增容改造水電站關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化及運(yùn)行限制條件分析

宗萬波

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽550081）

1 概況

PD電站正常蓄水位1145m，死水位1126m，第1臺(tái)機(jī)組于1994年5月發(fā)電，原裝機(jī)容量75MW，裝設(shè)3臺(tái)25MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造條件的限制，設(shè)備及其配套設(shè)施較差，電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)一系列的問題。為保證電站運(yùn)行安全，提高經(jīng)濟(jì)效益，在維持原水工建筑物尺寸不變的情況下，通過加大過流量，更換新機(jī)組來完成更新改造。

經(jīng)計(jì)算，確定新機(jī)組單機(jī)容量29MW、額定流量69.62m3/s。隨著單機(jī)容量與額定流量的增大，原關(guān)閉規(guī)律不一定能適應(yīng)改造后電站安全運(yùn)行的要求，需對新機(jī)組的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及運(yùn)行限制條件進(jìn)行分析。

2 關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化分析

為保證電站的安全運(yùn)行，結(jié)合招標(biāo)后確定的機(jī)組參數(shù)及原流道尺寸，利用水電站過渡過程仿真計(jì)算軟件，對改造后電站的關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行復(fù)核分析。

2.1 原關(guān)閉規(guī)律復(fù)核

本電站改造增容后3臺(tái)機(jī)額定引用流量為208.86m3/s，壓力引水系統(tǒng)最長的1臺(tái)機(jī)組LV值為1705.189m2/s，計(jì)算水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=3.659s。電站原導(dǎo)葉采用二段關(guān)閉方式，第一段關(guān)閉速率為0.2，第二段關(guān)閉速率為0.05，分段拐點(diǎn)處導(dǎo)葉相對開度為0.55，即第一段經(jīng)2.25s將導(dǎo)葉關(guān)閉至55%額定開度處，第二段11s將導(dǎo)葉完全關(guān)閉，總時(shí)間13.25s，按原規(guī)律計(jì)算各典型工況過渡過程知，改造后PD電站蝸殼壓力最高值Hmax=85.72m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=45.4%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計(jì)條件。尾水管進(jìn)口最低壓力為 -7.46m·H2O，符合規(guī)范要求的 -8m·H2O，但略低于按海拔修正的標(biāo)準(zhǔn)。水力瞬變過程中，引水隧洞頂板最低壓力為4.37m·H2O，滿足規(guī)范要求的當(dāng)機(jī)組突增或突減負(fù)荷時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)的最小壓力不低于2m·H2O的條件。

本電站配置SFD事故配壓分段關(guān)閉裝置，若分段關(guān)閉閥不動(dòng)作[1]則關(guān)閉規(guī)律變成直線關(guān)閉，為保證電站的安全，須進(jìn)行直線關(guān)閉的驗(yàn)算。

2.2 分段閥不動(dòng)作關(guān)閉規(guī)律驗(yàn)算

分段關(guān)閉閥不動(dòng)作時(shí)，電站導(dǎo)葉將按照第一段關(guān)閉規(guī)律直線關(guān)閉（即5s導(dǎo)葉從全開到全關(guān)），按此關(guān)閉規(guī)律復(fù)核計(jì)算各典型工況過渡過程可知，在分段關(guān)閉閥不動(dòng)作狀態(tài)下原關(guān)閉規(guī)律計(jì)算的調(diào)保結(jié)果不滿足規(guī)范要求（特別是隧洞頂部壓力值、蝸殼壓力值），不能保證電站安全運(yùn)行。要保證電站運(yùn)行過程的安全，必須進(jìn)行關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化計(jì)算。

2.3 關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計(jì)算

為保證分段關(guān)閉閥不動(dòng)作狀態(tài)下調(diào)保結(jié)果滿足規(guī)范要求，必須放緩第一段關(guān)閉時(shí)間。經(jīng)優(yōu)化試算后導(dǎo)葉第一段關(guān)閉速率為0.133，第二段關(guān)閉速率為0.06，分段拐點(diǎn)處相對導(dǎo)葉開度為0.6；即第一段經(jīng)3s將導(dǎo)葉關(guān)閉至60%額定開度處，第二段10s將導(dǎo)葉完全關(guān)閉，總時(shí)間13s。

根據(jù)優(yōu)化后的關(guān)閉規(guī)律，在分段關(guān)閉閥正常情況下，蝸殼壓力最高值Hmax=77.36m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=49.8%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計(jì)條件。尾水管進(jìn)口最低壓力為-7.47m·H2O，符合規(guī)范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的標(biāo)準(zhǔn)。引水隧洞頂部最低壓力為3.64m·H2O，滿足規(guī)范要求的當(dāng)機(jī)組突增或突減負(fù)荷時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)的最小壓力不低于2m·H2O的條件。當(dāng)分段關(guān)閉閥失靈情況下，蝸殼壓力最高值Hmax=88.1m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=49.9%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計(jì)條件。尾水管進(jìn)口最低壓力為-7.25m·H2O，符合規(guī)范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的標(biāo)準(zhǔn)。引水隧洞頂部最低壓力為-4.0m·H2O，不滿足規(guī)范要求的當(dāng)機(jī)組突增或突減負(fù)荷時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)的最小壓力不低于2m·H2O的條件。

3 運(yùn)行限制條件分析

為保證電站安全運(yùn)行，必須通過限制某些運(yùn)行條件從而使上游隧道頂部在任何工況（包括分段閥不動(dòng)作）下的最低壓力均滿足規(guī)范要求。

機(jī)組運(yùn)行限制，一般通過調(diào)速系統(tǒng)來完成，調(diào)速器通過接收水位、頻率、功率、開度（流量）等信號，完成對機(jī)組運(yùn)行的控制和限制。一般來說，水位常用于機(jī)組運(yùn)行限制條件，水庫調(diào)度運(yùn)行規(guī)程中也有相應(yīng)的條款明確。頻率、開度（流量）一般不作為機(jī)組運(yùn)行限制條件，功率作為限制條件時(shí)多用于機(jī)組避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行[3-4]。

針對需要運(yùn)行限制的2個(gè)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)保證試算，上游3臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)水庫最低水位控制在1132.82m，上游2臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)水庫最低水位控制在1128.35m，隧洞頂部壓力滿足規(guī)范要求。考慮到計(jì)算程序的誤差，為保證整個(gè)引水流道的安全，可規(guī)定上游3臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的最低庫水位為1133.50m，2臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的最低庫水位為1129.00m。

另外，由于本電站引水系統(tǒng)為一管三機(jī)布置型式，1臺(tái)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)會(huì)影響其余機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，為了保證系統(tǒng)安全（尤其是引水隧洞安全），實(shí)際運(yùn)行時(shí)建議每次只能對1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行增或減負(fù)荷操作，禁止同時(shí)對2臺(tái)及以上機(jī)組增負(fù)荷操作，單臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷的過程也應(yīng)緩慢平穩(wěn)。

4 結(jié)論

根據(jù)我國水電發(fā)展歷程，目前很多水電站待改造。對于增容改造的水電站，原導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律不一定能夠適應(yīng)新機(jī)組的運(yùn)行要求，須根據(jù)改造后實(shí)際條件（新單機(jī)流量、新單機(jī)容量、新模型特性等），對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化，優(yōu)化過程應(yīng)考慮全面，并根據(jù)計(jì)算需要提出電站運(yùn)行的限制條件。