五里峽水電站水輪機調節保證計算分析

譚劍波 宋亮 馮建棟

摘 要：根據五里峽水電站引水系統特征、裝機組合及規范指標要求，對過渡過程調節特性進行了詳細調節保證計算，獲得了水輪機在額定水頭和最大水頭下的100%丟棄負荷條件下的機組轉速和壓力上升率。計算成果表明：機組導葉關閉時間設置為6s，可以獲得較好調節穩定性和調節質量，確保電站安全穩定運行。

關鍵詞：水輪機；調節保證；五里峽水電站

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0099-02

Calculation and Analysis of Regulation Stability of

Wulixia Hydropower Station

TAN Jianbo SONG Liang FENG Jiandong

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： According to the characteristics of water diversion system，hydro-turbine installed combination and specification requirements of Wulixia hydropower station， the research of regulation guarantee calculation has been done， and the unit speed and pressure rise rate during 100% load drop working condition at rated head and maximum head. The calculation results show that： the units turn-off time of the guide cane with 6s can obtain good regulating stability and regulating quality， and also can ensure the safe and stable operation of the power station.

Keywords： hydro-turbine；regulation guarantee；Wulixia Hydropower Station

調節保證計算是農村小水電增效擴容改造工程中機組選型的重要研究內容。通過合理計算分析可以揭示水輪機在大小波動過渡過程中的非線性特性，尤其可以獲得甩負荷等特殊工況條件下的運轉特性[1]。詳細調節保證計算可以讓設計人員準確掌握水輪機導葉在不同關閉規律下的水壓上升和轉速上升關系，并結合計算結果合理設置關閉時間，以改善機組過渡過程特性，確保機組安全穩定地運行。

1 工程概況

太白縣五里峽水電站位于太白縣桃川鎮杜家莊村境內的火箭溝溝口，即東經107°28′，北緯34°03′，距太白縣16.4km，與姜眉路一河之隔，距110kV桃川變電站2km，且為河川平地，并網條件優越。改造總裝機容量3 650kW（800kW+1 250kW+1 600kW），電站設計凈水頭71.2m，設計引用流量6.25m3/s，年利用小時數5 130h，年發電量1 860萬kW·h。根據《小型水電站機電設計手冊》（水力機械）中各機型水輪機的應用范圍，選擇機型為混流式水輪機（30～700m）。根據額定水頭和單機容量，查水輪機型譜，具體選擇水輪機型號為HLA685-WJ-50（配800kW發電機）、HLA678-WJ-60（配1 250kW發電機）、HLA685-WJ-71（配1 600kW發電機）。

2 水輪機調節保證計算

2.1 計算原則

五里峽水電站為1管3機引水系統，由1根壓力鋼管向3臺機供水。調節保證計算遵循《水力發電廠機電設計規范》要求[2]，即壓力上升值應小于30%～50%；速率上升值小于50%～60%。

2.2 調節保證計算過程

根據《水力發電廠機電設計規范》的要求，五里峽水電站調節保證計算選擇額定水頭時所有機組滿發同時甩負荷，以及最高水頭時所有機組滿發同時甩負荷兩種情況，確定大小機組水擊壓力變化。五里峽水電站額定水頭71.2m，規定水頭小于170m，在間接水擊中其水擊壓力最大值出現在末相；大于250m，水擊壓力最大值出現在第一相。壓力上升值公式為：

[hm=2σ2-σ] （1）

轉速上升值計算公式為：

[β=1+365N0n0GD2（2Tc+Tnf）-1] （2）

100%丟棄負荷時，不同導葉關閉時間對應的轉速及壓力上升值為：

[a=1 4351+DEwδEs] （3）

式中：a為水擊波速（m/s），EW為水的體積彈性模量，[Ew=2.1×109Pa]；D為管道內徑（cm）；δ為管壁厚度（cm）；[Es]為鋼材的彈性模量，[Es=2.1×1011Pa]。

由式（3）得出a=1 060m/s，則水擊的相長為：

[tr=2La=2×1631 060=0.31s] （4）

由于電站水頭（71.2m）在H0=40～100m范圍內，規定最大水壓力相對升高值?m=0.3～0.5。丟棄100%負荷時轉速允許上升值[δmax]=0.5～0.6。

2.3 調節保證計算結果

800kW機組，轉動慣量為1.33t·m2，額定轉速為1 000r/min；1 250kW機組，轉動慣量為2.173t·m2，額定轉速為1 000r/min；1 600kW機組，轉動慣量為4.72t·m2，額定轉速為750r/min。額定水頭和最大水頭下的100%丟棄負荷機組轉速和壓力上升率計算結果如表1所示。

機組關閉時間的選取原則是：在選用的關閉時間內轉速與壓力上升值均應在規定內，并盡可能使壓力上升值小些。根據此原則，建議機組關閉時間為6s。

3 結語

水輪機調節系統的調節可靠性、準確性與機組關閉規律和關閉時間有著密切聯系，其調速特性參數設置會直接影響機組調節品質的優劣，甚至影響整個水電站系統調節的安全和穩定。結合相關規范指標要求，通過詳細調節保證計算，五里峽水電站建議3臺水輪發電機組均按6s關閉時間進行調速器調節參數設置，以確保機組在大小波動環境中具有良好的調節穩定性和調節質量。

參考文獻：

[1]郭文成，楊建東，王明疆.基于Hopf分岔的變頂高尾水洞水電站水輪機調節系統穩定性研究[J].水利學報，2016（2）：189-199.

[2]逯鵬.贊比亞LUNZUA水電站水輪機調節保證計算研究[J].紅水河，2015（3）：32-36.