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，備品備件已經無法滿足要求。這一批水電站大多急需改造，以適應電網要求以及更好的發(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不考慮水力學參數在斷面內的差異，以該斷面參數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。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）數值求解

本過渡過程程序是采用逐步迭代的數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f1和f2是確定的。

經過一個時間步長△t后，根據下式，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、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。

3）引水發(fā)電系統(tǒng)簡化

根據引水發(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

根據可能出現的各種組合工況，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《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4臺機同時甩負荷的現象，其它臺數機組甩負荷過程中，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。