哈拉軍水電站引水發電系統水力過渡過程分析

陸云才

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

哈拉軍水電站工程位于新疆特克斯縣境內的特克斯河一級支流庫克蘇河上，是伊犁河流域庫克蘇水力發電規劃報告中“二庫六級”中的第六個梯級電站。距特克斯縣12 km，距伊寧市131 km。哈拉軍水電站主要任務是發電，電站總裝機容量為38 MW，共安裝1臺24 MW+2臺7 MW混流式水輪發電機組，多年平均發電量1.48×108kW·h。電引水系統主要由壓力前池、引水隧洞、調壓井、壓力管道、岔管、支管組成。前池位于渠道末端，壓力前池與引水渠銜接，后接壓力隧洞，電站進水口底板高程1 217.000 m。發電洞布置在引水渠末端，前接壓力前池，采用一洞三機聯合供水的布置型式，額定水頭44.50 m。整個發電洞全長2 623.46 m，發電洞出口采用一管三機的布置型式，岔管采用非對稱Y型布置，通過分岔，后接支管引入主廠房內。

2 調壓室涌浪計算

2.1 組合工況

工況ZT1：上庫最高水位為(1 227.379 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機正常運行，大機正常啟動，在流入調壓室流量最大時，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現上游調壓室最高涌浪的控制工況。

工況ZT2：上庫最高水位為(1 227.379 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機正常運行，大機正常啟動，在調壓室水位最高時，3臺機同時甩負荷，該工況出現上游調壓室最高涌浪的控制工況。

工況ZT3：上庫最高水位為(1 227.379 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機超出力(8.83 MW)正常運行，大機正常啟動至超出力(26.53 MW)，在流入調壓室流量最大時，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現上游調壓室最高涌浪的控制工況(小糙率)。

工況ZT4：上庫最高水位為(1 227.379 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，兩小機超出力(8.83 MW)正常運行，大機正常啟動至超出力(26.53 MW)，在調壓室水位最高時，3臺機同時甩負荷，該工況出現上游調壓室最高涌浪的控制工況(小糙率)。

工況ZT5: 上庫最低水位為(1 224.781 m)，下庫設計尾水位(1 172.539 m)，兩小機正常運行，大機正常啟動，增至最大出力，在流入調壓室流量最大時，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現上游調壓室最低涌浪的控制工況。

工況ZT6: 上庫最低水位為(1 224.781 m)，下庫設計尾水位(1 172.539 m)，兩小機正常運行，大機正常啟動，增至最大出力，在調壓室水位最高時，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現上游調壓室最低涌浪的控制工況。

2.2 計算結果

見表1。

表1 調壓室最高涌浪計算結果

由表1計算結果可以看出，針對4種上游調壓室最高涌浪的復核工況，上游調壓室內最高涌浪為1 235.37 m，發生在小糙率工況ZT4，低于調壓室頂高程1 239.0 m，并有3.63 m的裕量。見圖1。

調壓室最低涌浪值為1 216.83 m，發生在大糙率工況ZT5、ZT6，高于調壓室底板高程1 214.40 m，并且在最不利時刻甩負荷后出現的最低涌浪低于機組開啟過程中的最低涌浪。見表2、圖2和圖3。

表2 調壓室最低涌浪計算結果

圖2 工況ZT5 調壓室水位隨時間變化過程線(大糙率組合)

圖3 工況ZT6 調壓室水位隨時間變化過程線(大糙率組合)

另外，在機組啟動時，上游調壓室水位將迅速降低。當水位降低至低于調壓室下游壓力鋼管進口頂部高程時，空氣將被吸入壓力鋼管，形成氣囊，出現氣液兩相流，應予以避免。因此，對于哈拉軍電站，有必要復核當3臺機組同時開啟時是否會出現調壓室漏空的現象。由于上庫水位越低出現調壓室漏空的幾率越大，故擬定以下工況作為控制工況：

工況F: 上庫最低水位為(1 224.781 m)，下庫設計尾水位(1 172.539 m)，3臺機組同時開啟至最大出力，復核調壓室是否出現漏空。對于工況F，其計算結果見表3。

表3 調壓室最低涌浪計算結果

由表3可以看出，在上庫水位最低的情況下同時開啟3臺機組，調壓室的水位較低，且最低涌浪為1 215.35 m，發生在大糙率工況，高于調壓室底部壓力管道的頂高程1 212.60 m，因此不會出現調壓室漏空的現象。見圖4。

圖4 工況F 調壓室水位隨時間變化過程線(大糙率組合)

3 機組關閉規律優化

哈拉軍水電站關閉規律主要考慮以下兩種控制工況。工況A:上庫最高水位為(1 227.379 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，額定出力，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現蝸殼末端最大壓力的控制工況(小糙率)；工況B:上庫水位為(1 224.925 m)，下庫正常尾水位(1 175.009 m)，額定水頭，額定出力，3臺機同時甩負荷，該工況可能出現轉速最大上升率與蝸殼末端最大壓力的控制工況(小糙率)。針對工況A和工況B，其具體計算結果見表4。

表4 一段直線關閉規律計算結果

從表4可知，機組關閉時間取11/8 s(大機11 s一段直線關閉，小機8 s一段直線關閉)時，最大轉速和蝸殼末端最大壓力均可滿足調保計算要求，并有一定的安全裕量。由于關閉過程中采用了大小機組不同的直線關閉規律，基本實現了機組轉速和最大壓力的優化控制，并且易于操作。

4 水力干擾分析

針對本電站的特點，擬定以下工況，工況R1-工況R4可能成為最大軸力矩上升的控制工況，工況R5-工況R8可能成為最小軸力矩的控制工況。見表5。

表5 水力干擾計算工況

機組甩負荷時，采用一段直線關閉規律，未甩機組由于水力干擾，最大軸力矩上升30%，上升值相對較大，主要由于本電站調壓室設置位置距離岔管較遠，達到200 m以上，但衰減較快，360 s后的力矩擺動不到4%，滿足相關要求。大機增負荷時，正常運行機組的水力干擾主要由上游調壓室的水位波動引起，小機的軸力矩下降10.3%，同時衰減比較快，150 s后的擺動不到4%，滿足相關要求。

5 水力-機械小波動穩定分析

為進一步論證哈拉軍電站水力-機械系統小波動過程的穩定性，擬定4種危險工況直接調用調速器方程與大波動過渡過程計算程序進行小波動過渡過程的復核計算，計算工況參數見表6。

表6 哈拉軍小波動過渡過程工況參數(糙率取最小組合)

1) 對于哈拉軍電站，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，系統的小波動過程滿足穩定需求。

2) 對于PI型、PID型調速器，在相同的計算工況下，采用PID型調速器的系統穩定性較好。對于最低水頭的X2工況，穩定性較差，建議該工況緩沖時間常數Td大于10 s，緩沖強度(暫態轉差率)bt大于0.6，微分時間常數Tn取1.0。

3) 電站的小波動穩定性與機組運行工況點密切相關。當水輪機在并網前后空載運行時，由于開度較小，工況點本身的穩定性較差；而且在機組空載工況時，沒有負載的自調節作用(ep=0)，整個系統的穩定性也將很差。建議在原型機上結合調速器參數的整定，共同優化這一暫態過程。

6 輸水系統及機組大波動過渡過程計算

哈拉軍水電站輸水系統大波動過渡過程均能滿足設計要求，并存在一定的安全裕量。其壓力包絡線統計了一段直線關閉規律下大糙率組合和小糙率組合的結果，詳見圖5至圖8。大糙率組合計算結果與小糙率計算結果相差不大，小糙率組合計算結果中各節點最大壓力略大，大糙率組合計算結果各節點最小壓力相對較小。

由于上游閘門布置在進水口附近，因此在大波動過程中，閘門井的涌浪幅度是很小的。上游閘門井頂部高程1 228.50 m，前池最高水位為1 227.379 m，存在1.12 m的空間。通過大波動過渡過程計算可知，上游閘門井最高涌浪為1 227.46 m，上游閘門井頂部高程為1 228.50 m，滿足要求。

圖5 輸水系統最大壓力包絡線(小糙率)

圖6 輸水系統最小壓力包絡線(小糙率)

圖7 輸水系統最大壓力包絡線(大糙率)

圖8 輸水系統最小壓力包絡線(大糙率)

7 結論及建議

7.1 結 論

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，系統的小波動過程是穩定的；對于PI型、PID型調速器，在相同的計算工況下，采用PID型調速器的系統穩定性較好。為保證水力-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取10.0 s，緩沖強度(暫態轉差率)bt取0.6，微分時間常數Tn取1.0。對于最低水頭運行工況，穩定相對較差，調速器參數可適當放大。

通過機組關閉規律進行比較計算，當采用11 s/8 s(大機/小機)的一段直線關閉規律時，在超出力組合工況下機組最大轉速上升率為55.80%，略超出標準，在電站實際運行中，該工況發生概率極小；正常工況下最大轉速上升率為52.99%，有一定的安全裕量；蝸殼末端最大壓力為76.35 m，滿足相應控制要求，且尾水進口最小壓力也可以得到很好的保證。在一段直線關閉過程中，大小機組采用不同的直線關閉規律，基本實現了機組轉速和最大壓力的優化控制，并且易于操作。另外，還針對哈拉軍水電站兩段折線關閉規律進行了研究，大機采用10/15(0.5)的兩段折線關閉，小機采用7/12 s(0.5)的兩段折線關閉，該關閉規律在改善蝸殼進口最大壓力的同時也降低了最大轉速上升值，可作為將來電站運行的安全儲備關閉方式。

根據哈拉軍電站輸水系統的上游調壓室過渡過程計算結果，調壓室最高、低涌浪、蝸殼進口最大壓力、機組轉速最大上升率均滿足相關規范要求，并存在一定的安全裕量。

關于機組開啟規律優化方面，相關計算結果表明，隨著開啟時間的加長，無論是對調壓室的涌浪、隧洞的壓力以及機組的蝸殼壓力等均是有利的，但水電機組需要啟動靈活、并網迅速，過快的開啟機組導葉將導致機組蝸殼壓力下降較多，且會產生壓力振蕩。因此綜合考慮后，機組的開啟規律建議取30 s一段直線開啟，如果開啟時間更長，理論上更安全。

7.2 建 議

建議采用11 s/8 s(大機/小機)的一段直線關閉規律，對于上游最高水位超出力發電先增后甩的組合工況(ZT4)，機組最大轉速上升率為55.8%，略高于規定的最大轉速上升率55%，為盡量避免此種組合工況的出現，可限制電站超出力運行。對于機組開啟工況，綜合考慮后機組的開啟規律建議取30 s一段直線開啟，如果時間開啟時間更長，理論上更安全。