單機(jī)1 000 MW級(jí)水電站洞機(jī)組合水力過渡過程研究

楊 飛 ，舒 靜，崔偉杰，李高會(huì)，倪紹虎

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2.水利部農(nóng)村電氣化研究所，杭州 310012)

水電站輸水系統(tǒng)的洞機(jī)組合，一般有單洞單機(jī)、一洞多機(jī)等布置型式[1]。若輸水系統(tǒng)較長(zhǎng)，為了節(jié)約工程投資，一般采用一洞多機(jī)的布置型式。若電站機(jī)組的單機(jī)容量較大，所需要的輸水系統(tǒng)的洞室規(guī)模越大，一條主洞配合的機(jī)組臺(tái)數(shù)不僅關(guān)系到投資大小，還會(huì)對(duì)電站的安全運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[2-4]。當(dāng)電站發(fā)生過渡過程時(shí)，不同洞機(jī)組合的輸水系統(tǒng)的壓力等參數(shù)可能會(huì)不同，對(duì)電站的安全要求也不相同[5-8]。因此，研究輸水系統(tǒng)不同洞機(jī)組合對(duì)水電站設(shè)計(jì)具有重要意義。

某水電站工程共16臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)為16 000 MW，額定水頭202.0 m，單機(jī)額定發(fā)電流量為547.8 m3/s，左右岸各布置8臺(tái)，廠房采用首部開發(fā)方式。由于引水系統(tǒng)長(zhǎng)度較短(約500 m)，采用單洞單機(jī)的布置型式。尾水系統(tǒng)較長(zhǎng)(約2 000 m)，初步確定可能采用一洞三機(jī)和一洞兩機(jī)的兩種布置型式。由于電站機(jī)組單機(jī)容量較大，當(dāng)發(fā)生過渡過程時(shí)，兩種布置型式下，輸水系統(tǒng)的壓力分布及機(jī)組運(yùn)行性能將受到極大影響。基于此，本文結(jié)合該單機(jī)1 000 MW級(jí)水電站輸水系統(tǒng)洞機(jī)組合開展研究，分析不同洞機(jī)組合情況下水力過渡過程的差異，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 有壓管道水錘

描述任意有壓管道中的水力瞬變的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程可以表示為[9,10]：

(2)

式中：H為壓力水頭，m；a為水擊波速，m/s；D為管道直徑，m；V為管道內(nèi)流速，m/s；f為摩阻系數(shù)；θ為管道與水平線的夾角。

對(duì)上述微分方程采用特征線方法求解后，可得有壓管道瞬變計(jì)算的特征相容方程為：

C+：HPi=CP-BPQPi

(3)

C-：HPi=CM-BMQPi

(4)

式中：CP、BP、CM、BM是t-Δt時(shí)刻的已知量。

1.2 水輪機(jī)邊界

水輪機(jī)邊界條件主要方程為：

HPU=CP1-BP1QP

(4)

HPD=CM2+BM2QP

(6)

(7)

(8)

(9)

Mt=M′1D31HηP/ηM

(10)

ω=2 πn

(11)

式中：HPU為水輪機(jī)進(jìn)口斷面壓頭；HPD為水輪機(jī)出口斷面壓頭；QP為水輪機(jī)過渡狀態(tài)時(shí)引用流量；HP為水輪機(jī)水頭；Mt為過渡狀態(tài)水輪機(jī)動(dòng)力矩；Mg為發(fā)電機(jī)阻力矩；ω為過渡狀態(tài)時(shí)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度；n為過渡狀態(tài)時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速；Q′1、M′1為過渡狀態(tài)時(shí)單位流量、單位力矩；J為機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D1為轉(zhuǎn)輪直徑； 分別為水輪機(jī)效率及模型效率；A1、A2分別為水輪機(jī)進(jìn)口出口斷面面積；CP1、BP1、CM2、BM2分別為上一時(shí)刻的已知值。

聯(lián)立上述方程，可求解水輪機(jī)過渡狀態(tài)中的水頭HP和轉(zhuǎn)速n值。

1.3 調(diào)速器方程

根據(jù)調(diào)速器的類型，采用下列傳遞函數(shù)[11]：

(12)

式中：G(s)為傳遞函數(shù)；Tn為加速時(shí)間常數(shù)；Ty為主接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)；bp為永態(tài)差值系數(shù)；bt為暫態(tài)差值系數(shù)；Td為緩沖裝置時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 大波動(dòng)過渡過程比較

水電站的大波動(dòng)過渡過程主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口最小壓力以及機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率等參數(shù)的大小。針對(duì)不同參數(shù)的典型控制性工況分別進(jìn)行一洞三機(jī)方案和一洞兩機(jī)方案過渡過程計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果如表1和圖1～圖3所示，三洞方案對(duì)應(yīng)一洞三機(jī)方案，四洞方案對(duì)應(yīng)一洞兩機(jī)方案。

表1 大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖1 蝸殼進(jìn)口壓力變化過程線

圖2 機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速變化過程線

圖3 尾水管進(jìn)口壓力變化過程線

分析表1及圖1～圖3的計(jì)算結(jié)果可知，兩方案蝸殼進(jìn)口最大壓力及機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率極值均較接近，由于蝸殼進(jìn)口最大壓力及機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率主要受引水系統(tǒng)的影響，而不論是一洞兩機(jī)方案還是一洞三機(jī)方案引水系統(tǒng)均采用的是單洞單機(jī)布置，故兩種方案下蝸殼進(jìn)口最大壓力及機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率的影響較小；由于一洞兩機(jī)方案的尾水隧洞稍長(zhǎng)，因此尾水管進(jìn)口最小壓力一洞兩機(jī)方案相對(duì)較差，但兩種方案的計(jì)算出的極值相差并不大。總體上，不同洞機(jī)組合對(duì)大波動(dòng)過渡過程影響較小。

2.2 水力干擾過渡過程比較

水力干擾主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是出力擺動(dòng)。發(fā)電機(jī)出力等于電流與電壓的乘積，其勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性使發(fā)電機(jī)端電壓能很快穩(wěn)定，所以出力擺動(dòng)主要表現(xiàn)為電流隨時(shí)間的變化[12-14]。水力干擾過渡過程分析主要考慮并理想大電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)及并理想大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)兩種運(yùn)行方式。并理想大電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)模式下，調(diào)速器參與調(diào)節(jié)，受擾機(jī)組等出力運(yùn)行，此調(diào)節(jié)模式水力干擾程度一般較小。并理想大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)模式下，同一水力單元先甩機(jī)組幾乎不會(huì)引起電網(wǎng)頻率的變化，未甩機(jī)組受電網(wǎng)的拖動(dòng)影響，轉(zhuǎn)速幾乎沒有變化，因此測(cè)頻元件基本不起作用，調(diào)速器將不動(dòng)作，水力干擾引起的負(fù)荷波動(dòng)完全由電網(wǎng)吸收，受擾機(jī)組作等開度運(yùn)行，此調(diào)節(jié)下機(jī)組的過電流強(qiáng)度最大，若此工況不能滿足設(shè)計(jì)要求，則可能導(dǎo)致受擾機(jī)組因?yàn)檫^電流保護(hù)而發(fā)生甩負(fù)荷事故[15]。對(duì)于單機(jī)容量為1 000 MW的電站，水力干擾問題更為突出。

計(jì)算工況：額定水頭，額定出力，三臺(tái)機(jī)(兩臺(tái)機(jī))正常運(yùn)行，兩臺(tái)機(jī)(一臺(tái)機(jī))突甩全負(fù)荷，另一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行。

不同洞機(jī)組合的水力干擾計(jì)算結(jié)果見表2及圖4～圖7。

表2 水力干擾過渡過程計(jì)算結(jié)果

圖4 正常運(yùn)行機(jī)組出力變化過程線

圖5 正常運(yùn)行機(jī)組出力變化過程線

圖6 正常運(yùn)行機(jī)組出力變化過程線

圖7 正常運(yùn)行機(jī)組出力變化過程線

由表2及圖4～圖7可以看出：兩種調(diào)節(jié)模式下，一洞三機(jī)布置的水力單元的最大出力與額定出力比值較一洞兩機(jī)布置的水力單元的大；對(duì)于超額定出力時(shí)間，功率調(diào)節(jié)模式下，一洞三機(jī)布置的水力單元的大于一洞兩機(jī)布置的水力單元，頻率調(diào)節(jié)模式下則相反；一洞三機(jī)布置的水力單元最大出力擺動(dòng)幅度及超出力2%的持續(xù)時(shí)間均大于一洞兩機(jī)布置的水力單元。由于單機(jī)機(jī)組容量較大，一洞三機(jī)布置的方案水力干擾最危險(xiǎn)工況，第三臺(tái)受到的擾動(dòng)來自于兩臺(tái)機(jī)，因此一洞兩機(jī)布置的水力單元的水力干擾程度略優(yōu)于一洞三機(jī)布置的水力單元。

2.3 小波動(dòng)過渡過程比較

小波動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為，主波進(jìn)入規(guī)定頻率變化帶寬(±0.4%額定頻率)調(diào)節(jié)時(shí)間不超過24Tw≈45 s以及衰減度大于80%[12]。一洞兩機(jī)方案和一洞三機(jī)方案的小波動(dòng)的結(jié)果見表3和圖8～圖9所示。

表3 兩方案小波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果

圖8 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程線(A1017)

圖9 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程線(A1017)

由表3及圖8～圖9可以看出：同一水力單元機(jī)組同時(shí)減額定負(fù)荷的10%時(shí)，一洞三機(jī)方案偏離穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波動(dòng)次數(shù)為1次，從甩負(fù)荷后接力器首次向開啟方向移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速進(jìn)入±0.4%頻率帶寬的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過18.8 s，機(jī)組最低轉(zhuǎn)速最低為95.1%額定轉(zhuǎn)速；一洞兩機(jī)方案水力單元偏離穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%以上的波動(dòng)次數(shù)為1次，從甩負(fù)荷后接力器首次向開啟方向移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速進(jìn)入±0.4%頻率帶寬的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過18.5 s，機(jī)組最低轉(zhuǎn)速最低為95.1%額定轉(zhuǎn)速，均滿足規(guī)范的要求。不同洞機(jī)組合布置，機(jī)組的小波動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差異較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)單機(jī)1 000 MW級(jí)水電站不同洞機(jī)組合布置的方案的水力過渡過程計(jì)算表明：

(1)不同的洞機(jī)組合布置對(duì)大波動(dòng)過渡過程結(jié)果影響較小，蝸殼進(jìn)口最大壓力、尾水管進(jìn)口最小壓力、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但是一洞三機(jī)方案比一洞兩機(jī)方案結(jié)果稍差。

(2)水力干擾工況，由于電站機(jī)組的單機(jī)容量較大，一洞三機(jī)的過負(fù)荷水平較一洞兩機(jī)的過負(fù)荷水平高，對(duì)受擾動(dòng)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行不利，但受擾動(dòng)機(jī)組超出力幅度和時(shí)間均能滿足規(guī)范要求。

(3)小波動(dòng)工況，不同洞機(jī)組合布置對(duì)機(jī)組的小波動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)影響較小。

因此，從水力學(xué)角度來看，若機(jī)組單機(jī)容量較大，不同布置型式輸水發(fā)電系統(tǒng)的水力過渡過程的差異主要體現(xiàn)在水力干擾工況，最危險(xiǎn)工況下，一洞三機(jī)方案較一洞兩機(jī)方案水力學(xué)條件差，正常運(yùn)行機(jī)組會(huì)受到多臺(tái)機(jī)組的擾動(dòng)。最終推薦采用一洞兩機(jī)的布置方案。

□

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