YMS水电站水力过渡过程计算与分析

刘　峰，安　刚（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）



YMS水电站水力过渡过程计算与分析

刘峰，安刚
（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要：通过对YMS水电站水力过渡过程计算分析，介绍了各个系统的设计思路和布置方式，希望对国内外同类型水电站设计提供一定的借鉴参考。

关键词：水电站；调节保证计算；调压阀；气垫式调压室

1概述

YMS水电站工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区，工程为引水式电站，由进水闸、引水渠道、压力前池、压力钢管、厂房及尾水渠等主要建筑物组成。电站最大水头210.3 m，加权平均水头201.3 m，额定水头199.6 m，最小水头199.6 m，设计引用流量140 m3/s，厂房内安装3台70 MW和1台34 MW的立轴混流式水轮发电机组，总容量为244 MW。

2无调保措施下的计算

2.1引水系统布置

该电站是一座长压力引水系统电站，压力管道总长ΣL为2 332.43 m。发电引水系统由2条压力输水管路组成，其中1号输水主管（Ф4 600 mm）经岔管分为2条支管分别接入2台70 MW机组，2号输水主管（Ф4 100 mm）经岔管分为2条支管分别接入1台70 MW机组和1台34 MW机组。

2.2调节保证计算控制标准

本电站水头范围为199.6～210.3 m，在电网中承担基荷运行。结合地区电网容量及特点，按照《水力发电厂机电设计规范》的要求，机组甩负荷时的最大转速升高率保证值宜小于60%，蜗壳最大压力升高率保证值宜为25%～30%，尾水管进口断面的最大真空保证值不应大于0.08 MPa。

考虑到最大转速升高率与最大压力升高率计算值存在误差，计算值中没包括甩负荷时蜗壳中压力脉动，因此其保证值应按计算值并留有适当的裕度来确定，本电站调节保证计算的设计标准如下：

机组最大转速升高率≤50%；

蜗壳最大压力升高率≤25%（263 m）；

尾水管进口最大真空≤6.3 m。

2.3无调保措施下的过渡过程数值计算

由于电站尾水道很短，尾水管进口最小压力容易满足，而引水道相对较长，故主要针对蜗壳末端压力和转速控制值选取控制工况。计算中的机组关闭规律初步选用一段直线关闭，70 MW机组GD2暂取3 600 t·m2，34 MW机组GD2暂取780 t·m2，计算结果见下页表1。

由表1可知，在不设置调保措施的前提下，2个水力单元机组关闭规律在11～15 s选取时，蜗壳末端最大压力及机组最大转速上升率均大于相应的控制标准，不能满足调保控制要求。因此，在现有的引水系统下，单纯采用调整关闭规律的方法是不能够解决水锤压力与机组转速上升之间的矛盾，应在引水发电系统上设置调保措施。

3设置调压阀措施下的调保计算

为保证电站安全运行，需采用设置调压井或调压阀等措施来解决引水系统水锤压力和转速上升之间的矛盾。该电站属于中型电站，设置调压井需要较大投资和较长工期，且电站由于自身的地形、地质条件的限制，难于建造常规调压井。故从技术经济层面考虑，推荐采用调压阀方案。

理论上调压阀必须与导叶联动，但一旦联动装

表1直线关闭规律计算结果

调压阀的直径选取，关系到调压阀开启时的过流量，理论上调压阀的直径选择越大，系统的降压效果越好。但一方面调压阀的直径过大，造价会加大；另外一方面，调压阀的直径过大，泄流能力将加大，过高的流速除可能带来高速水流的气蚀与消能问题外，在发生单台机甩负荷的事故情况下，大部分水流从调压阀流走，从而导致同一水力单元的另外1台机组出力出现较大下降，产生较严重的水力干扰，由此可能发生相继甩负荷事故；而且由于过大的泄流量，如果关阀过快，在关阀结束时刻又会出现新一波较大的水锤压力，威胁管道安全。

故调压阀直径应满足以下条件：

（1）满足调节保证计算要求；

（2）最小阀径应满足导叶关闭、调压阀开启、导叶关闭时不会产生过大的压力上升；

（3）最大阀径应满足导叶关闭、调压阀开启时系统总流量不产生过大的增加，即事故前后系统总流量近似相等，避免产生过大的水力干扰。

针对本电站的特点，为了保证将来机组与调压阀联动时，调速器油路设计的可靠性，仍以一段直线启闭规律为研究对象。经过前期大量试算，2个水力单元机组导叶均以13 s一段直线关闭，调压阀13 s一段直线联动开启，开度达到最大后延时10 s，再以120 s一段直线关闭。计算结果见表2。

由表2可知，当采用阀径组合1.2m/1.2m、1.2m/1.0m时，调压阀最大泄流量分别为39.96 m3/s/19.3 m3/s，近似等于机组额定流量39.5 m3/s/19.4 m3/s，此时2号水力单元蜗壳末端最大压力为232.38 m，1号水力单元机组最大转速上升率36.55%，均具有较大的安全裕量。推荐70MW机组调压阀直径选用1.2m，34 MW机组调压阀直径选用1.0 m，机组-调压阀13 s一段直线联动启闭，调压阀保持最大开度延时10 s后再以120 s一段直线关闭。在调压阀拒动的特殊工况下，通过调速器控制导叶慢关，采用60 s的一段直线慢速关闭。

表2　调压阀选型计算结果

4设置调压阀加气垫式调压室措施下的调保计算

4.1调压阀拒动计算分析

单独设置调压阀的方案虽然能够保证电站的调节保证设计，但70 MW机组对应的调压阀直径已达1.2 m，如此大直径的调压阀国内外电站中应用情况较少，对其设计及制造质量有着较高的要求，一旦将来电站运行时发生2台调压阀均拒动的情况，后果不堪设想。

表3调压阀拒动、导叶慢关计算结果

由表3中计算结果可以看出，2台调压阀同时拒动，2台机组均采用60 s关闭规律的情况下，此时蜗壳末端最大压力分别为289.07 m、283.99 m，远大于控制标准；转速上升率分别达到了76.00%、75.02%，远超出了静态飞逸转速。因此，在此基础上增设气垫式调压室。如若单独设置气垫式调压室，所需的气垫式调压体型较大，工程造价较高，将来运行过程中亦容易产生漏气情况，运行维护较难。相比较而言，调压阀造价较低，如能通过增设另一调保措施，来保证同一水力单元2台调压阀同时拒动、导叶慢关工况下的蜗壳压力及机组转速满足调保控制标准，将是一经济、可靠的联合防护方案。

由于调压阀方案无法改善机组正常运行时的小波动与水力干扰特性，而本电站的TW值超过5 s，正常运行时如无平压措施，将对电站稳定运行不利。

综合上述2点，采用气垫式调压室联合调压阀的防护措施，一方面可以避免2台调压阀同时拒动时发生的危害，另一方面也可以减小单独设置调压阀防护措施时的调压阀直径，同时保证小波动稳定运行。

4.2增设气垫式调压室后调压阀阀径优化及启闭规

律分析

设置气垫式调压室后，为了保证将来机组与调压阀联动时调速器的可靠性，仍以一段直线启闭规律为研究对象。经过前期大量试算，两个水力单元机组均以13 s一段直线关闭，调压阀13 s一段直线联动开启，开度达到最大后延时10 s，再以120 s一段直线关闭。计算结果见表4。

由表4中计算结果可以看出，增设气垫式调压室后，过渡过程工况下，蜗壳末端压力及机组转速上升均有了明显改善。1号水力单元调压阀直径由1.2 m/1.2 m减至0.8 m/0.8 m的阀径组合时仍能满足相应的控制标准。为了保证本电站将来安全运行，留有足够的安全裕量，初步选择1号水力单元1.0m/1.0 m的阀径组合，2号水力单元1.0 m/0.8 m的阀径组合。

表4 增设气垫式调压室后调压阀选型计算结果

5结论

鉴于本电站在新疆电网中的重要作用，考虑到单独设置调压阀时阀径过大，同一水力单元调压阀均拒动的极端工况以及水力干扰、小波动稳定性等原因，采用气垫式调压室联合调压阀的防护措施，一方面可以避免2台调压阀同时拒动时发生的危害，另一方面也可以减小单独设置调压阀防护措施时的调压阀直径，同时还能改善水力干扰性能及小波动稳定性。

参考文献：

［1］孔昭年，田忠禄，王思文，等.阿勒泰水电站“以阀代井”研究［J］.水电站机电技术，2016（39）：1-4

中图分类号：TV136

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2016）06-0004-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.002

收稿日期：2016-02-26

作者简介：刘峰（1981-），男，工程师，长期从事水电站水力机械设计工作。置出现调压阀拒动的故障，导叶要么慢速关闭，要么拒动不关，只能通过关闭机组前的进水阀切断水流，来确保机组的安全。因此，调压阀直径的选取应考虑调压阀拒动的工况。