水电站技改增容的调节保证设计

董志浩,吴佰杰

(1.西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都610072)

水电站技改增容的调节保证设计

董志浩1,吴佰杰2

(1.西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都610072)

调节保证设计对水电站技改增容的安全性与经济性具有重要意义。为了确保调节保证设计的基本资料、工况参数及计算成果等与工程实际相符,提出了调节保证设计的技术路线,明确了大波动、水力干扰、小波动及敏感性分析等数值计算分析的主要内容,并结合国内工程进行了计算分析与探讨,可供类似工程的调节保证设计参考。

技改增容；调节保证设计；水力过渡过程计算；水轮发电机组；水电站

0 引 言

水电站水轮发电机组在理想状态下的可靠寿命一般为30～50年。当水轮发电机组接近其使用寿命,出现性能、可靠性和可利用率的明显下降,或因遭受地震、泥石流、洪水等的破坏,或因上下游梯级电站的投产而使电站原有的运行方式、水位、水头和径流等发生较大改变,出现诸多影响电站安全运行或经济效益发挥的问题时,及时对水电站进行技改增容是势在必行的。水电站技改增容普遍采用的基本思路是在不改变电站输水系统、水轮机流道和发电机机坑的前提下,优化机组参数和水力、结构及工艺设计,使水轮发电机组运行更加安全稳定,发挥出最大的综合效益。为了确保水电站技改增容的安全性与经济性,在其可行性研究与实施过程中,采用水电站水力-机械过渡过程数值计算专用程序进行调节保证设计是必不可少的,也是工程竣工安全鉴定、质量监督的重要依据[1]。

1 调节保证设计的技术路线

针对水电站技改增容的特点,为确保其调节保证设计所采用的基本资料、工况参数及设计成果与工程实际相符,采用如下技术路线：①依据竣工报告、图纸等资料,确定输水发电系统及水轮机流道的真实参数,如流道各段的长度、断面形状尺寸和设计压力,调压室(若有)的断面积、孔口形状和面积、底板和平台高程以及上、下游特征水位等。②明确技改增容后的机组主要参数及资料,如转轮直径、额定转速、额定流量、额定出力、安装高程、转动惯量、水轮机模型综合特性曲线和飞逸曲线以及机组允许的最高转速升高率、蜗壳末端最高水锤压力和尾水管进口最小压力等。③计算流道参数如每段长度、断面积和水头损失系数等；优选调速器参数。④依输水发电系统枢纽布置及参数选择合适的水电站水力-机械过渡过程数值计算理论与方法并建立计算数学模型[2]。⑤合理确定电站技改增容后的调节保证计算控制值和计算内容,优化导叶启闭规律,进行调保计算。⑥依计算成果并参考类似工程,合理确定调保设计值。计算内容要全面,包括大波动(含设计和校核工况)、水力干扰和小波动。对调压室孔口流量系数和长输水管道糙率做敏感性计算分析,以确保安全[1]。

2 实 例

四川某水电站共装4台单机容量60 MW的竖轴混流式水轮发电机组,其输水发电系统由进水口，1条长约18 755.7 m、内径7.2～6.0 m的引水隧洞,1个井筒内径14.1 m的多室阻抗开敞式引水调压室、2条长约511.1 m和500.8 m、内径4.2 m的压力管道，4条长约29.2～35.4 m、内径2.8 m的压力支管，4台水轮发电机组及其尾水管和出口组成一个水力单元。上游水库校核洪水位2 568.30 m,正常蓄水位2 572.00 m,死水位2 565.00 m,具有日调节性能。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。机组额定转速333.3 r/min,额定流量30.55 m3/s,额定水头220 m,转轮直径3.05 m,水轮机安装高程2 309.00 m。电站4台机组分别与4台主变采用单元接线升压至220 kV,出线以一回架空线与系统相连。电站上游衔接梯级是年调节水电站,投产后大大提高了河流的流量调节能力和水量利用率,提高了电站的水能资源利用程度。为了更利于梯级发电流量的匹配、充分发挥电站的潜力、增加发电量和经济效益,有必要对机组增容改造。技改增容的目标是通过仅改变额定流量至37.0 m3/s,将4台机组的单机容量由60 MW增至72 MW。经计算,电站4台72 MW机组的转动惯量GD2取2 000 t·m2时,额定工况的机组加速时间常数Ta=8.24 s、调压室至1～4号机尾水管出口的水流惯性时间常数Tw=1.48～1.52 s、Tw/Ta=0.179～0.184,满足PID型调速器要求[3]。参考斯坦因建议公式,优选的调速器主要参数为：加速时间常数Tn=0.8 s,缓冲时间常数Td=4.0 s,永态转差系数bp=0,暂态转差系数bt=0.25。

2.1 计算控制值

依电站已投运的设计参数及相关规范[3-5],调节保证计算控制值为：

(1)大波动,机组最大转速升高率不超过50.0%,蜗壳末端最高压力不超过332.0 m水柱,尾水管进口最小压力不低于-5.4 m水柱,压力管道顶点最小压力不低于2.0 m水柱；调压室的最高涌波水位比其溢流顶高程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)水力干扰,机组出力摆动相对幅度不大于20.0%,且波动应是衰减的。

(3)小波动,机组最大转速偏差相对值小于5.0%,超调量小于0.10,衰减度大于0.80,振荡次数不超过2次,调节时间小于40.0 s。

2.2 计算内容

(1)大波动计算[1,4-5],分设计工况D1～D4和校核工况C1～ C3。即D1,额定水头下4台机同时甩额定负荷；D2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,4台机同时甩额定负荷；D3,上游死水位下游最低尾水位,1台机甩额定负荷,其余3台机停机；D4,上游死水位下游正常尾水位,1台机由空载增至满负荷,其余3台机带满负荷运行；C1,上游正常蓄水位下游正常尾水位,1台机由空载增至额定负荷,在流入调压室流量最大时4台机同时甩额定负荷；C2,上游正常蓄水位下游正常尾水位,2台机同时甩额定负荷,在调压室水位最高时另2台机同时甩额定负荷；C3,上游死水位下游正常尾水位,4台机同时甩满负荷,在流出调压室流量最大时1台机由空载增至满负荷。

(2)水力干扰计算工况G1,以4台机额定水头、额定出力运行时2台机突同时甩全负荷作为计算控制工况,因为此时甩负荷引起的水击压力和调压室水位波动最大,对运行机组的出力摆度最不利。

(3)小波动计算工况X1,电站额定水头与最小水头(218.8 m)接近,故以4台机带额定负荷运行于孤网中,同时对4台机施加10%减负荷扰动作为计算控制工况。

2.3 计算与分析

采用特征线法进行数值计算。经优化,导叶关闭规律为两段关闭,第一段从全开到60%开度的直线关闭时间为2.8 s；第二段从60%开度到全关的直线关闭时间为8.4 s；导叶开启规律为直线开启,从全关到全开的时间为20 s。

(1)大波动,对管道糙率n分别取最小值(钢衬0.011,混凝土0.012)、中值(钢衬0.012,混凝土0.014)和最大值(钢衬0.013,混凝土0.016)以及阻抗孔流量系数ψ分别取0.6、0.7、0.8做敏感性计算,见表1。

表1 大波动及敏感性计算结果

由表1知：①管道糙率和阻抗孔流量系数对调压室最低涌波和压力管道压力影响较大；②设计工况的计算结果均不超过计算控制值且有足够的安全裕量；③校核工况除C3的调压室最低涌波水位超出计算控制值外,其他计算结果均不超过。因此需对工况C3做出运行限制,即在上游死水位附近4台机同时甩全负荷后,需间隔不少于360 s后才能将其中1台机从空载开始增至满负荷,以避免最不利叠加工况的发生,则表1中工况C3在管道糙率和流量系数分别取n=最小值,ψ=0.7；n=中值,ψ=0.7和n=中值,ψ=0.8时,调压室最低涌波水位分别为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,满足规范要求。

(2)水力干扰工况G1的计算结果为：运行机组的出力最大摆动相对幅度为17.85%,调压室涌波水位的收敛趋势明显。表明本电站输水发电系统的水力干扰稳定性较好。

(3)小波动工况X1的计算结果为：机组转速最大偏差为7.81 r/min,为额定转速的2.34%,超调量0.093,衰减度0.90,振荡次数1.5次,机组频率进入±0.2%稳定带宽的调节时间为34.2 s；调压室涌波水位收敛较快。表明本电站输水发电系统的小波动稳定性较好,具有较好的调节品质。

2.4 调节保证设计值的确定

依上述计算成果,考虑电站实际运行时受水力、机械、电气、电网等诸多因素的影响,并参考类似电站,计算结果留适当裕量,因此确定的调节保证设计值同计算控制值；同时对工况C3做出运行限制,以确保安全运行。

3 结 语

截止2014年底,中国水电总装机容量已突破3亿kW,约占全球水电装机总量的1/4[6]。随着20世纪80年代投运的众多水轮发电机组陆续达到使用寿命,水电站技改增容工程将越来越多,为了确保工程的安全性与经济性,对其调节保证设计做全面深入的研究很有必要。笔者针对水电站技改增容调节保证设计的特点及新的规范要求[1,5],提出了调节保证设计的技术路线,并结合工程实例,探讨了计算控制值、计算值和设计值之间的关系以及大波动、水力干扰和小波动计算工况的合理选取,特别是当调保计算值不能满足设计值时,提出了明确可行的机组运行限制措施。文中提出的技术路线是合理可行的,可供类似工程的调节保证设计参考。

[1]李修树, 高瑜, 董笑波. 浅析水电站调节保证设计[J]. 水力发电, 2014, 40(4): 58-60．

[2]沈祖诒. 水轮机调节[M]. 3版. 北京： 中国水利水电出版社, 1998．

[3]GB/T 9652.1—2007水轮机控制系统技术条件[S]．

[4]DL/T 5186—2004水力发电厂机电设计规范[S]．

[5]NB/T 35021—2014水电站调压室设计规范[S]．

[6]张蕾, 张梅. 中国水电的跨越式发展图谱[J]. 中国投资, 2015(15): 92-93．

(责任编辑 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,湖北咸宁人,研究方向为水利水电工程．

TM73

A

0559-9342(2017)02-0077-04