新疆某水电站调节保证计算

冯小燕，周暄礼

(中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430000)

在电站运行过程中，经常会遇到增减负荷及各种事故、机组突然与系统解列等甩负荷工况[1-2]。较为严重的是甩负荷工况，此时机组转速上升，调速器关闭导叶，水轮机流量急剧变化，在水轮机压力过水系统中会产生水击，此时产生的最大压力上升和最大压力下降对压力过水系统是有影响的[1]，工程实践中曾经出现因甩负荷压力上升太高导致压力钢管爆破的灾难性后果。因此，在设计阶段就应该计算出上述过渡过程中最大转速上升值和最大压力上升值[1]，保证计算值不超过调节保证的标准值，以此保证机组的稳定运行。

1 水电站引水系统概述及机组资料

该水电站引水系统采用1洞3机布置型式，总引水流量44.38 m3/s，整个引水系统总长约441.0 m，进口引渠段总长10.8 m，后经进水口段(23.1 m)接入引水发电洞，引水发电洞由引水隧洞(上平洞段)、压力钢管段及岔管段等组成。引水隧洞全长232.0 m，隧洞内径4.5 m。压力钢管段长155 m，内径4.2 m，三根岔管分别为直径2.3、2.3、1.4 m的压力钢管，岔管采用非对称卜形布置接至厂房前，与水轮机进水阀相连，支管垂直厂房纵轴线。

电站基本参数如表1所示。

表1 电站基本参数表

2 调保计算

2.1 计算标准

SL511-2011《水利水电工程机电设计技术规范》2.4.4、2.4.5、2.4.8中对于蜗壳压力上升、水轮机转速上升、尾水管最大真空度、输水系统全线最小压力计算控制值有以下规定：

当额定水头为40～100 m时，机组甩负荷的蜗壳最大压力升高率保证值宜为50%～30%。

当机组容量占电力系统工作容量的比重不大，或不担负调频任务时，转速上升率宜小于60%。

甩负荷时，尾水管进口断面的最大真空度保证值不应大于(0.08-E/90000)MPa(E为水轮机安装高程，单位为m)。

当机组突增或突减负荷时，压力输水系统全线各断面最高点处的最小压力应不低于0.02 MPa，不得出现负压脱流现象。

结合本电站的特点，调节保证设计采用下列水力过渡过程计算控制值：

1)取机组蜗壳允许最大压力升高相对值ξ≤50%，即蜗壳允许最大压力Hmax≤82 m。其中Hmax=H0+H1。H0为过渡过程发生前的最大压力基础值，等于导叶前最大静压，为56.5 m；H1为允许升高的最大压力，H1=ξ×Hr=25.50 m；

2)机组最大转速升高率βmax≤60%；

3)尾水管进口最小压力≥-6.79 m；

4)压力输水系统全线各断面最高点处的最小压力不应低于2 m水柱。

2.2 计算工况

工况A：上游水位1 139.00 m，三台机组额定出力运行时同时甩负荷(转速升高控制工况)；

工况B：上游水位1 141.00 m，三台机组额定出力运行时同时甩负荷(压力升高控制工况)；

工况C：上游水位1 132.00 m，三台机组90%出力运行时同时甩负荷(负压控制工况)；

工况D：上游水位1 132.00 m，两台机组运行，一台机组空载增至满负荷运行(负压控制工况)；

工况E：单台大机额定工况运行时，突甩负荷(大机尾水管最小压力控制工况)；

工况F：单台小机额定工况运行时，突甩负荷(小机尾水管最小压力控制工况)。

各工况描述见表2。

表2 过渡过程各工况一览表

2.3 计算方法及数据处理

计算采用特征线方法[3-4]，补全HLA551C全特性后并离散处理，最终所得流量、力矩特性结果见图1。

图1 HLA551C流量、力矩特性曲线图

2.4 导叶关闭规律及时间确定

通过对不同导叶关闭时间和关闭规律进行比较优化分析计算，初步选定最优的导叶关闭规律为直线关闭规律，最优的有效导叶关闭时间大机取7 s，小机取8 s。

2.5 计算结果

依据优化选定的导叶关闭规律及关闭时间，对各个计算工况进行了分析计算，各工况计算结果极限值见表3所示。

表3 过渡过程各工况计算结果表

常规工况下，过渡过程计算具体极限值发生情况如下：

1)蜗壳最大压力发生在工况B，最大值为72.4 m(1号机)，小于控制值为81.5 m；

2)最大转速上升率发生在工况A，最大值为55.66%(1号机)，小于控制值为60.00%；

3)尾水管进口最小压力发生在工况F，最小值为-6.70 m(3号机)，大于控制值为-6.79 m；

4)输水沿线最小压力发生在工况C，最小值为2.73 m，大于控制值为2.00 m。

由各个工况计算结果可以看出，各项调节保证参数均未超出计算控制值。

3 结 语

虽然调保计算各项结果均未超出控制值，但隧洞上平段末端最小压力和尾水管进口最小压力均逼近临界值。由于特征线法的限制，尾水管当量化没有精确到一定程度，所以尾水管压力的计算值不及隧洞压力及转速上升计算得精准。在设计过程中，可以采取降低机组安装高程的措施来改善过渡过程的各项指标，保证机组后期投入运行的安全与稳定。