董志浩,吳佰杰

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川成都610039；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610072)

水電站技改增容的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)

董志浩1,吳佰杰2

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川成都610039；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610072)

調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)對水電站技改增容的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。為了確保調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的基本資料、工況參數(shù)及計(jì)算成果等與工程實(shí)際相符,提出了調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的技術(shù)路線,明確了大波動(dòng)、水力干擾、小波動(dòng)及敏感性分析等數(shù)值計(jì)算分析的主要內(nèi)容,并結(jié)合國內(nèi)工程進(jìn)行了計(jì)算分析與探討,可供類似工程的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)參考。

技改增容；調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)；水力過渡過程計(jì)算；水輪發(fā)電機(jī)組；水電站

0 引 言

水電站水輪發(fā)電機(jī)組在理想狀態(tài)下的可靠壽命一般為30～50年。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組接近其使用壽命,出現(xiàn)性能、可靠性和可利用率的明顯下降,或因遭受地震、泥石流、洪水等的破壞,或因上下游梯級(jí)電站的投產(chǎn)而使電站原有的運(yùn)行方式、水位、水頭和徑流等發(fā)生較大改變,出現(xiàn)諸多影響電站安全運(yùn)行或經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮的問題時(shí),及時(shí)對水電站進(jìn)行技改增容是勢在必行的。水電站技改增容普遍采用的基本思路是在不改變電站輸水系統(tǒng)、水輪機(jī)流道和發(fā)電機(jī)機(jī)坑的前提下,優(yōu)化機(jī)組參數(shù)和水力、結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì),使水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行更加安全穩(wěn)定,發(fā)揮出最大的綜合效益。為了確保水電站技改增容的安全性與經(jīng)濟(jì)性,在其可行性研究與實(shí)施過程中,采用水電站水力-機(jī)械過渡過程數(shù)值計(jì)算專用程序進(jìn)行調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)是必不可少的,也是工程竣工安全鑒定、質(zhì)量監(jiān)督的重要依據(jù)[1]。

1 調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

針對水電站技改增容的特點(diǎn),為確保其調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)所采用的基本資料、工況參數(shù)及設(shè)計(jì)成果與工程實(shí)際相符,采用如下技術(shù)路線：①依據(jù)竣工報(bào)告、圖紙等資料,確定輸水發(fā)電系統(tǒng)及水輪機(jī)流道的真實(shí)參數(shù),如流道各段的長度、斷面形狀尺寸和設(shè)計(jì)壓力,調(diào)壓室(若有)的斷面積、孔口形狀和面積、底板和平臺(tái)高程以及上、下游特征水位等。②明確技改增容后的機(jī)組主要參數(shù)及資料,如轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速、額定流量、額定出力、安裝高程、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、水輪機(jī)模型綜合特性曲線和飛逸曲線以及機(jī)組允許的最高轉(zhuǎn)速升高率、蝸殼末端最高水錘壓力和尾水管進(jìn)口最小壓力等。③計(jì)算流道參數(shù)如每段長度、斷面積和水頭損失系數(shù)等；優(yōu)選調(diào)速器參數(shù)。④依輸水發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置及參數(shù)選擇合適的水電站水力-機(jī)械過渡過程數(shù)值計(jì)算理論與方法并建立計(jì)算數(shù)學(xué)模型[2]。⑤合理確定電站技改增容后的調(diào)節(jié)保證計(jì)算控制值和計(jì)算內(nèi)容,優(yōu)化導(dǎo)葉啟閉規(guī)律,進(jìn)行調(diào)保計(jì)算。⑥依計(jì)算成果并參考類似工程,合理確定調(diào)保設(shè)計(jì)值。計(jì)算內(nèi)容要全面,包括大波動(dòng)(含設(shè)計(jì)和校核工況)、水力干擾和小波動(dòng)。對調(diào)壓室孔口流量系數(shù)和長輸水管道糙率做敏感性計(jì)算分析,以確保安全[1]。

2 實(shí) 例

四川某水電站共裝4臺(tái)單機(jī)容量60 MW的豎軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,其輸水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)水口，1條長約18 755.7 m、內(nèi)徑7.2～6.0 m的引水隧洞,1個(gè)井筒內(nèi)徑14.1 m的多室阻抗開敞式引水調(diào)壓室、2條長約511.1 m和500.8 m、內(nèi)徑4.2 m的壓力管道，4條長約29.2～35.4 m、內(nèi)徑2.8 m的壓力支管，4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組及其尾水管和出口組成一個(gè)水力單元。上游水庫校核洪水位2 568.30 m,正常蓄水位2 572.00 m,死水位2 565.00 m,具有日調(diào)節(jié)性能。下游校核洪水尾水位2 319.70 m,正常尾水位2 314.60 m,最低尾水位2 313.44 m。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min,額定流量30.55 m3/s,額定水頭220 m,轉(zhuǎn)輪直徑3.05 m,水輪機(jī)安裝高程2 309.00 m。電站4臺(tái)機(jī)組分別與4臺(tái)主變采用單元接線升壓至220 kV,出線以一回架空線與系統(tǒng)相連。電站上游銜接梯級(jí)是年調(diào)節(jié)水電站,投產(chǎn)后大大提高了河流的流量調(diào)節(jié)能力和水量利用率,提高了電站的水能資源利用程度。為了更利于梯級(jí)發(fā)電流量的匹配、充分發(fā)揮電站的潛力、增加發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益,有必要對機(jī)組增容改造。技改增容的目標(biāo)是通過僅改變額定流量至37.0 m3/s,將4臺(tái)機(jī)組的單機(jī)容量由60 MW增至72 MW。經(jīng)計(jì)算,電站4臺(tái)72 MW機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2取2 000 t·m2時(shí),額定工況的機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta=8.24 s、調(diào)壓室至1～4號(hào)機(jī)尾水管出口的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=1.48～1.52 s、Tw/Ta=0.179～0.184,滿足PID型調(diào)速器要求[3]。參考斯坦因建議公式,優(yōu)選的調(diào)速器主要參數(shù)為：加速時(shí)間常數(shù)Tn=0.8 s,緩沖時(shí)間常數(shù)Td=4.0 s,永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=0,暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt=0.25。

2.1 計(jì)算控制值

依電站已投運(yùn)的設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)規(guī)范[3-5],調(diào)節(jié)保證計(jì)算控制值為：

(1)大波動(dòng),機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率不超過50.0%,蝸殼末端最高壓力不超過332.0 m水柱,尾水管進(jìn)口最小壓力不低于-5.4 m水柱,壓力管道頂點(diǎn)最小壓力不低于2.0 m水柱；調(diào)壓室的最高涌波水位比其溢流頂高程2 613.50 m低1.0 m以上,最低涌波水位比其底板高程2 505.00 m高1.0 m以上。

(2)水力干擾,機(jī)組出力擺動(dòng)相對幅度不大于20.0%,且波動(dòng)應(yīng)是衰減的。

(3)小波動(dòng),機(jī)組最大轉(zhuǎn)速偏差相對值小于5.0%,超調(diào)量小于0.10,衰減度大于0.80,振蕩次數(shù)不超過2次,調(diào)節(jié)時(shí)間小于40.0 s。

2.2 計(jì)算內(nèi)容

(1)大波動(dòng)計(jì)算[1,4-5],分設(shè)計(jì)工況D1～D4和校核工況C1～ C3。即D1,額定水頭下4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷；D2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷；D3,上游死水位下游最低尾水位,1臺(tái)機(jī)甩額定負(fù)荷,其余3臺(tái)機(jī)停機(jī)；D4,上游死水位下游正常尾水位,1臺(tái)機(jī)由空載增至滿負(fù)荷,其余3臺(tái)機(jī)帶滿負(fù)荷運(yùn)行；C1,上游正常蓄水位下游正常尾水位,1臺(tái)機(jī)由空載增至額定負(fù)荷,在流入調(diào)壓室流量最大時(shí)4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷；C2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,2臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷,在調(diào)壓室水位最高時(shí)另2臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷；C3,上游死水位下游正常尾水位,4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩滿負(fù)荷,在流出調(diào)壓室流量最大時(shí)1臺(tái)機(jī)由空載增至滿負(fù)荷。

(2)水力干擾計(jì)算工況G1,以4臺(tái)機(jī)額定水頭、額定出力運(yùn)行時(shí)2臺(tái)機(jī)突同時(shí)甩全負(fù)荷作為計(jì)算控制工況,因?yàn)榇藭r(shí)甩負(fù)荷引起的水擊壓力和調(diào)壓室水位波動(dòng)最大,對運(yùn)行機(jī)組的出力擺度最不利。

(3)小波動(dòng)計(jì)算工況X1,電站額定水頭與最小水頭(218.8 m)接近,故以4臺(tái)機(jī)帶額定負(fù)荷運(yùn)行于孤網(wǎng)中,同時(shí)對4臺(tái)機(jī)施加10%減負(fù)荷擾動(dòng)作為計(jì)算控制工況。

2.3 計(jì)算與分析

采用特征線法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。經(jīng)優(yōu)化,導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為兩段關(guān)閉,第一段從全開到60%開度的直線關(guān)閉時(shí)間為2.8 s；第二段從60%開度到全關(guān)的直線關(guān)閉時(shí)間為8.4 s；導(dǎo)葉開啟規(guī)律為直線開啟,從全關(guān)到全開的時(shí)間為20 s。

(1)大波動(dòng),對管道糙率n分別取最小值(鋼襯0.011,混凝土0.012)、中值(鋼襯0.012,混凝土0.014)和最大值(鋼襯0.013,混凝土0.016)以及阻抗孔流量系數(shù)ψ分別取0.6、0.7、0.8做敏感性計(jì)算,見表1。

表1 大波動(dòng)及敏感性計(jì)算結(jié)果

由表1知：①管道糙率和阻抗孔流量系數(shù)對調(diào)壓室最低涌波和壓力管道壓力影響較大；②設(shè)計(jì)工況的計(jì)算結(jié)果均不超過計(jì)算控制值且有足夠的安全裕量；③校核工況除C3的調(diào)壓室最低涌波水位超出計(jì)算控制值外,其他計(jì)算結(jié)果均不超過。因此需對工況C3做出運(yùn)行限制,即在上游死水位附近4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷后,需間隔不少于360 s后才能將其中1臺(tái)機(jī)從空載開始增至滿負(fù)荷,以避免最不利疊加工況的發(fā)生,則表1中工況C3在管道糙率和流量系數(shù)分別取n=最小值,ψ=0.7；n=中值,ψ=0.7和n=中值,ψ=0.8時(shí),調(diào)壓室最低涌波水位分別為2 506.11、2 507.84、2 506.56 m,均比其底板高程2 505.00 m高1.0 m以上,滿足規(guī)范要求。

(2)水力干擾工況G1的計(jì)算結(jié)果為：運(yùn)行機(jī)組的出力最大擺動(dòng)相對幅度為17.85%,調(diào)壓室涌波水位的收斂趨勢明顯。表明本電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的水力干擾穩(wěn)定性較好。

(3)小波動(dòng)工況X1的計(jì)算結(jié)果為：機(jī)組轉(zhuǎn)速最大偏差為7.81 r/min,為額定轉(zhuǎn)速的2.34%,超調(diào)量0.093,衰減度0.90,振蕩次數(shù)1.5次,機(jī)組頻率進(jìn)入±0.2%穩(wěn)定帶寬的調(diào)節(jié)時(shí)間為34.2 s；調(diào)壓室涌波水位收斂較快。表明本電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的小波動(dòng)穩(wěn)定性較好,具有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.4 調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值的確定

依上述計(jì)算成果,考慮電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)受水力、機(jī)械、電氣、電網(wǎng)等諸多因素的影響,并參考類似電站,計(jì)算結(jié)果留適當(dāng)裕量,因此確定的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值同計(jì)算控制值；同時(shí)對工況C3做出運(yùn)行限制,以確保安全運(yùn)行。

3 結(jié) 語

截止2014年底,中國水電總裝機(jī)容量已突破3億kW,約占全球水電裝機(jī)總量的1/4[6]。隨著20世紀(jì)80年代投運(yùn)的眾多水輪發(fā)電機(jī)組陸續(xù)達(dá)到使用壽命,水電站技改增容工程將越來越多,為了確保工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性,對其調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)做全面深入的研究很有必要。筆者針對水電站技改增容調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及新的規(guī)范要求[1,5],提出了調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)的技術(shù)路線,并結(jié)合工程實(shí)例,探討了計(jì)算控制值、計(jì)算值和設(shè)計(jì)值之間的關(guān)系以及大波動(dòng)、水力干擾和小波動(dòng)計(jì)算工況的合理選取,特別是當(dāng)調(diào)保計(jì)算值不能滿足設(shè)計(jì)值時(shí),提出了明確可行的機(jī)組運(yùn)行限制措施。文中提出的技術(shù)路線是合理可行的,可供類似工程的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)參考。

[1]李修樹, 高瑜, 董笑波. 淺析水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電, 2014, 40(4): 58-60．

[2]沈祖詒. 水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M]. 3版. 北京： 中國水利水電出版社, 1998．

[3]GB/T 9652.1—2007水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件[S]．

[4]DL/T 5186—2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[5]NB/T 35021—2014水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[6]張蕾, 張梅. 中國水電的跨越式發(fā)展圖譜[J]. 中國投資, 2015(15): 92-93．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Design of Regulation Guarantee for the Rehabilitating and Upgrading of Hydropower Station

DONG Zhihao1, WU Baijie2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The design of regulation guarantee is very important in safety and economy for hydropower station rehabilitating and upgrading. In order to ensure the basic data, condition parameters and results of hydraulic transient calculation of the design of regulation guarantee being coincident with engineering actual situation, the technical route of the design of regulation guarantee is proposed and main contents of numerical calculations such as large fluctuation, hydraulic interference, small fluctuation and sensitivity analysis are defined. There are some analyses based on the results of numerical calculations of a domestic hydropower station, which can provide a reference for the design of regulation guarantee of similar engineering．

rehabilitating and upgrading; design of regulation guarantee; hydraulic transient calculation; hydraulic generator set; hydropower station

2016-09-30

董志浩(1996—),男,湖北咸寧人,研究方向?yàn)樗姽こ蹋?/p>

TM73

A

0559-9342(2017)02-0077-04