克孜爾水電廠機(jī)組擴(kuò)容后調(diào)節(jié)保證復(fù)核計(jì)算

劉利

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

克孜爾水電廠機(jī)組擴(kuò)容后調(diào)節(jié)保證復(fù)核計(jì)算

劉利

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

克孜爾水電廠在運(yùn)行20年后，機(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重，在水工建筑物規(guī)模不變的前提下，對(duì)機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容，引水發(fā)電流量增加對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的水力過(guò)渡過(guò)程成為制約因素。本文通過(guò)調(diào)節(jié)保證計(jì)算，為本電站推薦最優(yōu)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，對(duì)工程的后續(xù)增容設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，希望對(duì)國(guó)內(nèi)此類(lèi)增效擴(kuò)容水電站設(shè)計(jì)提供一定的借鑒參考。

水電站；分段關(guān)閉；調(diào)節(jié)保證計(jì)算；機(jī)組擴(kuò)容

隨著我國(guó)水電站的開(kāi)發(fā)，80、90年代建設(shè)的一批中、小型水電站，目前面臨機(jī)電設(shè)備老化，效率大幅度降低的情況，由于設(shè)備廠家產(chǎn)品的更新?lián)Q代，備品備件已經(jīng)無(wú)法滿足要求。這一批水電站大多急需改造，以適應(yīng)電網(wǎng)要求以及更好的發(fā)揮水電清潔能源的優(yōu)勢(shì)作用。目前，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水輪發(fā)電機(jī)組效率提高以及其他諸多因素的影響，電站改造過(guò)程中為了能充分的利用水能資源，機(jī)組擴(kuò)容勢(shì)在必行。

1 概述

電廠為設(shè)在副壩后的水電站，原裝機(jī)容量為4×6.5 MW，單機(jī)流量30.4 m3/s，最大水頭為37.4 m，最小水頭20.4 m，設(shè)計(jì)水頭26.4 m。電廠運(yùn)行20年后，對(duì)電站進(jìn)行增效擴(kuò)容。擴(kuò)容方案：4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組每臺(tái)擴(kuò)容2 000 kW。擴(kuò)容后，裝機(jī)容量為4× 8.5 MW，單機(jī)流量37.2m3/s，最大水頭37m，最小水頭20.6 m，出力加權(quán)平均水頭27.2 m，額定水頭27.0 m。

水庫(kù)于1991年建成，于2006年完成除險(xiǎn)加固工作。除險(xiǎn)加固工作完成后，水庫(kù)仍保持原各項(xiàng)興利任務(wù)不變，水庫(kù)汛期運(yùn)行水位在實(shí)測(cè)壩前水位的基礎(chǔ)上增加2 m。電廠擴(kuò)容是在除險(xiǎn)加固基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用多余水量進(jìn)行發(fā)電，在不改變?cè)泄こ潭ㄎ坏幕A(chǔ)上，擴(kuò)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(yùn)行，必須對(duì)引水發(fā)電系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

電站壓力引水系統(tǒng)為一個(gè)壓力隧洞，洞徑7.0m，洞長(zhǎng)119.2 m，下分叉為2支壓力鋼管直徑為5.0 m，管長(zhǎng)為27 m，再分叉為2支壓力支管直徑3.4 m，管長(zhǎng)32 m。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

1）方程建立

采用特征線法編程計(jì)算，此程序計(jì)算水輪機(jī)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(xué)參數(shù)在斷面內(nèi)的差異，以該斷面參數(shù)的平均值來(lái)表征斷面的水力學(xué)特性；④不考慮水中含氣量變化對(duì)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(dòng)間的基本方程。

這些方程應(yīng)用于壓力鋼管中某一斷面時(shí)，此斷面由x座標(biāo)軸定位（由水流的反方向測(cè)定）。在時(shí)間t時(shí)，考慮到水流速度遠(yuǎn)小于波速，建立如下方程。

動(dòng)態(tài)方程：

質(zhì)量守恒方程：

管路內(nèi)流態(tài)假定為理想一元流動(dòng)，由于時(shí)間t和座標(biāo)x的連續(xù)性，上述兩式可變?yōu)橹牟▌?dòng)方程：

f1和f2是自變量“x+at”和“x-at”的任意函數(shù)。由此，沿著管線座標(biāo)軸分布的任意一點(diǎn)的壓力H和流量Q（在時(shí)刻為t時(shí)，位置為x）由上述兩式疊加求解可得。

2）數(shù)值求解

本過(guò)渡過(guò)程程序是采用逐步迭代的數(shù)值近似法將上述兩基本方程求解編制而成的。

以長(zhǎng)度△x=a△t為單位將壓力鋼管分段，各段兩端為節(jié)點(diǎn)。求解各節(jié)點(diǎn)處壓力H和流量Q。

在計(jì)算開(kāi)始時(shí)t=0，工況為穩(wěn)定工況，H和Q均為已知，因此函數(shù)f1和f2是確定的。

經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)△t后，根據(jù)下式，可求出此時(shí)各節(jié)點(diǎn)H和Q。

使用該程序需輸入包括引水管路系統(tǒng)參數(shù)、轉(zhuǎn)輪特性、甩負(fù)荷前穩(wěn)定運(yùn)行工況、蝸殼、尾水管流道等多組參數(shù)。

3）引水發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)化

根據(jù)引水發(fā)電系統(tǒng)布置圖，統(tǒng)計(jì)處理后，簡(jiǎn)化見(jiàn)圖1。

圖1

3 計(jì)算工況的選擇和結(jié)果

根據(jù)可能出現(xiàn)的各種組合工況，筆者共列出24種過(guò)渡工況，按照導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)各工況的逐一計(jì)算篩選，最終推薦最優(yōu)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為兩段關(guān)閉，導(dǎo)葉第一段的關(guān)閉時(shí)間為2.4 s(含調(diào)速器遲滯時(shí)間0.2 s)，導(dǎo)葉開(kāi)口由100%關(guān)至47%，導(dǎo)葉第二段的關(guān)閉時(shí)間為6.8 s，導(dǎo)葉開(kāi)口由47%至全關(guān)。

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(tái)機(jī)突甩負(fù)荷，正常關(guān)閉。蝸殼末端壓力值為54.0 m,此時(shí)最高轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的168.0%（見(jiàn)上頁(yè)圖2）。

（2）尾水管進(jìn)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(tái)機(jī)突甩負(fù)荷，正常關(guān)閉。尾水管進(jìn)口最小壓力為-5.8 m（見(jiàn)上頁(yè)圖2）。

（3）機(jī)組最高轉(zhuǎn)速發(fā)生在額定水頭27 m，下游最低尾水位，額定出力，4臺(tái)機(jī)突甩負(fù)荷，正常關(guān)閉。最高轉(zhuǎn)速為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的170.8%，超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)最高轉(zhuǎn)速不大于60%的要求（見(jiàn)圖3）。

圖3

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)真機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)渡過(guò)程的實(shí)測(cè)，在過(guò)渡過(guò)程中，蝸殼進(jìn)口處存在著高頻壓力脈動(dòng)；尾水管進(jìn)口由于水流旋轉(zhuǎn)，使其壓力分布極為不均。因此，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了修正。

4 機(jī)組GD2敏感性分析

根據(jù)業(yè)主對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的要求，對(duì)機(jī)組GD2作敏感性分析如下：

將機(jī)組GD2增加50 t.m2后，對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示,若水輪發(fā)電機(jī)組的GD2為545t.m2，最高轉(zhuǎn)速為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的167.0%，蝸殼末端壓力上升值為50.0 m。由于改造后機(jī)組的GD2為495 t. m2，已包括考慮發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和，受改造尺寸和電磁方案的限制，機(jī)組GD2沒(méi)有增加的余地。

5 對(duì)電廠長(zhǎng)期運(yùn)行的技術(shù)要求

對(duì)上游校核洪水位，下游正常尾水位，最高水頭，超出力10%，4臺(tái)機(jī)突甩負(fù)荷，正常關(guān)閉工況進(jìn)行蝸殼末端壓力上升與同時(shí)甩負(fù)荷機(jī)組臺(tái)數(shù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

此時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升關(guān)系如圖5。

圖4

圖5

對(duì)額定水頭27 m，下游最低尾水位，額定出力，4臺(tái)機(jī)突甩負(fù)荷，正常關(guān)閉工況進(jìn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速上升與同時(shí)甩負(fù)荷機(jī)組臺(tái)數(shù)進(jìn)行分析，如下頁(yè)圖6所示。

4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速的170.8%。為了防止機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)機(jī)組的破壞作用，應(yīng)盡量避免4臺(tái)機(jī)組在額定出力時(shí)同時(shí)甩負(fù)荷。

圖6

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)推薦的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，機(jī)組最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速的170.8%，超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由于該電站裝機(jī)容量占本地區(qū)總裝機(jī)容量的3.4%，占比很小且無(wú)調(diào)頻任務(wù)。在電站關(guān)機(jī)流程中，將二級(jí)電氣過(guò)速動(dòng)作值，設(shè)定為145%nr，在停機(jī)的同時(shí)，關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水閥。純機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值設(shè)定為150%nr，在電氣停機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置油壓操作關(guān)閉導(dǎo)葉、關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水閥。國(guó)外最大轉(zhuǎn)速升高率保證值也有提高的趨勢(shì)，根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》“水輪發(fā)電機(jī)和與其直接或間接連接的輔機(jī)，應(yīng)能在飛逸轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)5 min而不產(chǎn)生有害變形”的論述，設(shè)立多重保護(hù)，確保在甩負(fù)荷極端情況出現(xiàn)時(shí)，有效控制引水發(fā)電系統(tǒng)壓力上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。

該電站于2014年年底改造完成投入運(yùn)行后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，關(guān)機(jī)正常。運(yùn)行管理單位監(jiān)管有效，未出現(xiàn)4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷的現(xiàn)象，其它臺(tái)數(shù)機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中，壓力和轉(zhuǎn)速上升值均未超出設(shè)計(jì)要求。

[1]孔昭年.水輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].武漢：長(zhǎng)江出版社，2012.

[2]克孜爾電廠引水發(fā)電系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算報(bào)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(jī)械設(shè)計(jì)工作。