水電站大波動(dòng)計(jì)算取值問題

朱 麗 輝

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650203）

前言

在水電站設(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)組在各種水頭下甩全部負(fù)荷，所引起的水輪機(jī)前壓力管道（蝸殼）中的水錘壓力變化、水輪機(jī)尾水管真空度變化，以及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化值等進(jìn)行的計(jì)算，統(tǒng)稱為大波動(dòng)計(jì)算（調(diào)節(jié)保證計(jì)算），其計(jì)算值應(yīng)滿足國家相關(guān)規(guī)定的要求。調(diào)節(jié)保證計(jì)算對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要，在電站招標(biāo)設(shè)計(jì)階段之前，它是引水系統(tǒng)及調(diào)壓井設(shè)計(jì)、壓力管道強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)之一；在招標(biāo)和施工設(shè)計(jì)階段，它又是水輪機(jī)蝸殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；而在機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電前，計(jì)算所確定的機(jī)組導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉規(guī)律，將是調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)整定的重要理論依據(jù)。

1 相關(guān)問題

1.1 計(jì)算方法

在電站設(shè)計(jì)手冊中，分別對(duì)水錘壓力計(jì)算和轉(zhuǎn)速變化計(jì)算給出了幾個(gè)近似的計(jì)算公式，這些公式對(duì)邊界條件進(jìn)行了諸多假設(shè)和簡化，使計(jì)算結(jié)果誤差較大。現(xiàn)階段在電站設(shè)計(jì)中都已基本不再使用，而是采用有壓管道非恒定流數(shù)學(xué)模型和特征線法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。在目前設(shè)計(jì)中，使用較多的是武漢大學(xué)水利水電學(xué)院與水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院聯(lián)合開發(fā)的《水電站過渡過程計(jì)算軟件》和河海大學(xué)編制的《水電站水力機(jī)械過渡過程仿真計(jì)算通用軟件》。這兩個(gè)程序的計(jì)算精度較高，在電站設(shè)計(jì)的前期階段，無論采用哪個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果，均能滿足要求。但對(duì)于有分岔管路的復(fù)雜引水系統(tǒng)電站和大型電站，最好能分別采用兩個(gè)程序進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 計(jì)算工況的選取

計(jì)算工況的選取應(yīng)根據(jù)電站引水系統(tǒng)的布置特點(diǎn)、水輪機(jī)特性、機(jī)組運(yùn)行工況、電站主接線連接方式和電網(wǎng)的要求等因素綜合分析確定，一般需計(jì)算以下幾種工況：（1）上游最高蓄水位，下游設(shè)計(jì)尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（2）上游最高蓄水位，下游正常尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（3）上游正常蓄水位，下游設(shè)計(jì)尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（4）上游正常蓄水位，下游正常尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（5）上游正常蓄水位，下游最高尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（6）上游死水位，下游設(shè)計(jì)尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（7）上游死水位，下游正常尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（8）最大水頭，下游設(shè)計(jì)尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（9）額定水頭，下游設(shè)計(jì)尾水位，事故甩負(fù)荷工況；（10）空載工況的穩(wěn)定性計(jì)算。

1.3 多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷問題

在進(jìn)行大波動(dòng)計(jì)算時(shí)，需要考慮是否有多臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷問題。一般需根據(jù)以下情況確定：

對(duì)于幾臺(tái)機(jī)共用一回出線的電站，存在線路故障導(dǎo)致多臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷情況，在進(jìn)行大波動(dòng)計(jì)算時(shí)，應(yīng)計(jì)算多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)的工況。

對(duì)于一根引水主管分叉接幾臺(tái)機(jī)的引水系統(tǒng)，應(yīng)計(jì)算多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷工況。要特別引起注意的是，這樣的引水系統(tǒng)，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)致引水管壓力升高時(shí)，會(huì)波及相鄰機(jī)組，引起相鄰機(jī)組甩負(fù)荷，這就將形成壓力波疊加問題。如果機(jī)組頻率也正好導(dǎo)致壓力波疊加，這將是極其危險(xiǎn)的，對(duì)機(jī)組和引水系統(tǒng)的破壞將十分嚴(yán)重。

對(duì)于出線、主接線設(shè)計(jì)方式和引水系統(tǒng)方式均不會(huì)產(chǎn)生多臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷工況的電站，可只計(jì)算單機(jī)甩負(fù)荷工況。

如某電站一臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷和兩臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷算例見表1。該電站4臺(tái)機(jī)組，按二機(jī)一尾水調(diào)壓室，一尾水隧洞格局布置。單機(jī)容量 475MW，最大水頭149.0m，額定水頭 130.0m，額定轉(zhuǎn)速 111.1r/min。從計(jì)算看出，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷的壓力上升比一臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷的壓力上升要多高出6m左右，而轉(zhuǎn)速上升要高出大約1%。

表1 甩負(fù)荷計(jì)算結(jié)果（有效關(guān)閉時(shí)間12s，直線關(guān)閉規(guī)律）

1.4 最大轉(zhuǎn)速升高率保證值的選取

前蘇聯(lián)《水電站機(jī)電設(shè)備手冊》中規(guī)定，允許混流式水輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)的速率上升小于或等于 55%～60%；對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)應(yīng)小于或等于 50%～55%；而對(duì)于水斗式水輪機(jī)，借助折向器的快速動(dòng)作速率上升應(yīng)小于或等于15%～20%。

我國原來使用的標(biāo)準(zhǔn)是參考前蘇聯(lián)規(guī)定而來，按反擊式機(jī)組 45%～55%、水斗式機(jī)組 30%進(jìn)行控制。在總結(jié)我國多年來電站設(shè)計(jì)及運(yùn)行的基礎(chǔ)上，現(xiàn)行的DL/T5186《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速升高率保證值提高了 5%，規(guī)定反擊式機(jī)組按50%～60%、水斗式機(jī)組按30%進(jìn)行控制。而燈泡式機(jī)組由于機(jī)組的慣性矩較小，且機(jī)組容量占系統(tǒng)比重一般較少，對(duì)電力系統(tǒng)影響不大，故最大轉(zhuǎn)速升高率適當(dāng)放寬為65%。

在電站設(shè)計(jì)中，最大轉(zhuǎn)速升高率保證值應(yīng)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)選定，不能超出標(biāo)準(zhǔn)要求。而計(jì)算值，則應(yīng)在保證值的基礎(chǔ)上再考慮留有適當(dāng)裕度來確定。不同設(shè)計(jì)階段的計(jì)算值裕度是不同的，建議按以下選?。?/p>

（1）在預(yù)可行性研究階段和可行性研究階段，最大轉(zhuǎn)速升高計(jì)算值控制界限應(yīng)比保證值低 4%～5%，水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用直線關(guān)閉，不考慮分段關(guān)閉；

（2）在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，機(jī)組采購時(shí)要求允許的最大轉(zhuǎn)速升高按保證值確定，并按計(jì)算值控制界限確定對(duì)機(jī)組GD2的要求。

（3）在水輪機(jī)完成模型試驗(yàn)后，要重新復(fù)核調(diào)節(jié)保證計(jì)算。這個(gè)階段由于基礎(chǔ)資料詳實(shí)，裕度主要考慮計(jì)算誤差，計(jì)算值比保證值略低2%～3%即可。

（4）對(duì)于水頭在300m以上的電站，由于水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速較低，只是額定轉(zhuǎn)速的170%左右，建議調(diào)保計(jì)算的保證值取45%，而計(jì)算值最好不要超過40%，否則在甩負(fù)荷時(shí)容易造成機(jī)組飛逸。

1.5 最大壓力升高率保證值的選取

蝸殼允許的最大壓力升高率保證值，最終應(yīng)由技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較確定，在相關(guān)規(guī)范內(nèi)，已根據(jù)各檔不同水頭范圍規(guī)定了相應(yīng)的數(shù)值，如果選取的壓力升高保證值在規(guī)范推薦范圍內(nèi)，則不需進(jìn)行專題論證。但如果電站引水系統(tǒng)確實(shí)需要提高壓力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求，則必須進(jìn)行專題論證。計(jì)算值與保證值之間的裕度，應(yīng)根據(jù)電站水頭不同分別選擇，當(dāng)水頭為 100m以下時(shí)，保證值按規(guī)范推薦的上限選取，裕度按10%～20%考慮；當(dāng)水頭在100～300m時(shí)，裕度按5%～10%考慮；當(dāng)水頭大于300m時(shí)，裕度按3%～5%考慮。

對(duì)于甩負(fù)荷時(shí)尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度，前蘇聯(lián)《水電站機(jī)電設(shè)備手冊》推薦，尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度為-6.5m～-7.5m；我國《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦為-8m。由于不同電站海拔相差很大，設(shè)計(jì)選取保證值時(shí)，在規(guī)范的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮海拔修正，即尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度保證值為：-8m+▽安裝高程/900。

2 結(jié)論

考慮到在前期設(shè)計(jì)時(shí)，由于沒有最終水輪機(jī)模型資料，且甩負(fù)荷時(shí)蝸殼中存在壓力脈動(dòng)以及計(jì)算時(shí)存在誤差等因素，電站引水系統(tǒng)及機(jī)組的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值必須按規(guī)程規(guī)范選取，計(jì)算值與保證值之間必須留有適當(dāng)?shù)脑６?，以確保工程安全。