馮小燕，周暄禮

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430000)

在電站運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)遇到增減負(fù)荷及各種事故、機(jī)組突然與系統(tǒng)解列等甩負(fù)荷工況[1-2]。較為嚴(yán)重的是甩負(fù)荷工況，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)葉，水輪機(jī)流量急劇變化，在水輪機(jī)壓力過水系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生水擊，此時(shí)產(chǎn)生的最大壓力上升和最大壓力下降對(duì)壓力過水系統(tǒng)是有影響的[1]，工程實(shí)踐中曾經(jīng)出現(xiàn)因甩負(fù)荷壓力上升太高導(dǎo)致壓力鋼管爆破的災(zāi)難性后果。因此，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該計(jì)算出上述過渡過程中最大轉(zhuǎn)速上升值和最大壓力上升值[1]，保證計(jì)算值不超過調(diào)節(jié)保證的標(biāo)準(zhǔn)值，以此保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 水電站引水系統(tǒng)概述及機(jī)組資料

該水電站引水系統(tǒng)采用1洞3機(jī)布置型式，總引水流量44.38 m3/s，整個(gè)引水系統(tǒng)總長(zhǎng)約441.0 m，進(jìn)口引渠段總長(zhǎng)10.8 m，后經(jīng)進(jìn)水口段(23.1 m)接入引水發(fā)電洞，引水發(fā)電洞由引水隧洞(上平洞段)、壓力鋼管段及岔管段等組成。引水隧洞全長(zhǎng)232.0 m，隧洞內(nèi)徑4.5 m。壓力鋼管段長(zhǎng)155 m，內(nèi)徑4.2 m，三根岔管分別為直徑2.3、2.3、1.4 m的壓力鋼管，岔管采用非對(duì)稱卜形布置接至廠房前，與水輪機(jī)進(jìn)水閥相連，支管垂直廠房縱軸線。

電站基本參數(shù)如表1所示。

表1 電站基本參數(shù)表

2 調(diào)保計(jì)算

2.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

SL511-2011《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》2.4.4、2.4.5、2.4.8中對(duì)于蝸殼壓力上升、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升、尾水管最大真空度、輸水系統(tǒng)全線最小壓力計(jì)算控制值有以下規(guī)定：

當(dāng)額定水頭為40～100 m時(shí)，機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率保證值宜為50%～30%。

當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作容量的比重不大，或不擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，轉(zhuǎn)速上升率宜小于60%。

甩負(fù)荷時(shí)，尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度保證值不應(yīng)大于(0.08-E/90000)MPa(E為水輪機(jī)安裝高程，單位為m)。

當(dāng)機(jī)組突增或突減負(fù)荷時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力應(yīng)不低于0.02 MPa，不得出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象。

結(jié)合本電站的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)采用下列水力過渡過程計(jì)算控制值：

1)取機(jī)組蝸殼允許最大壓力升高相對(duì)值ξ≤50%，即蝸殼允許最大壓力Hmax≤82 m。其中Hmax=H0+H1。H0為過渡過程發(fā)生前的最大壓力基礎(chǔ)值，等于導(dǎo)葉前最大靜壓，為56.5 m；H1為允許升高的最大壓力，H1=ξ×Hr=25.50 m；

2)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率βmax≤60%；

3)尾水管進(jìn)口最小壓力≥-6.79 m；

4)壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不應(yīng)低于2 m水柱。

2.2 計(jì)算工況

工況A：上游水位1 139.00 m，三臺(tái)機(jī)組額定出力運(yùn)行時(shí)同時(shí)甩負(fù)荷(轉(zhuǎn)速升高控制工況)；

工況B：上游水位1 141.00 m，三臺(tái)機(jī)組額定出力運(yùn)行時(shí)同時(shí)甩負(fù)荷(壓力升高控制工況)；

工況C：上游水位1 132.00 m，三臺(tái)機(jī)組90%出力運(yùn)行時(shí)同時(shí)甩負(fù)荷(負(fù)壓控制工況)；

工況D：上游水位1 132.00 m，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)組空載增至滿負(fù)荷運(yùn)行(負(fù)壓控制工況)；

工況E：?jiǎn)闻_(tái)大機(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)，突甩負(fù)荷(大機(jī)尾水管最小壓力控制工況)；

工況F：?jiǎn)闻_(tái)小機(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)，突甩負(fù)荷(小機(jī)尾水管最小壓力控制工況)。

各工況描述見表2。

表2 過渡過程各工況一覽表

2.3 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)處理

計(jì)算采用特征線方法[3-4]，補(bǔ)全HLA551C全特性后并離散處理，最終所得流量、力矩特性結(jié)果見圖1。

圖1 HLA551C流量、力矩特性曲線圖

2.4 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及時(shí)間確定

通過對(duì)不同導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行比較優(yōu)化分析計(jì)算，初步選定最優(yōu)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為直線關(guān)閉規(guī)律，最優(yōu)的有效導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間大機(jī)取7 s，小機(jī)取8 s。

2.5 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)優(yōu)化選定的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及關(guān)閉時(shí)間，對(duì)各個(gè)計(jì)算工況進(jìn)行了分析計(jì)算，各工況計(jì)算結(jié)果極限值見表3所示。

表3 過渡過程各工況計(jì)算結(jié)果表

常規(guī)工況下，過渡過程計(jì)算具體極限值發(fā)生情況如下：

1)蝸殼最大壓力發(fā)生在工況B，最大值為72.4 m(1號(hào)機(jī))，小于控制值為81.5 m；

2)最大轉(zhuǎn)速上升率發(fā)生在工況A，最大值為55.66%(1號(hào)機(jī))，小于控制值為60.00%；

3)尾水管進(jìn)口最小壓力發(fā)生在工況F，最小值為-6.70 m(3號(hào)機(jī))，大于控制值為-6.79 m；

4)輸水沿線最小壓力發(fā)生在工況C，最小值為2.73 m，大于控制值為2.00 m。

由各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果可以看出，各項(xiàng)調(diào)節(jié)保證參數(shù)均未超出計(jì)算控制值。

3 結(jié) 語

雖然調(diào)保計(jì)算各項(xiàng)結(jié)果均未超出控制值，但隧洞上平段末端最小壓力和尾水管進(jìn)口最小壓力均逼近臨界值。由于特征線法的限制，尾水管當(dāng)量化沒有精確到一定程度，所以尾水管壓力的計(jì)算值不及隧洞壓力及轉(zhuǎn)速上升計(jì)算得精準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過程中，可以采取降低機(jī)組安裝高程的措施來改善過渡過程的各項(xiàng)指標(biāo)，保證機(jī)組后期投入運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。