吉林台二级水电站过渡过程分析研究

朱烨华

(新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000)

吉林台二级水电站总装机50MW，装机2台，单机容量25MW。引水发电系统由进口引渠段、闸井段、洞身段、调压井段、高压管道段、出口段组成，采用一洞两机联合供水的布置型式。整个引水系统总长1.72km，其中引水隧洞段长1.51km，纵坡i=1/377.5。考虑到长隧洞、中等水头、水电站在系统中基荷运行，为了保证供电周波稳定及降低高压管道中的水击压力，在引水隧洞末端设置了阻抗式调压井。

考虑电站引水发电系统长度较大，且设有调压室，为保证电站的安全、稳定运行，节约工程投资，需对整个引水发电系统进行水力过渡过程计算，以获得最优的引水发电系统洞径、调压室尺寸和水轮发电机组的调节保证参数。

1 计算资料

1.1 基本参数

水电站基本设计参数见表1。

表1 水电站和机组主要参数

续表

1.2 引水发电系统

吉林台二级水电站引水发电系统布置简图见图1。输水管道编号及参数见表2。

图1 吉林台二级水电站引水发电系统简图

表2 输水管道编号及参数

2 计算主要采用的数学模型

吉林台二级水电站水力过渡过程计算与分析涉及:

(1)任意管道水流运动基本方程。

(2)上游、下游水库端边界条件。

(3)调压室边界条件。

(4)转轮边界条件。

(5)多机系统流体网络初值计算。

(6)调速器方程。

3 计算采用的工况

3.1 计算工况选取原则

计算工况的选择主要原则是:

(1)水电站在过渡过程计算中可能出现的最大压力、最小压力和最大转速的工况。

(2)在过渡过程计算中可能出现的上游、下游及调压井涌浪极值工况。

(3)在过渡过程计算中可能出现的引水系统内压极值工况。

(4)小波动的工况。(5)水力干扰的工况。

3.2 计算工况的选取

根据表3所列原则，确定对表3及表4所列工况进行计算。

4 计算结果

4.1 上游调压室体型尺寸优化

本水电站设置的上游调压室为阻抗式调压井，其主要体型参数包括:阻抗孔 (连接管)面积 (或直径)、调压井面积及其顶板、底板高程。其中阻抗孔 (连接管)面积决定上游调压室反射水锤波的性能，并和调压井面积共同决定上游调压室最低水位、最高水位和工程量，因此，这两个参数的合理取值是至关重要的。

表3 计算工况及其说明

续表

表4 组合工况及其说明

在机组关闭规律按15s一段直线关闭，GD2按2500t·m2的前提下，经对表3和表4所列工况进行计算，得出如下结论:

(1)加大调压室面积可在一定程度上改善上游系统的最小压力及调压室的最低涌浪;在调压井直径给定情况下，随着阻抗孔尺寸的逐渐加大，调压室最低涌浪降低及底部最小压力均逐渐加大。阻抗孔口较小时，调压室最低涌浪为机组增负荷时水位波动下降的第一幅值;阻抗孔口较大时，调压室最低涌浪为机组全甩负荷后水位波动的第二幅值。

(2)加大调压室面积可在一定程度改善上游系统的最大压力，降低了上游调压室的最高涌浪，在调压井面积给定情况下，随着阻抗孔口尺寸的逐渐加大，调压室最高涌浪逐渐加大，蜗壳末端最大压力逐渐减小。

(3)根据相关计算结果，对于吉林台二级水电站输水系统的上游调压室具体尺寸拟定:调压井底板高程 (阻抗孔口顶部高程)为1266.00m;阻抗孔口直径D为6.0m;调压井直径为23.0m;调压井顶部高程取1295.00m，调压井高度为29m。

4.2 导叶关闭规律优化

对于本电站，由于尾水道很短，尾水管进口最小压力很容易满足计算要求，而引水道相对较长，蜗壳末端最大压力较难满足要求。而蜗壳末端最大压力受水锤压力与调压室涌浪压力两方面控制，前者系水体弹性引起，发生时间较早，后者系引水道水体惯性引起，发生时间在调压室涌浪最高时刻，取决于调压室涌浪的周期，相对较晚，通常关闭规律的改变对于水锤压力会起到良好效果，但对改善调压室涌浪压力效果甚微。

由于导叶关闭规律对引水系统的水锤压力与机组转速上升率的大小影响较大，它决定于调速系统特性，而且在一定范围内是可调的，采用合理的关闭规律降低水锤压力与限制机组转速升高，不需要额外增加电站机组投资，是一种经济有效的措施。但导叶关闭规律优化存在一定的不确定性，对于分段折线关闭规律由于优化参数较多影响尤为明显。同时导叶关闭规律受调速系统本身性能影响，实际运行时接力器行程的折点位置不可能与调保计算结果完全一致，如果折点位置偏差较大，再加上引水系统与机组本身存在的某些不确定的时变因素，都可能使原优化得到的关闭规律偏离优化目标，给电站安全运行带来隐患。

为此，对一段直线关闭规律与两段折线关闭规律均进行了研究。计算前提为:GD2取2500t·m2;上游调压室型式为阻抗式，调压室的底板高程(阻抗孔口顶部高程)取1266.00m，调压室直径取23.0m，阻抗孔口直径取6.0m。

经对表3和表4所列工况进行计算，得出如下结论:

(1)较优的一段直线关闭规律时间为15s。此时调压室最高涌浪为1293.7m，蜗壳末端最大压力为63.4m，最大转速升高率为52%，均有一定的安全裕量。

(2)采用12～20s(折点0.5)的两段折线关闭规律，蜗壳末端最大压力及转速上升率均较15s一段直线关闭规律有一定改善。此时调压室最高涌浪为1293.7m，蜗壳末端最大压力为62.7m，最大转速升高率为49%。

4.3 机组转动惯量敏感性分析

为了比较分析机组GD2值改变对输水系统及机组有关设计参数的影响关系，并为机组GD2值的选取提供依据，对机组GD2取不同数值进行过渡过程比较计算。

在计算过程中，GD2的变化范围为1750～3250t·m2，即为基本资料给定的GD2取值2500t·m2的0.7～1.3倍，以便考察分析GD2值在较大范围内改变时对有关设计参数值的影响关系。机组关闭时间考虑15s一段直线关闭规律及12～20s(折点0.5)的两段折线关闭规律，即当开度大于0.5时采用斜率为1/12的直线关闭规律关闭导叶，开度小于0.5时采用斜率为1/20的直线关闭规律关闭导叶。

经对表3和表4所列工况进行计算，得出如下结论:

(1)通常情况下，机组GD2值增大，对于水电站水力—机械系统过渡过程是有利的。对于常规高比速混流式的水电机组，如果关机规律不变，流量变化主要源于导叶开度变化，转速变化对其影响很小，故机组GD2值增大主要体现在βmax的减小，对压力控制值影响不大。

(2)对于15s一段直线关闭，机组GD2值减小20%～30%时机组最大转速上升率在57%～60%之间，机组GD2值减少10%以内时机组最大转速上升率在50% ～54%之间，机组GD2值增加10%及以上时机组最大转速上升率可控制在50%以内;对于12～20s(折点0.5)的两段折线关闭规律，机组GD2值减小20% ～30%时机组最大转速上升率在54% ～57%之间，机组GD2值减小10% ～20%时机组最大转速上升率在51%～54%之间，机组GD2值不小于2500t·m2时机组最大转速上升率可控制在50%以内。

(3)增加机组GD2值虽可以减小甩负荷后转速的上升，但机组GD2值增大，相应的工程投资将加大。由导叶关闭规律优化的计算结果可知机组GD2值取25010.7kN·m2时，调保参数均能满足要求，并有一定的安全裕量，故对于吉林台二级水电站，建议机组GD2值取2500t·m2，如果实际GD2大于2500t·m2，理论上将更安全。

4.4 输水系统及机组大波动过渡过程计算分析

为了确定有关设计参数的控制值及其过渡过程本身变化规律，经对表3和表4所列工况进行计算，其中:机组的GD2取25010.7kN·m2，机组开启规律采用30s一段直线开启规律;机组关闭规律采用了两种关闭规律:①15s一段直线关闭规律;②两段折线关闭规律，即当开度大于0.5时采用斜率为1/12的直线关闭规律关闭导叶，开度小于0.5时采用斜率为1/20的直线关闭规律关闭导叶。计算结论如下:

(1)大波动过渡过程计算结果均能满足设计要求，并存在一定的安全裕量。一段直线关闭规律与两段折线关闭规律的压力变化计算结果相差不大，主要差别体现在机组最大转速变化上。

(2)上游调压室结构尺寸采用调压室体型优化的计算结果，最高、最低涌浪均满足规范要求。

4.5 水力—机械系统小波动稳定性分析及水力干扰计算

4.5.1 小波动稳定性分析

在进行水力—机械系统小波动稳定性分析时，采用刚性水锤假定，并认为负荷扰动及上游、下游水位扰动均是微小量，并对其进行线性化处理。为偏于安全，假定本水电站单独运行，即不考虑电力系统的影响。

由于水电站水力—机械系统的小波动稳定性与水轮机的水头损失系数、工作水头有关，水头损失系数越小、工作水头越小，稳定性越差。同时，在考虑水轮机机组及调速器的特性后，系统小波动稳定性也与机组稳定运行工况点的特性参数有关。因此，针对输水系统水头损失系数最小同时最小水头满出力运行工况以及接近空载运行工况分别对应两种型式 (PI型、PID型)调速器的参数整定值(按Stein估算公式整定)进行系统小波动稳定性计算比较分析，其结论如下:

(1)从调压室水位波动来看，各工况调压室水位波动均在允许的范围内。

(2)从机组转速变化来看，所有工况均能进入±0.4%带宽，水电站调节品质良好，其中在最小水头接近于空载发电工况下，系统稳定性较差。

4.5.2 水力干扰计算

对机组的水力干扰工况进行分析计算后得出如下结论:

(1)单机甩负荷时，采用直线关闭规律与采用两段折线关闭规律结果相差不大，主要差别在机组最大转速变化和蜗壳末端最大压力上，未甩机组由于水力干扰，最大轴力矩上升了21.4%，由于上游调压室的水位波动的影响，机组力矩衰减比较慢，800s后的摆动不到6%，满足相关规范要求。

(2)单机增负荷时，正常运行机组由于水力干扰，最小轴力矩下降了17.9%，由于上游调压室的水位波动的影响，机组力矩衰减比较慢，450s后的摆动不到7%，满足相关规范要求。

(3)对于吉林台二级电站，在开度较大情况下，机组特性曲线较平缓，只要调速器参数在正常范围整定，系统的小波动过程总是稳定的。对于PI型、PID型调速器，当参数均按Stein估算公式整定时，在相同的计算工况下，采用PID型调速器的系统稳定性较好。但为了保证水力—机械系统的调节品质，使其具有良好的鲁棒性，缓冲时间常数Td不应小于6s，缓冲强度 (暂态转差率)不应小于0.6;接近空载出力时，缓冲时间常数Td不应小于10s，缓冲强度 (暂态转差率)不应小于0.6。

(4)关于本水电站的水力干扰计算，主要进行了单机甩负荷与单机启动的计算，调节模式根据水电站将来实际的运行情况，采用功率调节，相关计算结果表明，各种计算指标均能够满足要求，但计算中由于无法涉及压力脉动影响，尤其在一台机组甩负荷，转速上升最大时刻附近，实测的机组压力脉动将会比计算值稍大。

5 结语

通过大量计算，对于吉林台二级水电站，可得出如下结论:

(1)当采用一段直线关闭规律时，机组最短关闭时间为15s，正常工况下蜗壳末端最大压力为62.5m，有一定的安全裕量。

(2)当采用分段折线关闭规律 (12～20s，折点0.5)时，只要关闭规律的折点及相关斜率设计的合适，系统的调保参数可较直线关闭规律有一定的改善。

(3)大波动过渡过程计算结果均能满足设计要求，并存在一定的安全裕量。

(4)在开度较大情况下，机组特性曲线较平缓，只要调速器参数在正常范围整定，系统的小波动过程总是稳定的。

(5)加大调压室面积一定程度改善上游系统的最大压力，降低了上游调压室的最高涌浪，在调压井面积给定情况下，随着阻抗孔口尺寸的逐渐加大，调压室最高涌浪逐渐加大，蜗壳末端最大压力逐渐减小。

1 DL/T 5058—1996水电站调压室设计规范 ［S］

2 DL/T 5186—2004水力发电厂机电设计规范 ［S］

3 张建，朱烨华.吉林台二级水电站引水发电系统过渡过程分析专题报告［R］