碗米坡水電站超功率甩負荷過渡過程性能分析

楊寧湖

中國電力投資集團五凌電力碗米坡水電廠，湖南長沙 410004

碗米坡水電站超功率甩負荷過渡過程性能分析

楊寧湖

中國電力投資集團五凌電力碗米坡水電廠，湖南長沙 410004

碗米坡水電站計劃將機組單機額定功率由80 mW提高到85 mW，本文結合真機試驗及仿真計算情況對超額定功率運行甩負荷過渡過程指標是否滿足調節保證要求，是否滿足機組安全穩定運行要求進行分析，提出導葉關閉規律優化方案，得出在優化導葉關閉規律進行科學調整后機組可滿足超額定功率運行的調保及相應安全要求的結論。

額定功率；過渡過程；性能；調節保證

AbstractWanmipo hydro power plant is planning to increase the unit power from 80MW to 85MW. With the result of real machine testing and simulation calculating which are testing the transition index of load rejection under overload operating condition,this article is to conclude a guide vane closing optimization program,which can guarantee the safety overload operating of the unit and other related safety requirements.

KeywordsRated power；transient process；Performance；calculation of guaranteed regulation

1 概述

碗米坡水電站位于湖南酉水中下游保靖縣境內，下游距保靖縣城28km。電站以發電為主，兼有航運、養殖等綜合效益。電站控制流域面積10 415m2，占酉水流域56%，多年平均流量299m3/s，年徑流量94.3億m3。水庫正常蓄水位248m，總庫容3.78億m3，調節庫容1.25億m3，具有不完全季調節性能。電站總裝機容量240mW，安裝三臺單機容量80mW的立軸混流式水輪發電機組，設計年發電量7.92億千瓦時。該電站是湖南湘西電網內唯一一座統調電站，對湘西電網的安全穩定運行起支撐作用。在豐水期該電站承擔基荷運行，枯水期主要是調峰、調頻、調壓及事故備用。

碗米坡電站水輪機、發電機、勵磁系統、主變壓器、發電機出口開關及GIS設備、出線設備的額定值與正常運行值均有較大裕度，每臺機組具備增加5～10mW出力的能力。

碗米坡水庫調節庫容僅1.25億m3，稍有較大來水就會面臨棄水的可能，為充分利用水能資源，盡可能減少棄水量，使發電效益最大化，在保證機組安全運行的前提下適度超額定出力運行可取得較大經濟效益和社會效益，在不增加一分錢投資的前提下，可多獲得一座中小型水電站的效益。因此筆者對超額定功率運行時甩負荷后的過渡過程性能進行分析，找出其中制約超出力的關鍵因素，使之符合安全要求和調節保證要求。

2 設備概述及主要性能指標

2.1 水輪機主要參數

2.2 發電機主要參數

2.3 調速器主要參數

型號：BWT-100步進式PLC微機調速器

頻率測量方式：殘壓測頻+齒盤測速

工作油壓：6.3MPa

3 機組調節保證技術要求

1）該電站設計單位中南勘測設計研究院設計報告提出的技術要求為：

（1）導葉關閉時間：活動導葉關閉分兩段進行：第一段關閉時間3.5s，第二段關閉時間7s，第二段關閉導葉起始相對開度為30%K。

（2）蝸殼最大動水壓力：蝸殼最大動水壓力出現在最大水頭下甩最大負荷的工況，其值為0.57MPa。

（3）機組轉速最大升高：機組轉速最大升高的控制工況是設計水頭下甩額定負荷，其值為144r/min。

2）該電站機電設備生產廠家提出的技術要求為：

（1）導葉分兩段關閉，第一段關閉時間約為3.5s，第二段關閉時間約為7s第二段關閉導葉起始相對開度為30%K。

（2）機組在設計水頭發額定出力運行甩滿負荷時的最大轉速不超過145r/min。

（3）機組在最大水頭發額定出力(或最大出力)運行突甩滿負荷時的蝸殼最大壓力上升值不超過30%。蝸殼最大承壓為0.58 MPa。

4 甩負荷試驗分析

鑒于以上技術要求，電站聯系湖南省電力試研院對1＃機進行了甩負荷試驗（三臺機水力性能基本相同，選取1＃機為試驗機組），筆者作為電站調度協調人員，全程參與了該項目的試驗。該試驗進行時上游水位為247.89m，下游水位為201.84m，水頭為46.05m。試驗結果見表1。

表1 1#機組甩負荷試驗結果

試驗結果分析：在該水頭下，甩80mW負荷時，蝸殼進口壓力最大值為0.5857MPa，甩85mW負荷時，蝸殼進口壓力最大值為0.5917MPa，均高于設計院及廠家的技術要求，同時還發現導葉分段關閉拐點及關閉速度均比設計值高。因此，必須對導葉關閉規律進行優化，以確保超額定功率運行時甩負荷過渡過程中蝸殼進口壓力上升滿足調節保證計算要求。

5 機組甩負荷過渡過程仿真分析

1）建?；驹瓌t：仿真的核心是機組甩負荷后機組轉速上升值和蝸殼進口水壓上升值，根據甩負荷后調速器的工作特點，可以將甩負荷情況下的仿真模型設計為根據導葉開度變化的開環控制過程。即根據導葉開度的變化過程，仿真計算出機組轉速上升過程和蝸殼進口水壓上升過程，模型中只考慮導葉開度變化的模型、水輪機模型、發電機模型、引水系統模型，不考慮調速器模型。

仿真模型框圖如圖1所示。

圖1 甩負荷過渡過程仿真模型框圖

2）模型的驗證：為保證仿真結果的準確性，必須保證模型結構與模型參數能夠基本反映機組的特性。通過甩負荷過渡過程的實測數據，與相同工況下的仿真結果進行比較，并調整模型參數，使仿真結果與實測結果基本一致，保證模型結果與模型參數反映機組的真實特性[1]。在相同工況下，仿真計算結果與實測結果見表2。

表2 仿真結果與實測結果比較表

從仿真結果和實測結果比較，機組轉速上升和蝸殼進口水壓上升最大值基本一致，可以將該模型及參數作為機組甩負荷過渡過程仿真計算的模型。

3）機組甩負荷過渡過程仿真分析：對于機組超額定出后甩負荷過渡過程的仿真分析，主要計算最大水頭和能發85mW出力的機組最小水頭的過渡過程結果。最大水頭下的計算，主要驗證蝸殼進口水壓的上升是否滿足調節保證計算要求；相應最小水頭下的計算，主要驗證機組轉速上升是否滿足調節保證計算要求。根據水輪機綜合特性曲線，在導葉最大開度下，發85 mW出力時機組相應最小水頭為41.2m（以下稱相應最小水頭）。

1）試驗時機組的工作水頭與設計的最大水頭基本接近，因此，可以將該水頭下的試驗結果最為機組最高水頭下的試驗結果，無需對其進行仿真計算。

2）相應最小水頭下機組甩85 mW負荷的過渡過程仿真計算機組轉速上升最大值為143.9R/min，蝸殼進口水壓上升為0.5488MPa，甩負荷過渡過程結果滿足調節保證計算要求。

3）在設計導葉關閉規律下的甩負荷過渡過程仿真計算：最大水頭下甩85 MW負荷過渡過程中，機組轉速上升最大值為135.8R/min，蝸殼進口水壓上升為0.589MPa；相應最小水頭下甩85mW負荷過渡過程中，機組轉速上升最大值為148.1R/min，蝸殼進口水壓上升為0.5367MPa。

因此，在設計導葉關閉規律下，相應最小水頭下的甩負荷過渡過程結果滿足調節保證計算要求，但在最大水頭下的甩負荷過渡過程中蝸殼進口水壓上升雖有所改善，但仍然超過調節保證計算要求。

6 優化導葉關閉規律分析

導葉關閉規律的優化原則，是保證機組在最大水頭和相應最小水頭下甩85mW負荷時，蝸殼進口水壓上升和機組轉速上升均應滿足調節保證計算的要求[2]。在該指導原則下，對導葉關閉規律進行優化計算，最后確定的優化后的導葉關閉規律為：第一段關閉時間3.8s，第二段關閉時間7s。第二段關閉導葉起始相對開度為30%K。

優化導葉關閉規律下的甩負荷過渡過程仿真計算結果為：

1）最大水頭下甩85mW負荷過渡過程中，機組轉速上升最大值為137r/min，蝸殼進口水壓上升為0.5735MPa。

2）相應最小水頭下甩85mW負荷過渡過程中，機組轉速上升最大值為14r/min，蝸殼進口水壓上升為0.5219MPa。

在優化后的導葉關閉規律下，最大水頭和相應最小水頭甩85 MW負荷時，蝸殼進口水壓上升和機組轉速上升均滿足調節保證計算的要求。

7 結論

在優化后的導葉關閉規律下，最大水頭和相應最小水頭甩85mW負荷時，蝸殼進口水壓上升和機組轉速上升均滿足調節保證計算的要求，說明該電站機組具備超定功率運行的基本條件。下一步可根據優化后的導葉關閉規律調整導葉關閉時間和分段關閉拐點值，并進行最大水頭和相應最小水頭下的甩最大負荷驗證試驗，以確保甩負荷過渡過程性能指標滿足調節保證計算的要求。

[1] 陳飛勇，汪定揚.混流式水輪機過渡過程數值模型研制.長江科學院院報，1992（2）.

[2] 白家驄.擬合推估算法在水輪機過渡過程分析中的應用.華北水利水電學院學報，1997（3）.

TM61

A

1674-6708（2010）18-0035-02

楊寧湖，畢業學校：長沙理工大學，職稱：助理工程師，職務：中電投集團五凌電力碗米坡電廠發電分部主任，研究方向：水力發電運 行管理