水电站大波动过渡过程分析计算

李国晓，韦世丹

(广东水利电力职业技术学院，广东广州510635)

在水电站设计过程中，对机组在各种水头下甩全部负荷所引起的水轮机蜗壳中水锤压力变化、尾水管真空度变化、机组转速变化等进行的计算统称为大波动计算，计算值应满足国家技术规范的要求[1]；主要内容包括机组在各种正常工况和组合工况下蜗壳进口处最大内水压力、机组最大转速上升值、尾水管进口处最小内水压力及相应的过渡过程曲线[2]。

1 电站概况

某电站是以发电为主的水利枢纽，采用一洞两机的供水方式。电站装有2台单机容量50 MW的立式混流式水轮发电机组，总装机容量100 MW；电站建成后，电网容量约300 MW，装机容量占电网容量的1/3。电站校核洪水位305.5 m，设计洪水位305 m，正常蓄水位305 m，死水位285 m；极限死水位280 m；校核洪水尾水位235.22 m，设计尾水位233.43 m，2台机发电正常尾水位222.51 m，最低尾水位221.23 m。

水轮机额定出力51.5 MW，额定流量78.1 m3/s，额定水头73 m，最大净水头84 m，最小净水头59 m，额定转速214.3 r/min，飞逸转速434 r/min，转动惯量(GD2)3 800 t·m2。

2 大波动过渡过程计算目的及设计控制指标

2.1 计算目的

大波动过渡过程是水电站引水系统中普遍存在的一种水力现象，通过正确分析过渡过程状态及水力特性，对引水系统和机组的设计、机组启动试验和电站安全运行都有重要意义[3_4]。

(1)复核大波动工况下各项参数极值。例如，水轮机甩负荷或增负荷时蜗壳最大压力、机组最大转速、尾水管真空度等。

(2)优化水轮机导叶关闭规律。

(3)校验电站调节系统能否满足大波动稳定要求等。

2.2 设计控制指标

(1)机组甩负荷时蜗壳最大压力升高率。当额定水头40～100 m时，宜为50%～30%；额定水头100～300 m时，宜为30%～25%。最大压力升高率保证值按计算值并留有适当余量来确定。根据该电站额定水头73 m，最大水头84 m，结合初设阶段调节保证计算结果、水工设计强度及机组招标参数等，确定本阶段蜗壳最大压力值Hmax≤124 mH2O。

(2)机组甩负荷时最大转速上升率。当机组容量占系统容量比例较大且担负调频任务时，βmax≤45%；当机组容量占系统总容量的比例不大或担负基荷运行时，βmax≤55%。根据本电站机组容量为系统容量的1/3，所以确定机组最大转速上升率宜为βmax≤45%。

(3)甩负荷时，尾水管进口断面的最大真空度不宜大于0.08 MPa，考虑海拔修正后，尾水管进口最大压强水头>-5 mH2O。

3 计算工况确定及计算分析

计算工况选取是否合理将影响电站的安全运行，因此必须根据电站实际运行情况，准确选取各计算极值对应的工况，既不能选次要工况为最不利工况，又要考虑最不利的组合工况发生的概率。本电站采用一洞两机布置方式，最不利工况为2台机在不同水位时同时甩负荷，故大波动过渡过程计算工况选取条件如下：

(1)蜗壳最大压力上升。上游校核洪水位，下游2台机发电水位，额定出力，同时甩负荷，导叶关闭。

(2)机组转速最大上升。下游2台机满发水位，2台机额定水头，额定出力，同时甩负荷，导叶关闭。

(3)尾水管进口最小压力。上游死水位，下游2台机满发水位，预想出力，同时甩负荷，导叶关闭。

4 大波动过渡过程计算分析

4.1 优化导叶关闭规律

限制蜗壳末端水压上升与限制机组转速上升的条件是相互制约的，平衡两者关系的焦点是导叶关闭时间，因此根据蜗壳末端最大水压上升率和机组最大转速上升率设计控制指标要求，优化导叶关闭规律[5]，确定机组甩负荷导叶关闭规律采用如下所示折线关闭规律(见图1)。

图1机组导叶关闭规律

4.2 大波动过渡过程各计算工况分析

对大波动过渡过程计算进行分析，一方面检验电站调节保证计算的可行性，另一方面由于电站采用一洞两机布置方式，1台机组甩负荷时，输水道系统的水力变化不可避免地将对正常运行机组的运行状态进行干扰，需分析此种状态下水轮机调节系统稳定性(见表1)。

表1 大波动过渡过程计算结果

大波动过渡过程计算表明，机组采用二段折线关闭规律，折线拐点为0.6开度，第一段关闭时间为2 s，总关闭时间为11 s较合适。

蜗壳进口最大上升值为114.6 m，发生在T2工况：下游2台机满发水位222.51 m，机组额定水头，额定出力运行，突甩负荷，正常关闭，满足蜗壳进口最大压力上升值不超过124 m的要求。

机组转速最大上升值为42.7%，发生在T2工况：下游2台机满发水位222.51 m，机组额定水头，额定出力运行，突甩负荷，正常关闭，满足机组转速最大上升值不大于45%的设计要求。

尾水管进口最小压力值为-2.38 m，发生在T2工况：下游2台机满发水位222.51 m，机组额定水头，额定出力运行，突甩负荷，正常关闭，满足尾水管进口最小压力大于-5 m的设计要求。

5 结 论

该电站采用一洞两机布置方式，电站装机容量占电网容量的1/3，机组发生大波动时对引水建筑物和电网都会造成很大的冲击，因此通过对大波动过渡过程最不利工况合理选取并对各工况进行计算分析，以保证水电站设计方案的合理有效，也为电站运行提供了可靠的依据。