吉林臺二級水電站過渡過程分析研究

朱燁華

(新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000)

吉林臺二級水電站總裝機50MW，裝機2臺，單機容量25MW。引水發電系統由進口引渠段、閘井段、洞身段、調壓井段、高壓管道段、出口段組成，采用一洞兩機聯合供水的布置型式。整個引水系統總長1.72km，其中引水隧洞段長1.51km，縱坡i=1/377.5。考慮到長隧洞、中等水頭、水電站在系統中基荷運行，為了保證供電周波穩定及降低高壓管道中的水擊壓力，在引水隧洞末端設置了阻抗式調壓井。

考慮電站引水發電系統長度較大，且設有調壓室，為保證電站的安全、穩定運行，節約工程投資，需對整個引水發電系統進行水力過渡過程計算，以獲得最優的引水發電系統洞徑、調壓室尺寸和水輪發電機組的調節保證參數。

1 計算資料

1.1 基本參數

水電站基本設計參數見表1。

表1 水電站和機組主要參數

續表

1.2 引水發電系統

吉林臺二級水電站引水發電系統布置簡圖見圖1。輸水管道編號及參數見表2。

圖1 吉林臺二級水電站引水發電系統簡圖

表2 輸水管道編號及參數

2 計算主要采用的數學模型

吉林臺二級水電站水力過渡過程計算與分析涉及:

(1)任意管道水流運動基本方程。

(2)上游、下游水庫端邊界條件。

(3)調壓室邊界條件。

(4)轉輪邊界條件。

(5)多機系統流體網絡初值計算。

(6)調速器方程。

3 計算采用的工況

3.1 計算工況選取原則

計算工況的選擇主要原則是:

(1)水電站在過渡過程計算中可能出現的最大壓力、最小壓力和最大轉速的工況。

(2)在過渡過程計算中可能出現的上游、下游及調壓井涌浪極值工況。

(3)在過渡過程計算中可能出現的引水系統內壓極值工況。

(4)小波動的工況。(5)水力干擾的工況。

3.2 計算工況的選取

根據表3所列原則，確定對表3及表4所列工況進行計算。

4 計算結果

4.1 上游調壓室體型尺寸優化

本水電站設置的上游調壓室為阻抗式調壓井，其主要體型參數包括:阻抗孔 (連接管)面積 (或直徑)、調壓井面積及其頂板、底板高程。其中阻抗孔 (連接管)面積決定上游調壓室反射水錘波的性能，并和調壓井面積共同決定上游調壓室最低水位、最高水位和工程量，因此，這兩個參數的合理取值是至關重要的。

表3 計算工況及其說明

續表

表4 組合工況及其說明

在機組關閉規律按15s一段直線關閉，GD2按2500t·m2的前提下，經對表3和表4所列工況進行計算，得出如下結論:

(1)加大調壓室面積可在一定程度上改善上游系統的最小壓力及調壓室的最低涌浪;在調壓井直徑給定情況下，隨著阻抗孔尺寸的逐漸加大，調壓室最低涌浪降低及底部最小壓力均逐漸加大。阻抗孔口較小時，調壓室最低涌浪為機組增負荷時水位波動下降的第一幅值;阻抗孔口較大時，調壓室最低涌浪為機組全甩負荷后水位波動的第二幅值。

(2)加大調壓室面積可在一定程度改善上游系統的最大壓力，降低了上游調壓室的最高涌浪，在調壓井面積給定情況下，隨著阻抗孔口尺寸的逐漸加大，調壓室最高涌浪逐漸加大，蝸殼末端最大壓力逐漸減小。

(3)根據相關計算結果，對于吉林臺二級水電站輸水系統的上游調壓室具體尺寸擬定:調壓井底板高程 (阻抗孔口頂部高程)為1266.00m;阻抗孔口直徑D為6.0m;調壓井直徑為23.0m;調壓井頂部高程取1295.00m，調壓井高度為29m。

4.2 導葉關閉規律優化

對于本電站，由于尾水道很短，尾水管進口最小壓力很容易滿足計算要求，而引水道相對較長，蝸殼末端最大壓力較難滿足要求。而蝸殼末端最大壓力受水錘壓力與調壓室涌浪壓力兩方面控制，前者系水體彈性引起，發生時間較早，后者系引水道水體慣性引起，發生時間在調壓室涌浪最高時刻，取決于調壓室涌浪的周期，相對較晚，通常關閉規律的改變對于水錘壓力會起到良好效果，但對改善調壓室涌浪壓力效果甚微。

由于導葉關閉規律對引水系統的水錘壓力與機組轉速上升率的大小影響較大，它決定于調速系統特性，而且在一定范圍內是可調的，采用合理的關閉規律降低水錘壓力與限制機組轉速升高，不需要額外增加電站機組投資，是一種經濟有效的措施。但導葉關閉規律優化存在一定的不確定性，對于分段折線關閉規律由于優化參數較多影響尤為明顯。同時導葉關閉規律受調速系統本身性能影響，實際運行時接力器行程的折點位置不可能與調保計算結果完全一致，如果折點位置偏差較大，再加上引水系統與機組本身存在的某些不確定的時變因素，都可能使原優化得到的關閉規律偏離優化目標，給電站安全運行帶來隱患。

為此，對一段直線關閉規律與兩段折線關閉規律均進行了研究。計算前提為:GD2取2500t·m2;上游調壓室型式為阻抗式，調壓室的底板高程(阻抗孔口頂部高程)取1266.00m，調壓室直徑取23.0m，阻抗孔口直徑取6.0m。

經對表3和表4所列工況進行計算，得出如下結論:

(1)較優的一段直線關閉規律時間為15s。此時調壓室最高涌浪為1293.7m，蝸殼末端最大壓力為63.4m，最大轉速升高率為52%，均有一定的安全裕量。

(2)采用12～20s(折點0.5)的兩段折線關閉規律，蝸殼末端最大壓力及轉速上升率均較15s一段直線關閉規律有一定改善。此時調壓室最高涌浪為1293.7m，蝸殼末端最大壓力為62.7m，最大轉速升高率為49%。

4.3 機組轉動慣量敏感性分析

為了比較分析機組GD2值改變對輸水系統及機組有關設計參數的影響關系，并為機組GD2值的選取提供依據，對機組GD2取不同數值進行過渡過程比較計算。

在計算過程中，GD2的變化范圍為1750～3250t·m2，即為基本資料給定的GD2取值2500t·m2的0.7～1.3倍，以便考察分析GD2值在較大范圍內改變時對有關設計參數值的影響關系。機組關閉時間考慮15s一段直線關閉規律及12～20s(折點0.5)的兩段折線關閉規律，即當開度大于0.5時采用斜率為1/12的直線關閉規律關閉導葉，開度小于0.5時采用斜率為1/20的直線關閉規律關閉導葉。

經對表3和表4所列工況進行計算，得出如下結論:

(1)通常情況下，機組GD2值增大，對于水電站水力—機械系統過渡過程是有利的。對于常規高比速混流式的水電機組，如果關機規律不變，流量變化主要源于導葉開度變化，轉速變化對其影響很小，故機組GD2值增大主要體現在βmax的減小，對壓力控制值影響不大。

(2)對于15s一段直線關閉，機組GD2值減小20%～30%時機組最大轉速上升率在57%～60%之間，機組GD2值減少10%以內時機組最大轉速上升率在50% ～54%之間，機組GD2值增加10%及以上時機組最大轉速上升率可控制在50%以內;對于12～20s(折點0.5)的兩段折線關閉規律，機組GD2值減小20% ～30%時機組最大轉速上升率在54% ～57%之間，機組GD2值減小10% ～20%時機組最大轉速上升率在51%～54%之間，機組GD2值不小于2500t·m2時機組最大轉速上升率可控制在50%以內。

(3)增加機組GD2值雖可以減小甩負荷后轉速的上升，但機組GD2值增大，相應的工程投資將加大。由導葉關閉規律優化的計算結果可知機組GD2值取25010.7kN·m2時，調保參數均能滿足要求，并有一定的安全裕量，故對于吉林臺二級水電站，建議機組GD2值取2500t·m2，如果實際GD2大于2500t·m2，理論上將更安全。

4.4 輸水系統及機組大波動過渡過程計算分析

為了確定有關設計參數的控制值及其過渡過程本身變化規律，經對表3和表4所列工況進行計算，其中:機組的GD2取25010.7kN·m2，機組開啟規律采用30s一段直線開啟規律;機組關閉規律采用了兩種關閉規律:①15s一段直線關閉規律;②兩段折線關閉規律，即當開度大于0.5時采用斜率為1/12的直線關閉規律關閉導葉，開度小于0.5時采用斜率為1/20的直線關閉規律關閉導葉。計算結論如下:

(1)大波動過渡過程計算結果均能滿足設計要求，并存在一定的安全裕量。一段直線關閉規律與兩段折線關閉規律的壓力變化計算結果相差不大，主要差別體現在機組最大轉速變化上。

(2)上游調壓室結構尺寸采用調壓室體型優化的計算結果，最高、最低涌浪均滿足規范要求。

4.5 水力—機械系統小波動穩定性分析及水力干擾計算

4.5.1 小波動穩定性分析

在進行水力—機械系統小波動穩定性分析時，采用剛性水錘假定，并認為負荷擾動及上游、下游水位擾動均是微小量，并對其進行線性化處理。為偏于安全，假定本水電站單獨運行，即不考慮電力系統的影響。

由于水電站水力—機械系統的小波動穩定性與水輪機的水頭損失系數、工作水頭有關，水頭損失系數越小、工作水頭越小，穩定性越差。同時，在考慮水輪機機組及調速器的特性后，系統小波動穩定性也與機組穩定運行工況點的特性參數有關。因此，針對輸水系統水頭損失系數最小同時最小水頭滿出力運行工況以及接近空載運行工況分別對應兩種型式 (PI型、PID型)調速器的參數整定值(按Stein估算公式整定)進行系統小波動穩定性計算比較分析，其結論如下:

(1)從調壓室水位波動來看，各工況調壓室水位波動均在允許的范圍內。

(2)從機組轉速變化來看，所有工況均能進入±0.4%帶寬，水電站調節品質良好，其中在最小水頭接近于空載發電工況下，系統穩定性較差。

4.5.2 水力干擾計算

對機組的水力干擾工況進行分析計算后得出如下結論:

(1)單機甩負荷時，采用直線關閉規律與采用兩段折線關閉規律結果相差不大，主要差別在機組最大轉速變化和蝸殼末端最大壓力上，未甩機組由于水力干擾，最大軸力矩上升了21.4%，由于上游調壓室的水位波動的影響，機組力矩衰減比較慢，800s后的擺動不到6%，滿足相關規范要求。

(2)單機增負荷時，正常運行機組由于水力干擾，最小軸力矩下降了17.9%，由于上游調壓室的水位波動的影響，機組力矩衰減比較慢，450s后的擺動不到7%，滿足相關規范要求。

(3)對于吉林臺二級電站，在開度較大情況下，機組特性曲線較平緩，只要調速器參數在正常范圍整定，系統的小波動過程總是穩定的。對于PI型、PID型調速器，當參數均按Stein估算公式整定時，在相同的計算工況下，采用PID型調速器的系統穩定性較好。但為了保證水力—機械系統的調節品質，使其具有良好的魯棒性，緩沖時間常數Td不應小于6s，緩沖強度 (暫態轉差率)不應小于0.6;接近空載出力時，緩沖時間常數Td不應小于10s，緩沖強度 (暫態轉差率)不應小于0.6。

(4)關于本水電站的水力干擾計算，主要進行了單機甩負荷與單機啟動的計算，調節模式根據水電站將來實際的運行情況，采用功率調節，相關計算結果表明，各種計算指標均能夠滿足要求，但計算中由于無法涉及壓力脈動影響，尤其在一臺機組甩負荷，轉速上升最大時刻附近，實測的機組壓力脈動將會比計算值稍大。

5 結語

通過大量計算，對于吉林臺二級水電站，可得出如下結論:

(1)當采用一段直線關閉規律時，機組最短關閉時間為15s，正常工況下蝸殼末端最大壓力為62.5m，有一定的安全裕量。

(2)當采用分段折線關閉規律 (12～20s，折點0.5)時，只要關閉規律的折點及相關斜率設計的合適，系統的調保參數可較直線關閉規律有一定的改善。

(3)大波動過渡過程計算結果均能滿足設計要求，并存在一定的安全裕量。

(4)在開度較大情況下，機組特性曲線較平緩，只要調速器參數在正常范圍整定，系統的小波動過程總是穩定的。

(5)加大調壓室面積一定程度改善上游系統的最大壓力，降低了上游調壓室的最高涌浪，在調壓井面積給定情況下，隨著阻抗孔口尺寸的逐漸加大，調壓室最高涌浪逐漸加大，蝸殼末端最大壓力逐漸減小。

1 DL/T 5058—1996水電站調壓室設計規范 ［S］

2 DL/T 5186—2004水力發電廠機電設計規范 ［S］

3 張建，朱燁華.吉林臺二級水電站引水發電系統過渡過程分析專題報告［R］