东南亚某水电站工程过渡过程分析及结论

王 达

（上海勘测设计研究院有限公司四川分公司,四川 成都 610094）

1 电站枢纽工程概况

TBB水电站位于东南亚某岛国,为引水式电站,由首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力明钢管、地面厂房及尾水渠、变电站、场内及场外道路等组成。电站开发任务以发电为主,并兼顾下泄生态用水,首部枢纽首部校核洪水位252.11 m,正常蓄水位247.00 m,死水位244.00 m,设计引用流量13.6 m3/s,额定水头154 m,总装机3×6 MW。

2 电站自然条件

2.1 水文参数

坝址处集雨面积为84.28 km2；多年平均年径流量为3.15 亿m3；多年平均流量为9.98 m3/s；坝址设计洪峰流量（P=1%）为822 m3/s；厂址设计洪峰流量（P=1%）为956 m3/s。

2.2 气象

廷巴班流域属热带,地处北纬11°,位于热带季风气候和热带雨林气候分区交界处,年内季节区别不明显,旱季仅持续1～3个月,主要分布在每年的12月～2月或3月～5月,总体而言,每年从11月～4月相对干燥,年内其他月份相对湿润。

2.3 地质情况

本阶段工程区地震设计标准沿用原可研设计成果,地震动峰值加速度值为210 gal。水工建筑物抗震设防烈度为8 度。

3 电站基本参数

3.1 水库特性参数

首部校核洪水位为252.11 m；正常蓄水位为247.00 m；死水位为244.00 m

3.2 下游尾水位

尾水渠正常尾水位为76.00 m；最低尾水位为75.31 m。

3.3 基本参数

转轮直径为0.9 m,额定转速为900 r/min,最大毛水头为177 m,额定水头为154 m,最小水头为154 m,额定流量为4.533 m3/s,水轮机额定容量为6.375 MW,机组飞轮力矩为12.8 t·m2。

4 计算过程

4.1 机组关闭规律计算工况及引水系统简化说明

计算开始前,需要输入引水管路系统、转轮特性、甩负荷前工况、蜗壳、尾水管流道等多组参数。此外,还需要输入导叶关闭规律。

根据电站具体情况,计算2种工况,见表1。

表1 计算工况

简化的管路图见图1,简化的管路参数见表2。

图1 电站引水简化示意图

表2 引水线路参数

续表2

4.2 导叶关闭规律

本次调保计算中的导叶关闭规律将分别采用直线关闭和两段关闭的形式进行计算及比较分析。导叶采用两段关闭时,关闭曲线见图2。

图2 导叶关闭规律曲线

图2中,t0为导叶接力器不动时间,Ts1为导叶接力器以第一段关闭速度从全开至全关所需时间,Ts2为导叶接力器以第二段关闭速度从全开至全关所需时间,Y12导叶接力器运动速度由第一段速度变为第二段速度时的导叶接力器行程,Tg1为导叶第一段实际关闭时间,Tg2为导叶第二段实际关闭时间。在使用如上参数定义时,各参数相互独立,交互作用很小,可以使用较简单的正交表进行计算。

调速器参数优化计算采用遍历法,由于KP,KI和KD之间交互作用明显,一般不能使用简单的正交表,故直接使用遍历法求取优化的参数组合。

水轮机调节系统稳定性分析采用双步QR算法求出状态矩阵的特征值的方法,状态矩阵自动形成,全部特征值均具有负实部时,系统稳定。只要有一个特征值具有非负实部,系统不稳定。在系统稳定性分析基础上可以计算水轮机调节系统稳定域。

5 导叶关闭规律优化计算结果

计算结果见表3。

6 导叶关闭规律优化计算小结

根据表3可以看出当三台机组同时事故甩负荷时,推荐采用导叶最优关闭规律为直线关闭7 s为最优且满足规范要求（从导叶额定开度作为基值开始计算）。导叶不动时间为0.2 s。实际关闭时间为：Tg=7+0.2=7.2 s。

7 大波动工况拟定及计算结果

（1）根据电站的运行条件和研究目的要求,确定如下大波动过渡过程数值计算工况见表4。

表4 大波动计算工况

（2）大波动计算结果见表5。

表5 大波动计算结果

续表5

1）结果分析

由表4可知：

a.以上工况中蜗壳进口最大压力值为221.37 m,出现工况3。

b.以上工况中尾水管进口最小压力值为-1.52 m,出现工况6。

c.以上工况中机组最大转速上升率为55.33%,出现在工况14。

d.以上工况中调压室最高涌浪水位为257.18 m,出现在工况11,最低涌浪水位为233.07 m,出现在工况5、工况7、工况14。

e.以上工况中机组最大压力上升率为27.49%,出现在工况3。

根据上述结果,所有以上工况中的各项调节保证参数极值和调压室最高、最低涌浪均能满足计算控制值的要求,且均有合适的安全裕度。

8 小波动工况拟定及计算结果

（1）根据本电站的特点,拟定小波动计算工况见表6。

表6 小波动计算工况

（2）调速器主要技术参数

根据《水轮机控制系统技术条件》（GB/T 9652.1-2007）,水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw对PID型调速器不大于4 s,对PID型调速器不大于2.5 s,且水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4,反击式机组的Ta不小于4 s。本电站机组GD2取12.8t·m2时,Ta=4.57 s,额定工况的Tw=1.11 s,Tw/Ta=0.24,满足PID型调速器要求。

调速器参数首先按照斯坦因建议公式取值,即bp+bt=1.5Tw/TaTd=3TW,Tn=0.5Tw。对1#机水力－机械单元中,机组惯性时间常数Ta约为4.57 s,压力管道惯性时间常数Tw约为1.11 s,由此可以初步确定出相应的调速器参数为：Tn=0.555 s,Td=3.33 s,bt=0.36,bp=0.00。

本次计算采用的河海大学程序中,调速器参数采用比例增益KP、积分增益KI、微分增益KD,故利用KP=1/bt、KI=1/（btTd）、KD=Tn/bt可得：KP=7,KI=2.7 ,KD=1.5。

根据小波动解析推导理论,水轮机工作水头越小,输水发电系统的小波动稳定性越差,因此选择小波动计算工况D（工况描述见表6）作为调速器参数优化计算工况,利用程序对调速器参数进行优化计算,优化结果见表7。

表7 调速器主要参数优化计算

综合考虑,选取第4 组参数作为本次小波动计算的调速器参数组,即：KP=7.0,KI=2.7 ,KD=1.5。

（3）小波动计算结果见表8。

表8 小波动计算结果

（4）结果分析

1）一般说来,机组的运行水头越低,其小波动稳定性就越差。根据结果,小波动过渡过程的控制工况是工况D。工况D为上游死水位,最小水头时,三台机组同时突减10%负荷工况。

2）机组转速最大偏差出现在D工况,为17.82 r/min,为额定转速的1.98%。机组频率进入±0.2%稳定带宽的调节时间出现在A工况,为5.79 s,振荡次数0.5,调压井水位呈收敛趋势,表明本电站水力发电系统小波动稳定性较好,具有良好的调节品质。