國外某水電站擴機改造工程的可行性分析

殷 晶

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

機組甩負荷時，由于導葉迅速關閉，水輪機的流量會急劇變化，因此在水輪機壓力過水系統內會產生水擊而導致事故。在設計階段，就應計算出上述過渡過程中最大轉速上升值及最大壓力上升值[1]。

水電站為了提高水資源利用率，獲得更大的電量效益，在原引水系統的基礎上通過擴建新機組來增加發電量。由于引用流量的增加，調節保證計算需重新復核，其復核結果直接關系到方案的可行性。

2 實例分析

2.1 概 況

國外某水電站采用長引水式開發，樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統、引水系統、發電廠房及開關站組成。引水系統主要有進水口、引水隧洞、調壓井及壓力鋼管組成，引水系統總長約4.8 km，電站引用流量46.8 m3/s。電站裝機60 MW(30 MW×2)，額定水頭148.2 m。見表1。

表1 國外某水電站原機組(2#，3#機組)擴機前后主要參數表

2.2 擴建水輪機及附屬設備

2.2.1機組選型

電站新增裝機容量15 MW，發電廠房型式為地面廠房，電站額定水頭136.6 m，最大水頭161.7 m，最小水頭134.2 m。本電站水輪機運行水頭范圍在134.2～161.7 m之間，水頭變幅為27.4 m。此水頭段適合的水輪機最佳型式為混流式水輪機，因此電站新增水輪機采用立軸混流式。

綜合考慮效率、空化性能、額定流量等多方面的因素，本階段暫定選用D307作為水輪機代表轉輪開展相關設計工作。

2.2.2 機組臺數選擇

原電站裝機2×30 MW，結合本電站的特點，經技術經濟比較，本電站推薦新增一臺單機容量為15 MW的裝機方案。

2.2.3 水輪機發電機組主要參數

水輪發電機組參數如下：

水輪機額定出力Pr=15.544 MW

水輪機轉輪直徑D1=1.29 m

額定比轉速ns=160.2 m·kW

額定轉速n=600 r/min

額定流量 12.45 m3/s

額定工況點效率 ≥93.2%

安裝高程 86.2 m

發電機型號 SF15-10/2615

功率因數COSΦ 0.8

轉動慣量GD2 ≥95 t·m2

保證效率 ≥96.5%

2.3 調節保證計算

調節保證計算是研究機組突然改變較大負荷時調節系統過渡過程的特性，計算機組的轉速變化和壓力輸水系統壓力變化，選定導水機構合理的時間和啟閉規律，解決壓力輸水系統水流慣性、機組慣性力矩和調整特性三者之間的矛盾[2]。

2.3.1 設計標準

國外某水電站原為一洞二機的引水式電站，廠房形式為地面式，新增擴建機組后，電站引水系統布置見圖1。

原電站單機容量30 MW，裝機兩臺，擴機新增一臺單機容量15 MW的機組，原電站機組調節保證計算控制目標值：

機組最大轉速升高率保證值 ≤50%

蝸殼最大壓力值 ≤222 m

尾水管最小水壓 ≥-7 m·H2O

2.3.2 計算方法及結果

為了能準確計算出機組的大波動情況，采用計算機仿真軟件進行計算分析，其工況選擇及計算成果見表2和表3。

圖1 國外某水電站引水發電系統簡圖

表2 國外某電站1#擴機機組大波動過渡過程計算結果

表3 國外某電站2#，3#機組大波動過渡過程計算結果

2.3.2.1 1#新增機組

相應引水系統水流慣性時間常數Tw≈2.4 s，根據優化計算，確定水輪機導葉采用兩段關閉方式，第一段關閉速率0.12，第二段關閉速率0.044，拐點開度0.4，第一段關閉時間5 s，總關閉時間14 s。

機組GD2值按常規設計，機組額定轉速為600 r/min，GD2為95 t·m2，對應的機組慣性時間常數Ta=6.03 s。機組大波動過渡過程各項極值如下：

蝸殼最大壓力上升發生在校核洪水位下，兩臺機同時甩額定負荷，緊急停機，其蝸殼最大壓力為220.8 m·H2O。

機組校核洪水位下，兩臺大機同時甩額定負荷，至空載運行，機組最大轉速上升率為βmax=53.6%。

尾水管最小水壓HB為-2.1 m。

2.3.2.2 2#，3#原機組

相應引水系統水流慣性時間常數Tw≈2.1 s，根據優化計算，確定水輪機導葉采用兩段關閉方式，第一段關閉速率0.075，第二段關閉速率0.033，拐點開度0.4，第一段關閉時間8 s，總關閉時間20 s。

機組GD2值按常規設計，機組額定轉速為500 r/min，GD2為362 t·m2，對應的機組慣性時間常數Ta=7.98 s。機組大波動過渡過程各項極值如下：

蝸殼最大壓力上升發生在正常蓄水位下，3臺機同時甩全負荷緊急停機，蝸殼最大壓力為220.9 m·H2O。

正常蓄水位下，3臺機同時甩額定負荷至空載，機組最大轉速上升率為βmax=52.7%。

尾水管最小水壓HB為-6.5 m。

2.4 結論及建議

2.4.1 結 論

原機組調節保證計算最大轉速上升率控制目標值為50%，本次調節保證計算結果1#新增機組最大轉速上升率53.6%，2#，3#原機組最大轉速上升率52.7%，最大轉速上升率超出控制目標值，其余滿足要求。

根據《水力發電廠機電設計規范》(DL/T 5186-2004)[3]，“當機組容量占工作總容量的比重不大，或不擔負調頻時，宜小于60%。”本次最大轉速上升率計算結果機組滿足規范要求。

2.4.2 建 議

1) 與業主、水輪發電機廠溝通，原機組甩負荷時最大轉速上升率為52.7%，是否滿足要求。

2) 本次調節保證計算蝸殼最大壓力值220.9 m，接近最大承壓能力222 m，下階段原電站壓力鋼管做管道狀態評估，確保壓力鋼管的承壓能力。

3) 利用其它仿真計算軟件進行調節保證計算復核。

3 結 語

部分水電站運行過程中存在棄水，擴機改造能夠充分利用原電站浪費的棄水，擴大裝機規模，提高發電效益。對于擴機工程而言，調節保證計算的復核直接影響擴機方案的可行性與否，關系到水工建筑物和機組的安全與穩定。電站應據自身實際情況，因地制宜，有針對性的進行增容改造工作，為水電站取得實實在在的技改成效和經濟效益[4]。