下的運(yùn)行安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比機(jī)組國(guó)外供貨商和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的不同，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)更能嚴(yán)格的遵守規(guī)范要求，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有更大的裕度，而國(guó)外供貨商的設(shè)計(jì)顯然對(duì)機(jī)組的性能要求更高。這種差異主要在于國(guó)內(nèi)外規(guī)范要求不一致，考慮問(wèn)題的角度也有所不同。最終設(shè)計(jì)仍然以滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范為導(dǎo)向，計(jì)算選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律和合理的機(jī)組飛輪力矩，從而確保機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。