国外某水电站扩机改造工程的可行性分析

殷 晶

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

1 概 述

机组甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会急剧变化，因此在水轮机压力过水系统内会产生水击而导致事故。在设计阶段，就应计算出上述过渡过程中最大转速上升值及最大压力上升值[1]。

水电站为了提高水资源利用率，获得更大的电量效益，在原引水系统的基础上通过扩建新机组来增加发电量。由于引用流量的增加，调节保证计算需重新复核，其复核结果直接关系到方案的可行性。

2 实例分析

2.1 概 况

国外某水电站采用长引水式开发，枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、引水系统、发电厂房及开关站组成。引水系统主要有进水口、引水隧洞、调压井及压力钢管组成，引水系统总长约4.8 km，电站引用流量46.8 m3/s。电站装机60 MW(30 MW×2)，额定水头148.2 m。见表1。

表1 国外某水电站原机组(2#，3#机组)扩机前后主要参数表

2.2 扩建水轮机及附属设备

2.2.1机组选型

电站新增装机容量15 MW，发电厂房型式为地面厂房，电站额定水头136.6 m，最大水头161.7 m，最小水头134.2 m。本电站水轮机运行水头范围在134.2～161.7 m之间，水头变幅为27.4 m。此水头段适合的水轮机最佳型式为混流式水轮机，因此电站新增水轮机采用立轴混流式。

综合考虑效率、空化性能、额定流量等多方面的因素，本阶段暂定选用D307作为水轮机代表转轮开展相关设计工作。

2.2.2 机组台数选择

原电站装机2×30 MW，结合本电站的特点，经技术经济比较，本电站推荐新增一台单机容量为15 MW的装机方案。

2.2.3 水轮机发电机组主要参数

水轮发电机组参数如下：

水轮机额定出力Pr=15.544 MW

水轮机转轮直径D1=1.29 m

额定比转速ns=160.2 m·kW

额定转速n=600 r/min

额定流量 12.45 m3/s

额定工况点效率 ≥93.2%

安装高程 86.2 m

发电机型号 SF15-10/2615

功率因数COSΦ 0.8

转动惯量GD2 ≥95 t·m2

保证效率 ≥96.5%

2.3 调节保证计算

调节保证计算是研究机组突然改变较大负荷时调节系统过渡过程的特性，计算机组的转速变化和压力输水系统压力变化，选定导水机构合理的时间和启闭规律，解决压力输水系统水流惯性、机组惯性力矩和调整特性三者之间的矛盾[2]。

2.3.1 设计标准

国外某水电站原为一洞二机的引水式电站，厂房形式为地面式，新增扩建机组后，电站引水系统布置见图1。

原电站单机容量30 MW，装机两台，扩机新增一台单机容量15 MW的机组，原电站机组调节保证计算控制目标值：

机组最大转速升高率保证值 ≤50%

蜗壳最大压力值 ≤222 m

尾水管最小水压 ≥-7 m·H2O

2.3.2 计算方法及结果

为了能准确计算出机组的大波动情况，采用计算机仿真软件进行计算分析，其工况选择及计算成果见表2和表3。

图1 国外某水电站引水发电系统简图

表2 国外某电站1#扩机机组大波动过渡过程计算结果

表3 国外某电站2#，3#机组大波动过渡过程计算结果

2.3.2.1 1#新增机组

相应引水系统水流惯性时间常数Tw≈2.4 s，根据优化计算，确定水轮机导叶采用两段关闭方式，第一段关闭速率0.12，第二段关闭速率0.044，拐点开度0.4，第一段关闭时间5 s，总关闭时间14 s。

机组GD2值按常规设计，机组额定转速为600 r/min，GD2为95 t·m2，对应的机组惯性时间常数Ta=6.03 s。机组大波动过渡过程各项极值如下：

蜗壳最大压力上升发生在校核洪水位下，两台机同时甩额定负荷，紧急停机，其蜗壳最大压力为220.8 m·H2O。

机组校核洪水位下，两台大机同时甩额定负荷，至空载运行，机组最大转速上升率为βmax=53.6%。

尾水管最小水压HB为-2.1 m。

2.3.2.2 2#，3#原机组

相应引水系统水流惯性时间常数Tw≈2.1 s，根据优化计算，确定水轮机导叶采用两段关闭方式，第一段关闭速率0.075，第二段关闭速率0.033，拐点开度0.4，第一段关闭时间8 s，总关闭时间20 s。

机组GD2值按常规设计，机组额定转速为500 r/min，GD2为362 t·m2，对应的机组惯性时间常数Ta=7.98 s。机组大波动过渡过程各项极值如下：

蜗壳最大压力上升发生在正常蓄水位下，3台机同时甩全负荷紧急停机，蜗壳最大压力为220.9 m·H2O。

正常蓄水位下，3台机同时甩额定负荷至空载，机组最大转速上升率为βmax=52.7%。

尾水管最小水压HB为-6.5 m。

2.4 结论及建议

2.4.1 结 论

原机组调节保证计算最大转速上升率控制目标值为50%，本次调节保证计算结果1#新增机组最大转速上升率53.6%，2#，3#原机组最大转速上升率52.7%，最大转速上升率超出控制目标值，其余满足要求。

根据《水力发电厂机电设计规范》(DL/T 5186-2004)[3]，“当机组容量占工作总容量的比重不大，或不担负调频时，宜小于60%。”本次最大转速上升率计算结果机组满足规范要求。

2.4.2 建 议

1) 与业主、水轮发电机厂沟通，原机组甩负荷时最大转速上升率为52.7%，是否满足要求。

2) 本次调节保证计算蜗壳最大压力值220.9 m，接近最大承压能力222 m，下阶段原电站压力钢管做管道状态评估，确保压力钢管的承压能力。

3) 利用其它仿真计算软件进行调节保证计算复核。

3 结 语

部分水电站运行过程中存在弃水，扩机改造能够充分利用原电站浪费的弃水，扩大装机规模，提高发电效益。对于扩机工程而言，调节保证计算的复核直接影响扩机方案的可行性与否，关系到水工建筑物和机组的安全与稳定。电站应据自身实际情况，因地制宜，有针对性的进行增容改造工作，为水电站取得实实在在的技改成效和经济效益[4]。