冗各水电站水力过渡过程研究

葛 曦，黄正财，杨 超，张建勋

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 概述

冗各水电站位于贵州省黔南布依族苗族自治州罗甸县，为蒙江流域梯级电站的第八级，电站于2016年发电，装机容量为3×30MW，采用地下厂房布置，尾水洞较长。

2 设计参数

冗各水电站的输水系统为压力隧洞后接压力钢管引水至地下厂房，再接长尾水隧洞到下游尾水的布置方式。3号发电引水隧洞从进口到厂房边墙长

约219.8m，尾水洞长约188.4m。1号引水隧洞从进口到厂房边墙长约155.8m，尾水洞长约149.3m。2号引水隧洞从进口到厂房边墙长约187.8m，尾水洞长166.5m。显然，在同样的边界条件下，由于冗各3号发电引水隧洞和尾水洞分别比冗各1号和冗各2号的长，所以冗各3号水轮机甩负荷的水力过渡过程条件最不利，以3号机作为计算对象。

有压钢筋混凝土隧洞长200.47m，隧洞内径4.5m，隧洞末端接压力钢管，压力钢管至蜗壳进口长24.164m，直径4.0m。机组中心到尾水管出口长11.23m，尾水管出口后的有压尾水隧洞长171.137m，有压尾水洞面积为38.78m2,如图1所示。

电站水头不高，水头变幅不大，选用立轴混流式机组单列布置，配套悬式密闭循环空气冷却三相同步水轮发电机，由于采用单管单机的布置方式，且机组前压力引水系统不长，因此机组前没有设置进水阀，而是采用了取水口设置快速闸门作为机组断流设施。选用WT- 60-AZ微机调速器，该调速器采用进口PLC为控制核心。具体见表1。

3 水力过渡过程计算分析

3.1 计算工况的选择

根据该电站的实际情况与DL/T5186- 2004《水

力发电厂机电设计技术规范》确定设计准则如下：

机组甩负荷的最大转速升高率小于55%，机组甩负荷在额定水头和最高水头两种情况下，最大蜗壳压力宜控制在50%～30%以内，以及机组甩全负荷时，尾水管内的最大真空度不大于-8m水柱。

一般来讲，机组甩负荷最危险的工况，最大水头可能发生最大压力上升，额定水头可能产生最大速率上升值。由于该电站采用单管单机，机组运行独立，依据调保计算的目的拟定工况见表2。

3.2 不同关闭规律及各工况水力过渡过程计算

采用一段关闭规律，通过不同导叶关闭时间，针对A11，A12工况甩额定负荷进行了大波动过渡过程计算。计算结果见表3、4。

从表3以看出：导叶直线关闭T1=11s、13s依次进行大波动过渡过程计算，在飞轮力矩GD2=2200t·m2时，最大压力上升在最大水头，最大速率上升发生额定水头，尾水管真空度在规定的-8m范围之内。

最大压力上升产生在整个导叶关闭的末端，最大速率上升产生在整个导叶开口的中间；各工况随着关闭时间增加，机组产生的瞬时最大负荷和最小负荷改善有所减少，压力真空值也随着降低；各工况的蜗压和尾压产生脉动，呈衰减变化。

对3台机在最小水头(与额定水头接近)和最大水头同甩满负荷工况(A13、A14)进行大波动过渡过程计算，经过多个二段关闭规律的分析计算，选定导叶接力器分段关闭规律。

表3 一段关闭3#机大波动过渡过程计算结果

表4 二段关闭3#机大波动过渡过程计算结果

从表4中可以看出：导叶采用第二组的二段关闭规律，蜗壳最大压力上升不超过75.4m，机组速率上升不超过55%，尾水管最小真空度小于-8m范围之内。机组产生的瞬时最大负荷和最小负荷与一段关闭相比均有所增加，甩负荷时增加了抬机可能性。

图2 A11，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#机组甩负荷大波动过渡过程曲线图

图3 A12，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#机组甩负荷大波动过渡过程曲线图

图4 A13，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#机组甩负荷大波动过渡过程曲线图

从图2～图4机组的过渡过程曲线图可以看出：各工况的蜗压和尾压产生脉动，但呈衰减变化。

3.3 计算结果

从表3和表4的数据可以看出，机组通过以上各种工况的大波动过渡过程仿真计算，采用两段关闭规律，在发电机GD2=2200t·m2条件下，机组速率上升和蜗壳最大压力上升均优于一段关闭规律下的计算结果，为保证机组的安全稳定运行，采用表4中字体加粗部分的关闭规律及计算结果作为电站运行的依据。

3.4 机组甩负荷试验的验证

在机组运行过程中，1#机组在上游495m，下游447.65m的水位下进行了50%、75%、100%负荷下的甩负荷试验，根据中控室读取数据，在100%出力下甩负荷时出力29.9MW，转速上升为142.3%，蜗壳压力为67m。

在施工过程中，引水系统数据略有变化，因此我们重新进行了建模复核，并根据此次甩负荷的关闭规律和时间进行了调整计算。

以1#机计算得出：最大转速上升值为45.4%，最大蜗壳压力69m，最小尾管压力-1.5m。对比数据，蜗壳压力比现场高2m(约3%)，转速上升也比现场高约3%，3%的误差应是软件所留余量。

以3#机计算得出的最大转速上升值为50%，最大蜗壳压力75.8m，最小尾管压力-3.2m。扣除余量后蜗壳压力仍然超出要求。

因此调整了电站的关闭规律，第一段关闭时间为5s，第二段关闭时间为20s，分段开度为0.7。计算所得最大转速上升值为49.4%，最大蜗壳压力67.5m，最小尾管压力-3.405m。该结果满足规范要求及该电站运行。

4 结语

冗各水电站的布置有如下特点：①机组前引水系统采用单管单机，机组后尾水洞也是单管单机；②采用地下厂房布置型式；③机组前无进水阀而采用进口快速闸门；④长尾水洞。在水力过渡过程计算时，由于机组的独立性，采用引水系统最长的3号机组作为计算控制。在计算过程中，我们对比了一段关闭与两段关闭规律，初步选择了更利于电站运行的第一段关闭时间为7s，第二段关闭时间为21s，分段开度为0.6作为调试运行指导，在施工过程中，由于引水系统参数略有变化，根据现场甩负荷试验反馈回来的数据，按照现场甩负荷试验所采用的关闭规律再进行对比验算后，提出了更合适的关闭规律，得到了满意的结果。

[1] 杨超, 葛曦. 毕大供水泵站事故停泵水锤模拟分析与防护[J]. 水利规划与设计, 2017(12): 156- 160.

[2] 任启淼, 郭建伟. 低水头有压引水电站调节保证设计标准的探讨[J]. 水利规划与设计, 2008(04): 82- 84.

[3] 李伟. 大河沿河渠首水电站调节保证措施方案研究[J]. 水利规划与设计, 2015(02): 62- 65.

[4] 朱烨华. 大河沿渠首水电站引水系统水力过渡过程分析研究[J]. 水利规划与设计, 2015(02): 81- 84.

[5] 朱烨华. 吉林台二级水电站过渡过程分析研究[J]. 水利规划与设计, 2012(01): 25- 29.

[6] 朱烨华. 吐木秀克水电站机组调节保证分析研究[J]. 水利规划与设计, 2011(06): 66- 68.

[7] 范建军. 导叶分段关闭调节保证计算方法及安全控制[J]. 水利技术监督, 2015, 23(06): 93- 95.

[8] 李涛, 葛曦. 多泥沙河流水电站转轮设计[J]. 大电机技术, 2012(04): 43- 46.

[9] 葛曦, 郭建伟, 黄正财, 等. 夹岩水利枢纽渠首电站水轮机选型[J]. 小水电, 2013(02): 24- 26.

[10] 邹玉涛, 闫欣. 大型混流泵站水力过渡过程分析及防护[J]. 水利规划与设计, 2008(05): 33- 34.

[11] 程永光, 张慧. 用Lattice Boltzmann方法模拟二维水力过渡过程 [J]. 水利学报, 2001, 32(10): 0032- 0038.