五里峡水电站水轮机调节保证计算分析

谭剑波 宋亮 冯建栋

摘 要：根据五里峡水电站引水系统特征、装機组合及规范指标要求，对过渡过程调节特性进行了详细调节保证计算，获得了水轮机在额定水头和最大水头下的100%丢弃负荷条件下的机组转速和压力上升率。计算成果表明：机组导叶关闭时间设置为6s，可以获得较好调节稳定性和调节质量，确保电站安全稳定运行。

关键词：水轮机；调节保证；五里峡水电站

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）02-0099-02

Calculation and Analysis of Regulation Stability of

Wulixia Hydropower Station

TAN Jianbo SONG Liang FENG Jiandong

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： According to the characteristics of water diversion system，hydro-turbine installed combination and specification requirements of Wulixia hydropower station， the research of regulation guarantee calculation has been done， and the unit speed and pressure rise rate during 100% load drop working condition at rated head and maximum head. The calculation results show that： the units turn-off time of the guide cane with 6s can obtain good regulating stability and regulating quality， and also can ensure the safe and stable operation of the power station.

Keywords： hydro-turbine；regulation guarantee；Wulixia Hydropower Station

调节保证计算是农村小水电增效扩容改造工程中机组选型的重要研究内容。通过合理计算分析可以揭示水轮机在大小波动过渡过程中的非线性特性，尤其可以获得甩负荷等特殊工况条件下的运转特性[1]。详细调节保证计算可以让设计人员准确掌握水轮机导叶在不同关闭规律下的水压上升和转速上升关系，并结合计算结果合理设置关闭时间，以改善机组过渡过程特性，确保机组安全稳定地运行。

1 工程概况

太白县五里峡水电站位于太白县桃川镇杜家庄村境内的火箭沟沟口，即东经107°28′，北纬34°03′，距太白县16.4km，与姜眉路一河之隔，距110kV桃川变电站2km，且为河川平地，并网条件优越。改造总装机容量3 650kW（800kW+1 250kW+1 600kW），电站设计净水头71.2m，设计引用流量6.25m3/s，年利用小时数5 130h，年发电量1 860万kW·h。根据《小型水电站机电设计手册》（水力机械）中各机型水轮机的应用范围，选择机型为混流式水轮机（30～700m）。根据额定水头和单机容量，查水轮机型谱，具体选择水轮机型号为HLA685-WJ-50（配800kW发电机）、HLA678-WJ-60（配1 250kW发电机）、HLA685-WJ-71（配1 600kW发电机）。

2 水轮机调节保证计算

2.1 计算原则

五里峡水电站为1管3机引水系统，由1根压力钢管向3台机供水。调节保证计算遵循《水力发电厂机电设计规范》要求[2]，即压力上升值应小于30%～50%；速率上升值小于50%～60%。

2.2 调节保证计算过程

根据《水力发电厂机电设计规范》的要求，五里峡水电站调节保证计算选择额定水头时所有机组满发同时甩负荷，以及最高水头时所有机组满发同时甩负荷两种情况，确定大小机组水击压力变化。五里峡水电站额定水头71.2m，规定水头小于170m，在间接水击中其水击压力最大值出现在末相；大于250m，水击压力最大值出现在第一相。压力上升值公式为：

[hm=2σ2-σ] （1）

转速上升值计算公式为：

[β=1+365N0n0GD2（2Tc+Tnf）-1] （2）

100%丢弃负荷时，不同导叶关闭时间对应的转速及压力上升值为：

[a=1 4351+DEwδEs] （3）

式中：a为水击波速（m/s），EW为水的体积弹性模量，[Ew=2.1×109Pa]；D为管道内径（cm）；δ为管壁厚度（cm）；[Es]为钢材的弹性模量，[Es=2.1×1011Pa]。

由式（3）得出a=1 060m/s，则水击的相长为：

[tr=2La=2×1631 060=0.31s] （4）

由于电站水头（71.2m）在H0=40～100m范围内，规定最大水压力相对升高值?m=0.3～0.5。丢弃100%负荷时转速允许上升值[δmax]=0.5～0.6。

2.3 调节保证计算结果

800kW机组，转动惯量为1.33t·m2，额定转速为1 000r/min；1 250kW机组，转动惯量为2.173t·m2，额定转速为1 000r/min；1 600kW机组，转动惯量为4.72t·m2，额定转速为750r/min。额定水头和最大水头下的100%丢弃负荷机组转速和压力上升率计算结果如表1所示。

机组关闭时间的选取原则是：在选用的关闭时间内转速与压力上升值均应在规定内，并尽可能使压力上升值小些。根据此原则，建议机组关闭时间为6s。

3 结语

水轮机调节系统的调节可靠性、准确性与机组关闭规律和关闭时间有着密切联系，其调速特性参数设置会直接影响机组调节品质的优劣，甚至影响整个水电站系统调节的安全和稳定。结合相关规范指标要求，通过详细调节保证计算，五里峡水电站建议3台水轮发电机组均按6s关闭时间进行调速器调节参数设置，以确保机组在大小波动环境中具有良好的调节稳定性和调节质量。

参考文献：

[1]郭文成，杨建东，王明疆.基于Hopf分岔的变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统稳定性研究[J].水利学报，2016（2）：189-199.

[2]逯鹏.赞比亚LUNZUA水电站水轮机调节保证计算研究[J].红水河，2015（3）：32-36.