增容改造水电站关闭规律优化及运行限制条件分析

宗万波

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳550081）

1 概况

PD电站正常蓄水位1145m，死水位1126m，第1台机组于1994年5月发电，原装机容量75MW，装设3台25MW立轴混流式水轮发电机组。受当时设计、制造条件的限制，设备及其配套设施较差，电站运行过程中出现一系列的问题。为保证电站运行安全，提高经济效益，在维持原水工建筑物尺寸不变的情况下，通过加大过流量，更换新机组来完成更新改造。

经计算，确定新机组单机容量29MW、额定流量69.62m3/s。随着单机容量与额定流量的增大，原关闭规律不一定能适应改造后电站安全运行的要求，需对新机组的导叶关闭规律及运行限制条件进行分析。

2 关闭规律优化分析

为保证电站的安全运行，结合招标后确定的机组参数及原流道尺寸，利用水电站过渡过程仿真计算软件，对改造后电站的关闭规律进行复核分析。

2.1 原关闭规律复核

本电站改造增容后3台机额定引用流量为208.86m3/s，压力引水系统最长的1台机组LV值为1705.189m2/s，计算水流惯性时间常数Tw=3.659s。电站原导叶采用二段关闭方式，第一段关闭速率为0.2，第二段关闭速率为0.05，分段拐点处导叶相对开度为0.55，即第一段经2.25s将导叶关闭至55%额定开度处，第二段11s将导叶完全关闭，总时间13.25s，按原规律计算各典型工况过渡过程知，改造后PD电站蜗壳压力最高值Hmax=85.72m·H2O；转速上升最高值βmax=45.4%，最大压力及最高转速上升值均满足设计条件。尾水管进口最低压力为 -7.46m·H2O，符合规范要求的 -8m·H2O，但略低于按海拔修正的标准。水力瞬变过程中，引水隧洞顶板最低压力为4.37m·H2O，满足规范要求的当机组突增或突减负荷时，压力输水系统全线各断面最高点的最小压力不低于2m·H2O的条件。

本电站配置SFD事故配压分段关闭装置，若分段关闭阀不动作[1]则关闭规律变成直线关闭，为保证电站的安全，须进行直线关闭的验算。

2.2 分段阀不动作关闭规律验算

分段关闭阀不动作时，电站导叶将按照第一段关闭规律直线关闭（即5s导叶从全开到全关），按此关闭规律复核计算各典型工况过渡过程可知，在分段关闭阀不动作状态下原关闭规律计算的调保结果不满足规范要求（特别是隧洞顶部压力值、蜗壳压力值），不能保证电站安全运行。要保证电站运行过程的安全，必须进行关闭规律的优化计算。

2.3 关闭规律优化计算

为保证分段关闭阀不动作状态下调保结果满足规范要求，必须放缓第一段关闭时间。经优化试算后导叶第一段关闭速率为0.133，第二段关闭速率为0.06，分段拐点处相对导叶开度为0.6；即第一段经3s将导叶关闭至60%额定开度处，第二段10s将导叶完全关闭，总时间13s。

根据优化后的关闭规律，在分段关闭阀正常情况下，蜗壳压力最高值Hmax=77.36m·H2O；转速上升最高值βmax=49.8%，最大压力及最高转速上升值均满足设计条件。尾水管进口最低压力为-7.47m·H2O，符合规范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的标准。引水隧洞顶部最低压力为3.64m·H2O，满足规范要求的当机组突增或突减负荷时，压力输水系统全线各断面最高点的最小压力不低于2m·H2O的条件。当分段关闭阀失灵情况下，蜗壳压力最高值Hmax=88.1m·H2O；转速上升最高值βmax=49.9%，最大压力及最高转速上升值均满足设计条件。尾水管进口最低压力为-7.25m·H2O，符合规范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的标准。引水隧洞顶部最低压力为-4.0m·H2O，不满足规范要求的当机组突增或突减负荷时，压力输水系统全线各断面最高点的最小压力不低于2m·H2O的条件。

3 运行限制条件分析

为保证电站安全运行，必须通过限制某些运行条件从而使上游隧道顶部在任何工况（包括分段阀不动作）下的最低压力均满足规范要求。

机组运行限制，一般通过调速系统来完成，调速器通过接收水位、频率、功率、开度（流量）等信号，完成对机组运行的控制和限制。一般来说，水位常用于机组运行限制条件，水库调度运行规程中也有相应的条款明确。频率、开度（流量）一般不作为机组运行限制条件，功率作为限制条件时多用于机组避开振动区运行[3-4]。

针对需要运行限制的2个工况进行调节保证试算，上游3台机运行时水库最低水位控制在1132.82m，上游2台机运行时水库最低水位控制在1128.35m，隧洞顶部压力满足规范要求。考虑到计算程序的误差，为保证整个引水流道的安全，可规定上游3台机同时运行的最低库水位为1133.50m，2台机同时运行的最低库水位为1129.00m。

另外，由于本电站引水系统为一管三机布置型式，1台机组负荷变化时会影响其余机组的运行稳定性，为了保证系统安全（尤其是引水隧洞安全），实际运行时建议每次只能对1台机组进行增或减负荷操作，禁止同时对2台及以上机组增负荷操作，单台机组增负荷的过程也应缓慢平稳。

4 结论

根据我国水电发展历程，目前很多水电站待改造。对于增容改造的水电站，原导叶关闭规律不一定能够适应新机组的运行要求，须根据改造后实际条件（新单机流量、新单机容量、新模型特性等），对导叶关闭规律进行复核优化，优化过程应考虑全面，并根据计算需要提出电站运行的限制条件。