克孜尔水电厂机组扩容后调节保证复核计算

刘利

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

克孜尔水电厂机组扩容后调节保证复核计算

刘利

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

克孜尔水电厂在运行20年后，机电设备老化严重，在水工建筑物规模不变的前提下，对机组进行增效扩容，引水发电流量增加对整个系统的水力过渡过程成为制约因素。本文通过调节保证计算，为本电站推荐最优的导叶关闭规律，对工程的后续增容设计提供理论基础，希望对国内此类增效扩容水电站设计提供一定的借鉴参考。

水电站；分段关闭；调节保证计算；机组扩容

随着我国水电站的开发，80、90年代建设的一批中、小型水电站，目前面临机电设备老化，效率大幅度降低的情况，由于设备厂家产品的更新换代，备品备件已经无法满足要求。这一批水电站大多急需改造，以适应电网要求以及更好的发挥水电清洁能源的优势作用。目前，科学技术的进步，水轮发电机组效率提高以及其他诸多因素的影响，电站改造过程中为了能充分的利用水能资源，机组扩容势在必行。

1 概述

电厂为设在副坝后的水电站，原装机容量为4×6.5 MW，单机流量30.4 m3/s，最大水头为37.4 m，最小水头20.4 m，设计水头26.4 m。电厂运行20年后，对电站进行增效扩容。扩容方案：4台水轮发电机组每台扩容2 000 kW。扩容后，装机容量为4× 8.5 MW，单机流量37.2m3/s，最大水头37m，最小水头20.6 m，出力加权平均水头27.2 m，额定水头27.0 m。

水库于1991年建成，于2006年完成除险加固工作。除险加固工作完成后，水库仍保持原各项兴利任务不变，水库汛期运行水位在实测坝前水位的基础上增加2 m。电厂扩容是在除险加固基础上进行，利用多余水量进行发电，在不改变原有工程定位的基础上，扩容主要利用下泄水量及水头。引水发电量相比增加27.2 m3/s，为满足电站安全稳定运行，必须对引水发电系统水力过渡过程进行复核计算。

电站压力引水系统为一个压力隧洞，洞径7.0m，洞长119.2 m，下分叉为2支压力钢管直径为5.0 m，管长为27 m，再分叉为2支压力支管直径3.4 m，管长32 m。

2 数学模型的建立

1）方程建立

采用特征线法编程计算，此程序计算水轮机管道中水流的瞬变流态。假定：①压力水管中的水体是不可压缩的；②管道壁具有弹性；③不考虑水力学参数在断面内的差异，以该断面参数的平均值来表征断面的水力学特性；④不考虑水中含气量变化对水锤波速的影响；⑤不考虑水的空化状态。在以上假定条件下建立流量变化和压力波动间的基本方程。

这些方程应用于压力钢管中某一断面时，此断面由x座标轴定位（由水流的反方向测定）。在时间t时，考虑到水流速度远小于波速，建立如下方程。

动态方程：

质量守恒方程：

管路内流态假定为理想一元流动，由于时间t和座标x的连续性，上述两式可变为著名的波动方程：

f1和f2是自变量“x+at”和“x-at”的任意函数。由此，沿着管线座标轴分布的任意一点的压力H和流量Q（在时刻为t时，位置为x）由上述两式叠加求解可得。

2）数值求解

本过渡过程程序是采用逐步迭代的数值近似法将上述两基本方程求解编制而成的。

以长度△x=a△t为单位将压力钢管分段，各段两端为节点。求解各节点处压力H和流量Q。

在计算开始时t=0，工况为稳定工况，H和Q均为已知，因此函数f1和f2是确定的。

经过一个时间步长△t后，根据下式，可求出此时各节点H和Q。

使用该程序需输入包括引水管路系统参数、转轮特性、甩负荷前稳定运行工况、蜗壳、尾水管流道等多组参数。

3）引水发电系统简化

根据引水发电系统布置图，统计处理后，简化见图1。

图1

3 计算工况的选择和结果

根据可能出现的各种组合工况，笔者共列出24种过渡工况，按照导叶关闭规律对各工况的逐一计算筛选，最终推荐最优的导叶关闭规律为两段关闭，导叶第一段的关闭时间为2.4 s(含调速器迟滞时间0.2 s)，导叶开口由100%关至47%，导叶第二段的关闭时间为6.8 s，导叶开口由47%至全关。

图2

（1）蜗壳末端压力最大值发生在上游校核洪水位，下游正常尾水位，最高水头，超出力10%，4台机突甩负荷，正常关闭。蜗壳末端压力值为54.0 m,此时最高转速为额定转速的168.0%（见上页图2）。

（2）尾水管进口最小压力值发生在额定水头27m，下游最低尾水位，额定出力，4台机突甩负荷，正常关闭。尾水管进口最小压力为-5.8 m（见上页图2）。

（3）机组最高转速发生在额定水头27 m，下游最低尾水位，额定出力，4台机突甩负荷，正常关闭。最高转速为机组额定转速的170.8%，超过设计规范对最高转速不大于60%的要求（见图3）。

图3

根据国内外对真机水轮发电机组过渡过程的实测，在过渡过程中，蜗壳进口处存在着高频压力脉动；尾水管进口由于水流旋转，使其压力分布极为不均。因此，对计算机仿真计算的结果进行了修正。

4 机组GD2敏感性分析

根据业主对水力过渡过程计算的要求，对机组GD2作敏感性分析如下：

将机组GD2增加50 t.m2后，对机组甩负荷进行了计算,结果显示,若水轮发电机组的GD2为545t.m2，最高转速为机组额定转速的167.0%，蜗壳末端压力上升值为50.0 m。由于改造后机组的GD2为495 t. m2，已包括考虑发电机和水轮机转动惯量的总和，受改造尺寸和电磁方案的限制，机组GD2没有增加的余地。

5 对电厂长期运行的技术要求

对上游校核洪水位，下游正常尾水位，最高水头，超出力10%，4台机突甩负荷，正常关闭工况进行蜗壳末端压力上升与同时甩负荷机组台数进行分析，如图4所示。

此时对应的机组转速上升关系如图5。

图4

图5

对额定水头27 m，下游最低尾水位，额定出力，4台机突甩负荷，正常关闭工况进行机组转速上升与同时甩负荷机组台数进行分析，如下页图6所示。

4台机同时甩负荷时，机组最高转速达到了额定转速的170.8%。为了防止机组甩负荷对机组的破坏作用，应尽量避免4台机组在额定出力时同时甩负荷。

图6

6 结语

根据推荐的导叶关闭规律，机组最高转速达到了额定转速的170.8%，超出设计规范要求。由于该电站装机容量占本地区总装机容量的3.4%，占比很小且无调频任务。在电站关机流程中，将二级电气过速动作值，设定为145%nr，在停机的同时，关闭水轮机进水阀。纯机械过速保护动作值设定为150%nr，在电气停机系统出现故障后，由纯机械过速保护装置油压操作关闭导叶、关闭水轮机进水阀。国外最大转速升高率保证值也有提高的趋势，根据《水轮发电机基本技术条件》“水轮发电机和与其直接或间接连接的辅机，应能在飞逸转速运转5 min而不产生有害变形”的论述，设立多重保护，确保在甩负荷极端情况出现时，有效控制引水发电系统压力上升和机组转速上升。

该电站于2014年年底改造完成投入运行后，机组运行稳定，关机正常。运行管理单位监管有效，未出现4台机同时甩负荷的现象，其它台数机组甩负荷过程中，压力和转速上升值均未超出设计要求。

[1]孔昭年.水轮机控制系统的设计与计算[M].武汉：长江出版社，2012.

[2]克孜尔电厂引水发电系统水力过渡过程分析计算报告[R].

TV734

A

1672-5387（2017）04-0009-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.003

2016-11-18

刘利（1986-），男，工程师，从事水力机械设计工作。