吳昌春

（黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 鄭州 450000）

0 工程概況

小浪底北岸灌溉洞工程位于小浪底水利樞紐左岸進(jìn)水塔群與西溝水庫之間，地處河南省濟(jì)源市境內(nèi)，是小浪底水利樞紐的主要組成部分，采用重力有壓自流方式為北岸灌區(qū)供水和向西溝水庫供水及發(fā)電，引水條件和方式由小浪底水庫的運(yùn)用方式和進(jìn)水塔總體布置決定，在灌區(qū)和西溝電站同時(shí)引水時(shí)，優(yōu)先滿足灌區(qū)的引水要求。

1 基本參數(shù)

1.1 水輪發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)

1.1.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

電站安裝2臺(tái)立式混流式水輪機(jī)，水頭運(yùn)行范圍在64.2～116.5 m之間。西溝電站的水輪機(jī)綜合特性曲線圖參見圖1，水輪機(jī)基本參數(shù)參見表1。

表1 水輪機(jī)基本參數(shù)

1.1.2 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)為立軸懸式空冷發(fā)電機(jī)，其基本參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1.1.3 調(diào)速器基本參數(shù)

每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一臺(tái)具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的微機(jī)控制電液調(diào)速器。調(diào)速閥參數(shù)參見表3。

表3 調(diào)速閥基本參數(shù)

1.1.4 調(diào)壓閥基本參數(shù)

每臺(tái)機(jī)組蝸殼120°處安裝一臺(tái)臥式液壓操作調(diào)壓閥，通流直徑600 mm。調(diào)壓閥基本參數(shù)參建表4。

表4 調(diào)壓閥基本參數(shù)

1.2 北岸灌溉工程基本參數(shù)

1.2.1 上游水庫水位、進(jìn)出水口水位及布置高程參見表5。

表5 水庫、進(jìn)出水口水位及布置高程

1.2.2 調(diào)流調(diào)壓閥門的主要參數(shù)

調(diào)流調(diào)壓閥門運(yùn)行應(yīng)保證在小浪底水庫為最低水位230 m時(shí)，仍能下泄約30.0 m3/s流量。為保證灌溉流量，灌溉隧洞末端設(shè)置2套并聯(lián)安裝的調(diào)流調(diào)壓閥門。調(diào)流調(diào)壓閥門采用水下淹沒出流。

2 電站調(diào)速穩(wěn)定性分析判據(jù)及大波動(dòng)分析控制條件

調(diào)速穩(wěn)定性也稱為小波動(dòng)穩(wěn)定性。調(diào)速系統(tǒng)時(shí)間域穩(wěn)定品質(zhì)通過表6來分析。

表6 調(diào)速器穩(wěn)定性參數(shù)

2.1 時(shí)間域調(diào)節(jié)穩(wěn)定品質(zhì)分析判據(jù)

調(diào)節(jié)時(shí)間定義：從機(jī)組轉(zhuǎn)速因受擾開始偏離給定值開始，到機(jī)組動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速進(jìn)入轉(zhuǎn)速偏差殘留小于最大相對偏差的±2%為止所經(jīng)歷的時(shí)間。在空載條件下壓力管道流量很小時(shí)，由于水擊波衰減很慢將對調(diào)速過程產(chǎn)生不利影響， 轉(zhuǎn)速偏差殘留波動(dòng)可適當(dāng)放寬，例如±5%。

2.2 最大轉(zhuǎn)速偏差率定義

最大轉(zhuǎn)速偏差率=最大相對轉(zhuǎn)速偏差/相對負(fù)荷變化量

3 灌溉引水對西溝電站正常發(fā)電運(yùn)行的影響

3.1 計(jì)算分析前提條件

分析只涉及灌區(qū)通過調(diào)流調(diào)壓閥引水灌溉時(shí)對西溝電站正常發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。而對于西溝電站在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，主要有以下兩點(diǎn):

（1）西溝電站為“井閥并用方案”，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)Tw=6.20 s，Ta=4.36 s（相應(yīng)于GD2=66 t·m2），Tw/Ta=1.42，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值0.4。

（2）研究西溝電站機(jī)組并網(wǎng)前或脫網(wǎng)后的空載運(yùn)行穩(wěn)定性，在空載條件下，調(diào)壓井的穩(wěn)定斷面比孤網(wǎng)帶負(fù)荷時(shí)要小得多。

3.2 灌溉流量對西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速穩(wěn)定性的影響

3.2.1 高水頭工況X1計(jì)算分析

X1共定義了3個(gè)子工況,對應(yīng)不同的灌區(qū)灌溉流量，都是水輪發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷擾動(dòng)之后進(jìn)入了空載運(yùn)行條件，見表7。

高水頭工況X1計(jì)算如下：

（1）Tw/Ta=1.42，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值0.4。由于西溝電站調(diào)壓井不滿足托馬穩(wěn)定條件，在孤網(wǎng)帶負(fù)荷條件下要求水輪發(fā)電機(jī)組滿足小波動(dòng)穩(wěn)定要求是不切實(shí)際的。

表7 髙水頭X1工況計(jì)算分析

（2）在高水頭條件下，西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的空載調(diào)速穩(wěn)定性幾乎完全不受灌溉流量的影響。

圖2 X1a工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖3 X1b工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖4 X1c工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

3.2.2 低水頭工況X2計(jì)算分析

上游水位250 m是西溝電站兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電允許的最低上游水位。對應(yīng)不同的灌區(qū)流量，X2也定義了3個(gè)子工況。計(jì)算分析詳見表8。

表8 低水頭X2工況計(jì)算分析

低水頭工況X2的計(jì)算結(jié)論如下:

（1）在上游250 m水位（西溝電站2臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電最低上游水位）條件下，西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速穩(wěn)定性受灌溉流量的影響明顯,灌溉流量越大,西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速穩(wěn)定性就越好。

（2）當(dāng)灌溉流量為零時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速穩(wěn)定性不好，主要反映在調(diào)節(jié)過程50 s之后仍有小幅轉(zhuǎn)速波動(dòng)，而且該波動(dòng)收斂很慢。波動(dòng)周期與調(diào)壓井波動(dòng)周期相同，不穩(wěn)定性是由調(diào)壓井的穩(wěn)定性不好所致。

（3）在上游250 m水位條件下，2臺(tái)灌溉調(diào)流調(diào)壓閥的過流能力略顯不足(未達(dá)到灌區(qū)設(shè)計(jì)流量30 m3/s)。

圖5 X2a工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖6 X2b工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖7 X2c工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

3.2.3 灌溉調(diào)流調(diào)壓閥的開啟和關(guān)閉對西溝電站運(yùn)行的水力干擾

西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性在大電網(wǎng)運(yùn)行的假定條件下的轉(zhuǎn)速/頻率穩(wěn)定性是不會(huì)存在問題的，除非這個(gè)電網(wǎng)本身就存在不穩(wěn)定問題。灌溉調(diào)流調(diào)壓閥對西溝電站的水力干擾主要反映在壓力波動(dòng)導(dǎo)致西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)上。

3.2.4 灌溉調(diào)流調(diào)壓閥的開啟工況GR1計(jì)算分析

受水力干擾的水輪發(fā)電機(jī)組水頭越低，受干擾的程度就越嚴(yán)重。低水頭條件下的水力干擾GR1共定義了3個(gè)子工況, 對應(yīng)了不同的灌溉調(diào)流調(diào)壓閥開啟時(shí)間和動(dòng)作閥門臺(tái)數(shù)。西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組并大電網(wǎng)作有差調(diào)頻運(yùn)行。計(jì)算分析詳見表9。

表9 GR1工況計(jì)算分析

GR1工況的計(jì)算結(jié)論如下：

（1）灌溉調(diào)流調(diào)壓閥雙閥同時(shí)開啟會(huì)造成較大的瞬態(tài)壓力下降，從而引起西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組較大的出力下降。將閥門開啟時(shí)間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝水輪發(fā)電機(jī)組水頭與出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（2）與灌溉調(diào)流調(diào)壓閥雙閥同時(shí)開啟相比，單閥開啟所造成的西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組水頭和出力下降要低得多，如果把開啟時(shí)間設(shè)在60 s或者60 s以上，灌溉調(diào)流調(diào)壓閥開啟對西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組所造成的水力干擾程度可以接受。

（3）GR1a工況造成的調(diào)壓井最低涌浪水位為236 m, 調(diào)壓井水位不會(huì)拉空，GR1b和GR1c工況就更安全。

圖8 GR1a工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖9 GR1b工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖10 GR1c工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

3.2.5 灌溉調(diào)流調(diào)壓閥的關(guān)閉工況GR2計(jì)算分析

對應(yīng)了不同的灌溉閥門關(guān)閉時(shí)間和動(dòng)作閥門臺(tái)數(shù)，GR2共定義了3個(gè)子工況。GR2計(jì)算分析詳見表10。

表10 GR2工況計(jì)算分析

圖11 GR1a工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖12 GR1b工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

圖13 GR1c工況下西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組小波動(dòng)仿真計(jì)算波形圖

GR2工況的計(jì)算結(jié)論如下：

（1）灌溉調(diào)流調(diào)壓閥雙閥同時(shí)關(guān)閉會(huì)造成引水隧洞較大的瞬態(tài)壓力上升，從而引起西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組較大的出力上升，機(jī)組超出力可超過30%。將調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站機(jī)水輪發(fā)電組水頭與出力上升的程度, 但機(jī)組短時(shí)超出力仍可超過23%。

（2）與雙閥同時(shí)關(guān)閉相比,單閥關(guān)閥所造成的西溝電站機(jī)組水頭和出力上升要低得多，如果把調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)間設(shè)在60 s或者60 s以上，調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閉對西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組所造成的短時(shí)出力上升理論上可控制在11%以內(nèi)，是可以接受的。

4 結(jié)論

（1）在上游275 m水位（高水頭）條件下，西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的空載調(diào)速穩(wěn)定性幾乎完全不受灌溉引水流量的影響。

（2）在上游250 m水位條件下（西溝電站2臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電最低上游水位要求），西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速穩(wěn)定性受灌溉引水流量的影響明顯，而且影響是正面的, 灌溉流量越大, 西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速穩(wěn)定性就越好。

（3）灌溉閥雙閥同時(shí)開啟會(huì)造成引水隧洞中較大的瞬態(tài)壓力下降，從而引起西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組較大的出力下降。將灌溉閥門開啟時(shí)間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組水頭與出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（4）與雙閥同時(shí)開啟相比，單閥開啟所造成的西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組水頭和出力下降要低得多，如果把開啟時(shí)間設(shè)在60 s或者60 s以上，灌溉閥門開啟對西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組所造成的水力干擾程度應(yīng)該說是可以接受的。

（5）在上游水位250 m條件下，灌溉閥雙閥同時(shí)開啟造成的調(diào)壓井最低涌浪水位為236 m, 不出現(xiàn)調(diào)壓井拉空問題。

（6）灌溉閥雙閥同時(shí)關(guān)閉會(huì)造成引水隧洞中較大的瞬態(tài)壓力上升，從而引起西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組較大的出力上升，機(jī)組超出力可超過30%。將灌溉閥門關(guān)閉時(shí)間從30 s增加到60 s能明顯減小西溝電站機(jī)組水頭與出力上升的程度, 但機(jī)組短時(shí)超出力仍可超過23%。

（7）與灌溉閥門雙閥同時(shí)關(guān)閉相比，單閥關(guān)閥所造成的水頭和出力上升要低得多，如果把開啟時(shí)間設(shè)在60 s或者60 s以上，灌溉閥門關(guān)閉對西溝電站水輪發(fā)電機(jī)組所造成的短時(shí)出力上升可控制在11%以內(nèi)，是可以接受的。