玛依纳水电站水力过渡过程数值计算分析

甘 楠

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

玛依纳水电站水力过渡过程数值计算分析

甘 楠

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

玛依纳水电站引水发电系统无法满足GB/T9652.1—2007《水轮机控制系统技术条件》要求，系统稳定性较差。为此，在引水发电系统枢纽布置无法改变的情况下，在牺牲调速系统速动性，放宽对电站调节品质要求的前提下讨论其引水发电系统布置的可行性。目前，2台机组已经安全稳定运行多年，证明该电站引水发电系统布置是合理的。

引水发电系统；水力过渡过程；水流惯性时间常数； 机组惯性时间常数；玛依纳水电站

1 电站概况

玛依纳水电站位于哈萨克斯坦共和国东南部阿拉木图州莱姆别克区的伊犁河左岸一级支流恰伦河上，为一座综合性水利枢纽，上游为年调节水库，厂内装有2台150 MW水斗式水轮发电机组。电站建设的主要任务是发电，其次是灌溉，以满足哈萨克斯坦南部地区在自然保护排水和灌溉用电高峰时期对电能的需求，电能送入哈萨克斯坦南部电网，南部电网和中亚电网相连。2012年1月第一台机组并网发电，2012年3月第二台机组并网发电。

2 引水发电系统

引水系统主要由进水口(哈方负责设计与施工)、事故闸门井(含水电站进水口闸门启闭机)、有压引水隧洞、调压井和压力管道等建筑物组成。引水发电系统形式为“一洞一井一管两机”。

引水隧洞长4 913 m，断面形式为马蹄形(4.2 m×6.3 m、4.2 m×6.8 m)和圆形(直径5.6 m和4.1 m)。调压井置于引水隧洞末端的条形山脊内，为露天水室式调压井，由上室(圆形露天水池)和竖井构成。调压室竖井内径6.0 m，底部高程1 610.10 m，顶部高程1 780.00 m，竖井高169.90 m；上室(圆形露天水池)内径22 m，顶部高程1 790 m。调压井距厂房轴线平面距离约4 268 m，调压井处隧洞底高程与厂房安装高程(1 248 m)高差为357 m。压力管道由上平段、竖井段和下平段以及岔、支管段组成。压力管道主管长约4 322 m，管径4.1 m。主管末端由一个“Y”形岔管分接两条支管，每条支管末端管径由2.60 m渐变至2.30 m与厂房内球阀连接，1、2号支管各长约32 m。

玛依纳水电站引水发电系统特点为：调压井后压力钢管较长，约4 355 m，调压井几乎在引水隧洞和压力钢管中间位置，使得引水系统水流惯性时间常数Tw及Tw/Ta均很大，系统稳定性较差。

3 水力过渡过程数值计算

3.1 水力过渡过程设计要求

玛依纳水电站压井在同类电站中规模较大，引水管道较长，特别是引水调压井后至水轮机进口的水流惯性时间常数Tw及Tw/Ta，在额定工况和发最大出力的最大流量工况时分别为5.20 s、0.622和5.22 s、0.686。根据GB/T9652.1—2007《水轮机控制系统技术条件》规定，水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw对比例积分微分(PID)型调速器不大于4 s；Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4。所以本电站Tw及Tw/Ta远超出中国规范要求。

根据DL/T5186—2004《水力发电厂机电设计规范》，额定水头大于300 m时，配水环管最大压力升高率宜小于25%；冲击式机组最大转速升高率宜小于30%。本电站调节保证计算允许值设计要求：①机组最、大转速升高相对值βmax<20%；②配水环管末端最大压力不超过626 m水头，主机厂配水环管最大设计压力6.52 MPa。

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司除自己用专用程序进行计算外，还分别委托河海大学和武汉大学对本电站引水发电系统进行了水力过渡过程计算，水轮机主要部件喷嘴和转轮供货商维奥也对整个引水发电系统(含水轮发电机组)进行了调节保证计算。

3.2 水力过渡过程计算分析结果

3.2.1 机组最大压力和转速最大上升率

由于配水环管末端的最大压力和机组的最大转速上升率分别有针阀和折向器控制，均能够选择合适的启闭规律保证调保参数在控制值范围内。

(1)河海大学计算结果。选择针阀60 s(实际有效关闭时间，即从额定开度到完全关闭的直线关闭时间)直线关闭，折向器3 s直线关闭，得到的配水环管末端最大压力值为603.22 m，最大水压力升高为17.23%；机组转速最大上升率为17.89%。

(2)武汉大学计算结果。选择针阀70 s(实际有效关闭时间，即从额定开度到完全关闭的直线关闭时间)直线关闭，折向器2.5 s直线关闭，得到的配水环管末端最大压力值为593.05 m，小于配水环管容许承受的最大压力626 m，机组转速最大上升率为12.83%。

(3)维奥的初步计算结果。选择针阀105 s(全行程关闭时间，即从全开到全关时间，折算成实际有效关闭时间约90 s)直线关闭，折向器2 s直线关闭，得到的配水环管末端最大压力值为614 m，机组转速最大上升率远小于30%。

上述计算结果差异较大，考虑到折向器的作用，机组现场调试整定：针阀105 s(全行程关闭时间，折算成实际关闭时间约90 s)直线关闭，折向器2 s直线关闭。

3.2.2 调压室涌浪值

调压室托马稳定断面面积FK=22.614 m2，实际采用的断面面积为28.274 m2，其小波动稳定安全系数K为1.25，满足规范K=1.0～1.1的要求。

(1)成都预案水道专业计算结果。调压井最高涌浪水位为1 787.608 m，调压井最低涌浪水位为1 702.333 m。

(2)武汉大学仿真计算。调压室最高涌浪值为1 785.48 m，最低涌浪值为1 685.98 m。

(3)河海大学仿真计算结果。调压室最高涌浪值为1 784.01 m(正常蓄水位，两台机同时事故甩额定负荷)，调压井最低涌浪水位为1 676.10 m(死水位，两台机同时甩全负荷，在85 s时一台机从空载增至额定负荷)。

(4)维奥仿真计算。调压室最高涌浪值为1 783.5 m，最低涌浪值为1 678.78 m。

上述计算结果尽管有所差别，但所有计算最高涌浪均低于调压井拱顶高程，最低涌浪均高于调压室底板高程，均满足设计要求。

3.2.3 调节系统稳定性和动态特性

当系统处于孤网，机组受到负荷阶跃变化后，机组转速和喷嘴开度等开始急剧波动，之后衰减较慢，而调压室水位衰减更慢。这主要是因为本电站调压室后的Tw及Tw/Ta值过大，在额定工况时水流惯性时间常数Tw=5.20s，Tw/Ta=0.622，被调节系统不满足调速器的适用条件：Tw≤4 s，Ta≥4 s，Tw/Ta≤0.4，说明水轮机过水系统水流惯性和机组惯性的条件对稳定是不利的，证明了本电站调速系统的动态特性的质量指标较差。若要保证机组运行的稳定性，不得不选择比较大的调速器参数，牺牲其速动性，在优化调速器参数下，受到扰动时，机组调节时间比较长，小波动调节品质不是很理想。

当加大调压室后压力管道直径，由4.1 m调整为4.5 m，调速器参数最优组合相应的调节时间缩短(如一台机停机，一台机带额定孤网负荷，调速器处于调频状态，施加10%额定负荷的扰动时，调节时间缩短约10 s)，机组转速超调量变少，过渡过程形态也明显改善对系统增负荷扰动的影响较明显，对系统小波动过渡过程有利。

如果在两台机同时带孤网负荷时，只允许一台机的调速器进行调节，另一台机的调速器置于深度开度限制状态(即在一定范围频率波动时，调速器不响应，在机组甩负荷时调速器响应)，调节时间较一台机工作的工况还有所减少，大致可控制在60 s以下，机组转速超调量可控制在5%左右，在工程上能实际使用(河海大学仿真成果)。

两台机同时带额定或部分孤网负荷，调速器均处于频率调节状态，施加10%额定负荷的减负荷扰动，最短的调节时间是349.2 s，且转速过渡过程有多次波动，超调量也比较大，考虑到实际系统中负荷扰动是不断产生的，因此该工况工程上是不稳定的(河海大学仿真成果)。

3.2.4 水力干扰计算

电站在大系统中工作，一台机事故甩负荷，并不影响电网频率。此时若调速器设为频率调节工作方式，未甩负荷机组的喷嘴开度也不变，但水压力变化会引起机组功率变化；若调速器设为功率调节方式，则喷嘴开度与机组功率均会随水压力变化而变化。

在上游水位为1 749 m时，两台机同时带额定负荷，一台机事故甩额定负荷后，在调速器工作方式为频率调节时，配水管水压力波动幅值为62.29 m水头，为额定水头的13.2%；机组功率波动幅值为30.2 MW，为额定功率的19.67%；在调速器工作方式为功率调节时，配水管水压力波动幅值为70.32 m水头，为额定水头的14.92%，机组功率波动幅值为20.62 MW，为额定功率的13.43%。本电站压力总管相当长，水力干扰是明显的，但过渡过程是衰减的(河海大学仿真成果)。

水力干扰过渡过程计算结果表明：在小波动整定的调速器参数条件下，其机组运行稳定性可以得到保证，波动的总趋势都是收敛的。但扰动波幅较大、振荡次数较多、调节时间较长。

4 分析和总结

(1)玛依纳水电站调压井受地形条件的限制只能置于引水隧洞末端的条形山脊内，使得调压井后压力主管长达4 138 m，Tw/Ta=0.622>0.4，由此调节系统的稳定性较差，过渡过程品质也较差，只有较大幅度增大压力主管直径或较大幅度减少压力管道长度或大幅增加机组转动惯量GD2才有可能从根本上改善本电站稳定性和动态特性。为满足Tw≤4，且

Tw/Ta≤0.4，若大幅增加压力主管直径，则压力钢管主管直径需由4.1 m增加到5.2 m，4 138 m长的压力钢管投资将大幅增加；若大幅减少调压井后压力钢管长度，即需要将调压井移至离厂房约2 500 m的位置，但地质条件决定没有这样的位置布置埋入式调压井，除非在地面以上布置铁塔式调压井，但这种铁塔式调压井造价太高，且考虑到该地区地震烈度为IX度，因此无论从经济上还是安全上都不可行；若大幅增加机组转动惯量GD2，GD2则需从7 500 t2·m增加到11 800 t2·m，一方面是经济上增加投资，另一方面增加机组转动惯量GD2从技术上也是有限的，即不可能为了满足调保计算要求而大幅增加机组转动惯量。因此，本电站的先天条件决定了引水发电系统很难满足中国规范要求的Tw/Ta≤0.4，要满足规范要求则代价很大。

(2)该电站电能送入哈萨克斯坦南部电网，哈萨克斯坦南部电网主要由火电机组和燃气机组组成，水电机组很少，在电网中所占比例很小，南部电网总装机容量较大(大于3 000 MW)，且南部电网和中亚电网相连，因此本电站机组在电网中不承担调频任务。

(3)该电站机组水头范围为458.2～521.7 m，额定水头为494.1 m，既可以选择混流机组也可以选择水斗式机组，尽管选择混流机组转速(428 rpm)比水斗式机组转速(250 rpm)高得多，但相应水轮发电机造价低得多，因此从经济上讲选择混流式机组比冲击式机组合适，但本电站引水系统特点决定混流机组不可能满足调保计算对转速和压力同时满足要求，即技术上混流式机组不满足调保计算要求，故选择水斗式机组是合适的。

从以上分析可知，本电站目前的引水发电系统(含水轮发电机组)的稳定性较差，在引水发电系统枢纽布置无法改变的情况下，在牺牲调速系统速动性，放宽对电站调节品质要求的前提下，玛依纳水电站引水发电系统的布置是可行的。目前，2台机并网发电至今，机组已经安全稳定运行多年，证明该电站引水发电系统布置是合理的。

[1]GB/T9652.1—2007 水轮机控制系统技术条件[S]．

[2]DL/T5186—2004 水力发电厂机电设计规范[S]．

[3]尹晓林， 程春. 哈萨克斯坦玛依纳水电站引水发电枢纽建筑物布置设计[J]. 水电站设计， 2012， 28(3)： 66-68．

[4]程春， 马林. 哈萨克斯坦玛依纳水电站引水隧洞设计特点[J]. 水电站设计， 2013， 29(3)： 19-21．

[5]程春， 马林. 哈萨克斯坦玛依纳水电站压力管道结构设计[J]. 水电站设计， 2013， 29(2)： 15-18．

(责任编辑 焦雪梅)

Numerical Calculation and Analysis of Hydraulic Transition Process of Moinak Hydropower Station

GAN Nan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the poor stability of water diversion and power generation system in Moinak Hydropower Station, the system cannot meet the requirements of GB/T 9652.1—2007 Specification of Control System for Hydraulic Turbines. Because the layout of water diversion and power generation structures can’t be changed, the feasibility of structure layout can only be discussed under the premises of lowering the mobility of speed control system and power governing quality. At present, two units of Moinak Hydropower Station have been safely and stably operated for many years and it is proved that the layout of water diversion and power generation system is reasonable．

water diversion and power generation system; hydraulic transition process; water inertia time constant; unit inertia time constant; Moinak Hydropower Station

2015-12-11

甘楠(1975—)，男，湖南岳阳人，高级工程师，主要从事水电站水力机械设计工作．

TV131.4(361)

A

0559-9342(2016)11-0088-03