水电站过渡过程机组活动导叶关闭规律研究

(凌源市水利工程质量监督站，辽宁 凌源 122500)

1 工程背景

桓仁水电站位于浑江的中游河段，是浑江水能梯级开发的第一级水电站，也是装机容量最大的水电站。桓仁水库的正常蓄水位为300m，死水位290m，总库容36.4亿m3，工程设计洪水标准为千年一遇，校核洪水标准为万年一遇。桓仁水电站工程由单支墩大头坝及坝后式厂房等水工建筑物组成，其最大坝高为78.5m，坝顶长593m，水电站厂房内装有三台混流式水轮发电机组，装机总容量222.5MW。

连接上游水库和调压井的引水隧洞直径为4.9m，全长1762m，调压井的内径为8.5m，底板高程为240.0m，顶部高程390.0m。调压室与电站厂房之间通过压力钢管连接，主管道的管径为4.5m，分为上平段、竖井段和下平段三段，其中上平段长61m，竖井段长350m，下平段长456m，在主管道的末端设有直径为3.5m的三个支管，分别进入三个发电机组。

2 计算模型的建立

水轮机模型的描述主要依赖于流量和力矩特征。主要包括传递系数构成的线性化模型以及全特征描述的水轮机模型。其中，线性化模型是基于水轮机稳定工作工况下的流量和力矩方程线性化得到的，主要用于稳定运行的水轮机模型描述，而在水力波动比较剧烈的工况下，描述精度会显著降低。全特征描述模型主要基于综合特性曲线对流量和力矩特征进行描述，更适用于水轮机波动过渡过程。由于本次研究的主要内容是过渡过程机组活动导叶的控制规律，因此采用基于综合特征曲线的水轮机模型，其描述见式(1):

(1)

式中Q11——单位流量,m3/s；

M11——单位力矩,N·m；

α——导叶开度,m；

n11——单位转速,r/min。

由上述模型可知，在导叶的开度、转速以及工作水头已知的条件下，水轮机模型可解。因此，小波动过程的导叶开度可以由调速器模型输出，而对于大波动过程，其导叶的开度就需要通过人为规定的控制规律获得。按照上述方法，将桓仁水电站水轮机的流量和力矩特性关系以表格形式输入计算软件，利用三次样条插值法计算流量和力矩，结果见表1和表2。

表1 水轮机流量特性

表2 水轮机力矩特性

续表

为了提高计算效率，本次研究采用可视化建模和计算软件，并输入以上表格中的水轮机参数。在仿真计算过程中，将调压室的关键参数设定为断面面积和阻抗孔口面积，并输入计算机。经过处理后的压力管道为多段当量管，结合工程实际，本次研究将压力管道分为13段，其中一条连接水库，四条连接下游尾水，一条为下游三岔的管间连接，其余各段均为首尾相连。在压力管道模型构建完毕之后，各个边界条件也随之确定。最后，再以所有管段的公约数作为各个计算节点之间的间距，共布设691节点，进而得到时间步长为0.012s，最终完成计算模型的构建。

3 导叶关闭规律的优选

3.1 计算任务的确定

本次研究中将压力管道、水轮机组和调压室在内的整个过水系统作为研究对象，利用特征线法和可视化仿真程序，对桓仁水电站的大波动过渡过程进行仿真模拟计算，主要内容包括计算水电站各机组在甩负荷过程中的机组转速最大上升率βmax、机组蜗壳末端最大压力值Hmax、尾水管的真空度H真空。根据电站的实际参数，确定电站在上述三个参数的控制条件如下：由于电站本身没有调频责任，因此机组在甩全负荷时的最大转速上升率βmax应小于55%；由于电站的额定水头为62.3m，蜗壳末端压力的最大上升率应小于25%，所以蜗壳末端最大压力值Hmax应小于77.88m；尾水管的最大真空值H真空不小于8m。

3.2 选定最优导叶关闭规律

水力发电机组甩负荷过程是一个复杂的调度过程，但是其控制规律往往采用一个人为设定的线性关闭规律，而这一过程中的活动导叶的开度也需要由预先规定的控制策略进行控制。因此，在甩负荷过程中的活动导叶关闭一般包括直线关闭和两段式关闭。对那些比较简单的工程，在机组甩负荷过程中的机组转速与水击压力上升率之间的冲突并不大，采取直线关闭规律即可满足需要。但是，根据相关的理论研究和工程实践经验，水力发电机组在甩负荷过程中的压力管道水击压力上升率的最大值一般会出现在第二波峰的位置，也就是压力管道的压力最大值出现在水轮机流量降低的后期。因此，对于那些较为复杂的水电工程，压力管道水击压力的上升率与机组转速上升率之间存在显著冲突，所以活动导叶通常需要采取两段关闭的规律，也就是在简单的线性关闭规律上设置一个拐点，在初期以相对较快的速度关闭活动导叶，而拐点后降低关闭速度，直到活动导叶完全关闭。

本次研究基于上述成果，分别拟定10s、15s和20s三个关闭时长的直线和两段关闭规律进行模型计算，计算的前提条件是上下游水位均为设计水位，三台机组均按照额定转速和出力的正常工况进行甩全负荷，并根据计算结果选择最优的导叶关闭规律。

对拟定的三个关闭时长的直线关闭规律下的机组转速最大上升率βmax、机组蜗壳末端最大压力值Hmax、尾水管的真空度H真空进行仿真模拟计算，结果见表3。由计算结果可知，机组活动导叶的关闭速度越快，机组的转速上升率就越低。本次模拟计算的10s、15s和20s三个关闭时间均不会导致水电机组转轮的飞逸，最大转速上升率的值均满足规定要求。但是，无论选择哪种关闭时长，压力管道的水击压力上升率均不能满足计算标准，因此直线关闭规律不适用于桓仁水电站，需要对两段关闭规律进行模拟计算分析。

表3 直线关闭规律计算结果

在直线关闭计算结果的基础上，本次研究拟定几种两段关闭规律，其中以5s作为拐点，并在拐点处分别关闭40%、50%、60%。对拟定的两段关闭规律下的机组转速最大上升率βmax、机组蜗壳末端最大压力值Hmax、尾水管的真空度H真空进行仿真模拟计算，其中控制规律比较合理的三种情况的计算结果见表4。由计算结果可知，在桓仁水电站三台机组同时甩负荷的过渡过程中，无论使用何种关闭规律，其机组转速的最大上升率均超过规范要求，而水击压力上升值则较难控制。综合上述，采用两段关闭规律，并且以5s处为拐点，以20s为关闭总时长，并且在拐点处关闭40%时，最大水击压力最小，因此确定该规律为活动导叶关闭的最优规律。

表4 两段关闭规律计算结果

4 结 语

由于过渡过程比较复杂，控制难度相对较大，因此过渡过程成为水电站运行安全事故的多发时段。本次研究以辽宁省桓仁水电站为例，通过仿真计算的手段对过渡过程中的导叶关闭规律展开研究，通过计算成果的综合分析，认为采用以5s处为拐点，以20s为关闭总时长，并在拐点处关闭40%的两段关闭规律为活动导叶关闭的最优规律。本文结论不仅可为桓仁水电站拟定机组甩负荷过渡过程中的导叶关闭控制策略，还可以为相似的水电站改善过渡过程质量提供经验和借鉴。