涔天河水庫擴建工程樞紐電站水力過渡過程計算分析

夏凱歌，李 鵬

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游，具有灌溉、防洪、下游補水和發電、兼顧航運等綜合利用效益，在系統中承擔調枯、調峰、調頻、事故備用等任務。電站裝設4 臺單機容量50 MW 立式混流式水輪發電機組。不設調壓井。輸水系統采用4 機1 管的引水方式，主洞洞徑9.5m，長478.7 m，支管管徑Φ4.1 m，最遠1 臺機組支管長度為27.4 m，管路示意見圖1。

圖1 管路示意圖

2 設計依據

1）《水利水電工程機電技術規范》SL 511-2011；

2）《水輪機控制系統技術條件》GB/T 9652.1-2007。

3 水力過渡過程計算控制值確定

1）機組甩負荷時的最大轉速升高率保證值小于55%；

2）機組甩負荷時的蝸殼最大壓力升高率保證值小于45%；

3）機組甩負荷時的尾水管進口斷面的最大真空保證值不大于8 m 水柱。

4 軟件介紹

電算軟件采用河海大學水力機組微機控制技術開發研究室開發的《水電站水力-機械過渡過程仿真計算系統》。該軟件采用優化方法進行水輪機水壓力和轉速迭代計算，先用進退法求出包含解的區域，然后用區域分割法求出解。經已建成電站對比驗證，該軟件計算結果與電站運行過渡過程工況相近，能較好地反應真實的水力過渡過程情況。

5 水力過渡過程計算

5.1 計算水位組合

計算水位組合選取典型水位組合和普通水位組合兩種，結合電站多種運行水位組合計算結果，選出最危險水位組合即典型水位組合，計算典型水位組合用以優化相關計算參數，最后根據相應參數計算普通水位組合加以驗證（表1、表2）。

表1 典型水位組合

表2 普通水位組合

5.2 機組參數優化

5.2.1 導葉關閉規律優化

1）直線關閉規律優化

選取的GD2為2 900 t·m2，關閉方式為直線關閉。

根據選定的上述兩個控制水位組合，分別進行計算，直線關閉時間分別取10 s、11 s、12 s、13 s、14 s。

由圖2～圖3，可得出在直線關閉時的結論：

圖2 CTH1 主要參數與關閉規律關系

圖3 CTH2 主要參數與關閉規律關系

①隨著關閉時間增大，蝸殼壓力升高率逐漸降低，轉速升高率逐漸增大。

②蝸殼壓力上升率最大值出現在CTH1 水位組合，轉速上升率最大值出現在CTH2 水位組合。

③直線關閉的方式不能滿足選取的過渡過程計算控制條件，不能同時滿足兩個典型工況的轉速升高率保證值和壓力升高率保證值的要求。

2）分段關閉規律優化

分段關閉方式采用兩段關閉。

根據選定的兩個控制水位組合，分別進行計算，分段關閉時間分別采取3 個方案（見表3）。

從表3 計算結果可以看出，采用分段關閉規律后，機組的轉速上升率和壓力上升率得到很好的改善。由上面的計算結果可以看出，甩負荷時轉速升高率處于臨界處，因此考慮導葉第一段關閉時間較短時，能改善甩負荷時的轉速升高率，綜合比較壓力上升率等因素，本階段推薦導葉關閉規律為第一段關閉時間為5 s，第二段關閉時間為15 s，見圖4。

表3 分段關閉時水力過渡過程計算結果

圖4 導葉關閉規律圖

5.2.2 機組GD2優化

機組GD2取值對機組轉速有較大影響，為了分析機組GD2值對輸水系統及機組有關設計參數的影響，并為機組GD2值的選取提供依據，有必要對機組GD2不同取值進行過渡過程比較計算。

根據電站實際情況和前期試算結果，選定上述兩個控制水位組合,并采用分段關閉規律，選定GD2比較參數分別為2 600 t·m2、2 700 t·m2、2 800 t·m2、2 900 t·m2、3 000 t·m2。計算結果和相關分析如下（見表4 和圖5）：

表4 不同GD2 時水力過渡過程計算結果

圖5 機組轉速升高率與轉動慣量關系曲線

由圖5 可以看出：機組最大轉速上升率隨GD2的增加而減小，但是對蝸殼末端壓力和尾水管進口壓力影響不大。由于引水系統與機組本身存在一些不確定因素，可能導致計算誤差，由導葉關閉規律中優化可知：機組GD2取2 900 t·m2，過渡過程計算結果均能滿足選取的過渡過程計算控制條件要求，并有一定的安全裕度。因此，推薦機組GD2不低于2 900 t·m2為宜。

5.3 計算成果及分析

從表5、圖6～7 等計算結果可以看出，導葉關閉規律第一段關閉時間為5 s，第二段關閉時間為15 s，GD2為2 900 t·m2時，各水位組合計算結果均滿足選定的過渡過程計算控制條件，且保持有一定的安全裕量。最大壓力升高率出現在CTH2 水位組合，為42.4%；最大蝸殼水壓力出現在CTH3 水位組合，為135.53 m，尾水管最小壓力值出現在CTH2 水位組合，為0.07 m。根據水力過渡過程計算結果，考慮到一定安全裕量，取壓力鋼管最高壓力設計值為140 m。最大轉速升高率出現在CTH2 水位組合，為52.9%。

表5 水力過渡過程計算結果

圖6 CTH1 水力過渡過程曲線

圖7 CTH2 水力過渡過程曲線

6 結 論

1）導葉關閉規律采用直線關閉不能滿足過渡過程計算要求，所以采用兩段關閉方式，第一段關閉時間為5 s，關閉開度至70%，第二段關閉時間為15 s，關閉開度至0，經計算此方案可以滿足過渡過程計算控制條件。

2）通過對涔天河水電站機組GD2的可能取值進行比較計算可知：GD2值取2 900 t·m2時，過渡過程計算結果能滿足要求，并有一定的安全裕度，故推薦機組GD2不低于2 900 t·m2。

3）導葉關閉規律第一段關閉時間為5 s，第二段關閉時間為15 s，GD2為2 900 t·m2時，各水位組合計算結果均滿足選定的過渡過程計算控制條件，且保持有一定的安全裕度。