涔天河水電站大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算與分析

摘 要：本文介紹了涔天河水電站大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算的工況選擇及計(jì)算成果，分析并確定水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算控制值和設(shè)計(jì)值。工況選擇時(shí)涵蓋全水頭范圍運(yùn)行，并需要與實(shí)際運(yùn)行工況相近，了解典型工況規(guī)律，以便利用典型工況快速進(jìn)行洞徑比選、機(jī)組飛輪力矩敏感性分析及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化等。

關(guān)鍵詞：涔天河水電站；水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算；工況選擇；大波動(dòng)；分段關(guān)閉

1 前言

涔天河水電站位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開(kāi)發(fā)的第一個(gè)梯級(jí)，下距江華縣城12km。涔天河水庫(kù)是一座以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電工程。電站裝機(jī)4臺(tái)50MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)9MW臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量209MW，為引水式電站、地面廠房，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)枯、調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。

電站壓力引水系統(tǒng)為5機(jī)一管的引水方式，引水總管管徑φ9.5m，長(zhǎng)約478.7m，不設(shè)調(diào)壓井。每臺(tái)大機(jī)組支管管徑φ4.1m，小機(jī)組支管管徑φ1.8m，每臺(tái)機(jī)組金屬蝸殼上游側(cè)裝有進(jìn)水蝶閥。

電站采用220kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，一回出線接至220kV江華變電站，線路的長(zhǎng)度約為7km。發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用兩組擴(kuò)大單元接線，設(shè)置兩臺(tái)升壓變壓器，每段母線連接兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)變壓器，兩臺(tái)變壓器容量均為120MVA；220kV電壓側(cè)采用單母線接線。當(dāng)四臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，高壓側(cè)母線故障或者線路故障均有可能導(dǎo)致四臺(tái)機(jī)組同時(shí)跳閘。

本工程9MW小機(jī)組用于大機(jī)組停機(jī)時(shí)維持下游生態(tài)流量用，因此大機(jī)組與小機(jī)組不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，不存在大機(jī)組與小機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷的情況，故大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算按四臺(tái)大機(jī)組不同工況運(yùn)行時(shí)同甩負(fù)荷考慮，下文提到機(jī)組均指大機(jī)。電算軟件采用河海大學(xué)水力機(jī)組微機(jī)控制技術(shù)開(kāi)發(fā)研究室開(kāi)發(fā)的《水電站水力-機(jī)械過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算系統(tǒng)》。

2 基礎(chǔ)資料

大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算所需基礎(chǔ)資料包括電站上下游特征水位、水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)及水輪機(jī)模型資料、壓力引水系統(tǒng)布置參數(shù)等，本工程部分基礎(chǔ)資料參數(shù)如下：

（1）水庫(kù)水位：

校核洪水位：320.27m 設(shè)計(jì)洪水位：317.76m

正常蓄水位：313.0m 死水位：270.0m

（2）尾水水位：

校核洪水位：229.25m 設(shè)計(jì)洪水位：229.11m

最低尾水位：220.5m

（3）凈水頭：

最高水頭：94m 最低水頭：46m

（4）水輪機(jī)參數(shù)：

水輪機(jī)型號(hào)：HLTF120-LJ-290 額定轉(zhuǎn)速：230.8r/min

額定水頭：77.5m 額定流量：72.69m3/s

額定出力：51.55MW 機(jī)組飛輪力矩：≥2900t·m2

3 控制值選擇

根據(jù)《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（SL511-2011）的規(guī)定選擇水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算控制值如下：

（1）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值小于55%；

（2）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的蝸殼最大壓力升高率保證值小于45%；

（3）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的尾水管進(jìn)口斷面的最大真空保證值不大于8m水柱。

4 計(jì)算工況說(shuō)明及結(jié)果分析

本工程大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算的目的是算出過(guò)渡過(guò)程中壓力引水系統(tǒng)的最大水錘壓力和機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速升高率，用以確定金屬蝸殼和壓力鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)機(jī)組飛輪力矩GD2進(jìn)行敏感性分析、優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律?；谏鲜瞿康?，同時(shí)為使得計(jì)算工況能涵蓋全水頭運(yùn)行范圍，擬定的計(jì)算工況及其說(shuō)明見(jiàn)表1。

工況選定后一般先按導(dǎo)葉一段直線關(guān)閉進(jìn)行大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算，選出出現(xiàn)蝸殼最大壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速的工況，并確定導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，再以選出的工況和導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行機(jī)組飛輪力矩的敏感性分析計(jì)算及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算，本工程一段直線關(guān)閉不能滿足選擇的控制值，因此按導(dǎo)葉兩段折線關(guān)閉規(guī)律考慮，限于篇幅僅附最終計(jì)算結(jié)果，略去中間成果，計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

從表4可以看出，蝸殼壓力升高率極值、蝸殼壓力極值、尾水管最小壓力極值及機(jī)組轉(zhuǎn)速升高率極值集中出現(xiàn)在最大水頭到額定水頭運(yùn)行的工況（CTH1～CTH4工況），即為典型工況。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用分段關(guān)閉規(guī)律，四臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，蝸殼最大壓力升高率為42.3%，蝸殼末端最大壓力134.67mH2O，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率為52.9%，尾水管最小壓力0.08mH2O，均低于控制值。據(jù)此，推薦金屬蝸殼和壓力鋼管最大設(shè)計(jì)壓力140mH2O，機(jī)組過(guò)速保護(hù)整定值：第一道電氣保護(hù)整定115%nr（nr為額定轉(zhuǎn)速），第二道電氣保護(hù)整定140%nr，第三道機(jī)械保護(hù)整定150%nr。

導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律見(jiàn)圖1，典型工況水力過(guò)渡過(guò)程圖形見(jiàn)圖2～4。

5 結(jié)語(yǔ)

涔天河水電站大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算包括引水隧洞洞徑比選、設(shè)置引水調(diào)壓井方案比選、機(jī)組飛輪力矩敏感性分析、導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算、水錘波疊加探討計(jì)算、小波動(dòng)穩(wěn)定性分析計(jì)算、調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化計(jì)算等，限于篇幅，本文僅展現(xiàn)了推薦方案大波動(dòng)水力過(guò)渡過(guò)程電算成果，通過(guò)電算成果掌握最大壓力升高率和最大轉(zhuǎn)速升高率出現(xiàn)的典型工況，即額定水頭以上滿出力運(yùn)行的各種工況，以便前期工作快速完成方案比較過(guò)渡過(guò)程電算。