重力有压自流灌溉供水对电站发电运行影响的探讨

吴昌春

（黄河小浪底水资源投资有限公司，河南 郑州 450000）

0 工程概况

小浪底北岸灌溉洞工程位于小浪底水利枢纽左岸进水塔群与西沟水库之间，地处河南省济源市境内，是小浪底水利枢纽的主要组成部分，采用重力有压自流方式为北岸灌区供水和向西沟水库供水及发电，引水条件和方式由小浪底水库的运用方式和进水塔总体布置决定，在灌区和西沟电站同时引水时，优先满足灌区的引水要求。

1 基本参数

1.1 水轮发电机组基本参数

1.1.1 水轮机基本参数

电站安装2台立式混流式水轮机，水头运行范围在64.2～116.5 m之间。西沟电站的水轮机综合特性曲线图参见图1，水轮机基本参数参见表1。

表1 水轮机基本参数

1.1.2 发电机参数

发电机为立轴悬式空冷发电机，其基本参数见表2。

表2 发电机基本参数

1.1.3 调速器基本参数

每台机组设置一台具有PID调节规律的微机控制电液调速器。调速阀参数参见表3。

表3 调速阀基本参数

1.1.4 调压阀基本参数

每台机组蜗壳120°处安装一台卧式液压操作调压阀，通流直径600 mm。调压阀基本参数参建表4。

表4 调压阀基本参数

1.2 北岸灌溉工程基本参数

1.2.1 上游水库水位、进出水口水位及布置高程参见表5。

表5 水库、进出水口水位及布置高程

1.2.2 调流调压阀门的主要参数

调流调压阀门运行应保证在小浪底水库为最低水位230 m时，仍能下泄约30.0 m3/s流量。为保证灌溉流量，灌溉隧洞末端设置2套并联安装的调流调压阀门。调流调压阀门采用水下淹没出流。

2 电站调速稳定性分析判据及大波动分析控制条件

调速稳定性也称为小波动稳定性。调速系统时间域稳定品质通过表6来分析。

表6 调速器稳定性参数

2.1 时间域调节稳定品质分析判据

调节时间定义：从机组转速因受扰开始偏离给定值开始，到机组动态转速进入转速偏差残留小于最大相对偏差的±2%为止所经历的时间。在空载条件下压力管道流量很小时，由于水击波衰减很慢将对调速过程产生不利影响， 转速偏差残留波动可适当放宽，例如±5%。

2.2 最大转速偏差率定义

最大转速偏差率=最大相对转速偏差/相对负荷变化量

3 灌溉引水对西沟电站正常发电运行的影响

3.1 计算分析前提条件

分析只涉及灌区通过调流调压阀引水灌溉时对西沟电站正常发电运行稳定性的影响。而对于西沟电站在独立运行时的稳定性，主要有以下两点:

（1）西沟电站为“井阀并用方案”，独立运行时Tw=6.20 s，Ta=4.36 s（相应于GD2=66 t·m2），Tw/Ta=1.42，远大于规范规定值0.4。

（2）研究西沟电站机组并网前或脱网后的空载运行稳定性，在空载条件下，调压井的稳定断面比孤网带负荷时要小得多。

3.2 灌溉流量对西沟电站水轮发电机组调速稳定性的影响

3.2.1 高水头工况X1计算分析

X1共定义了3个子工况,对应不同的灌区灌溉流量，都是水轮发电机组在负荷扰动之后进入了空载运行条件，见表7。

高水头工况X1计算如下：

（1）Tw/Ta=1.42，远大于规范规定值0.4。由于西沟电站调压井不满足托马稳定条件，在孤网带负荷条件下要求水轮发电机组满足小波动稳定要求是不切实际的。

表7 髙水头X1工况计算分析

（2）在高水头条件下，西沟电站水轮发电机组的空载调速稳定性几乎完全不受灌溉流量的影响。

图2 X1a工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图3 X1b工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图4 X1c工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

3.2.2 低水头工况X2计算分析

上游水位250 m是西沟电站两台水轮发电机组发电允许的最低上游水位。对应不同的灌区流量，X2也定义了3个子工况。计算分析详见表8。

表8 低水头X2工况计算分析

低水头工况X2的计算结论如下:

（1）在上游250 m水位（西沟电站2台水轮发电机组发电最低上游水位）条件下，西沟电站水轮发电机组的调速稳定性受灌溉流量的影响明显,灌溉流量越大,西沟电站水轮发电机组的调速稳定性就越好。

（2）当灌溉流量为零时，水轮发电机组调速稳定性不好，主要反映在调节过程50 s之后仍有小幅转速波动，而且该波动收敛很慢。波动周期与调压井波动周期相同，不稳定性是由调压井的稳定性不好所致。

（3）在上游250 m水位条件下，2台灌溉调流调压阀的过流能力略显不足(未达到灌区设计流量30 m3/s)。

图5 X2a工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图6 X2b工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图7 X2c工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

3.2.3 灌溉调流调压阀的开启和关闭对西沟电站运行的水力干扰

西沟电站水轮发电机组并网带负荷运行时，水轮发电机组的运行稳定性在大电网运行的假定条件下的转速/频率稳定性是不会存在问题的，除非这个电网本身就存在不稳定问题。灌溉调流调压阀对西沟电站的水力干扰主要反映在压力波动导致西沟电站水轮发电机组出力波动上。

3.2.4 灌溉调流调压阀的开启工况GR1计算分析

受水力干扰的水轮发电机组水头越低，受干扰的程度就越严重。低水头条件下的水力干扰GR1共定义了3个子工况, 对应了不同的灌溉调流调压阀开启时间和动作阀门台数。西沟电站水轮发电机组并大电网作有差调频运行。计算分析详见表9。

表9 GR1工况计算分析

GR1工况的计算结论如下：

（1）灌溉调流调压阀双阀同时开启会造成较大的瞬态压力下降，从而引起西沟电站水轮发电机组较大的出力下降。将阀门开启时间从30 s增加到60 s能明显减小西沟水轮发电机组水头与出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（2）与灌溉调流调压阀双阀同时开启相比，单阀开启所造成的西沟电站水轮发电机组水头和出力下降要低得多，如果把开启时间设在60 s或者60 s以上，灌溉调流调压阀开启对西沟电站水轮发电机组所造成的水力干扰程度可以接受。

（3）GR1a工况造成的调压井最低涌浪水位为236 m, 调压井水位不会拉空，GR1b和GR1c工况就更安全。

图8 GR1a工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图9 GR1b工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图10 GR1c工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

3.2.5 灌溉调流调压阀的关闭工况GR2计算分析

对应了不同的灌溉阀门关闭时间和动作阀门台数，GR2共定义了3个子工况。GR2计算分析详见表10。

表10 GR2工况计算分析

图11 GR1a工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图12 GR1b工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

图13 GR1c工况下西沟电站水轮发电机组小波动仿真计算波形图

GR2工况的计算结论如下：

（1）灌溉调流调压阀双阀同时关闭会造成引水隧洞较大的瞬态压力上升，从而引起西沟电站水轮发电机组较大的出力上升，机组超出力可超过30%。将调流调压阀关闭时间从30 s增加到60 s能明显减小西沟电站机水轮发电组水头与出力上升的程度, 但机组短时超出力仍可超过23%。

（2）与双阀同时关闭相比,单阀关阀所造成的西沟电站机组水头和出力上升要低得多，如果把调流调压阀关闭时间设在60 s或者60 s以上，调流调压阀关闭对西沟电站水轮发电机组所造成的短时出力上升理论上可控制在11%以内，是可以接受的。

4 结论

（1）在上游275 m水位（高水头）条件下，西沟电站水轮发电机组的空载调速稳定性几乎完全不受灌溉引水流量的影响。

（2）在上游250 m水位条件下（西沟电站2台水轮发电机组发电最低上游水位要求），西沟电站水轮发电机组的调速稳定性受灌溉引水流量的影响明显，而且影响是正面的, 灌溉流量越大, 西沟电站水轮发电机组的调速稳定性就越好。

（3）灌溉阀双阀同时开启会造成引水隧洞中较大的瞬态压力下降，从而引起西沟电站水轮发电机组较大的出力下降。将灌溉阀门开启时间从30 s增加到60 s能明显减小西沟电站水轮发电机组水头与出力下降的程度, 但下降程度仍然偏大。

（4）与双阀同时开启相比，单阀开启所造成的西沟电站水轮发电机组水头和出力下降要低得多，如果把开启时间设在60 s或者60 s以上，灌溉阀门开启对西沟电站水轮发电机组所造成的水力干扰程度应该说是可以接受的。

（5）在上游水位250 m条件下，灌溉阀双阀同时开启造成的调压井最低涌浪水位为236 m, 不出现调压井拉空问题。

（6）灌溉阀双阀同时关闭会造成引水隧洞中较大的瞬态压力上升，从而引起西沟电站水轮发电机组较大的出力上升，机组超出力可超过30%。将灌溉阀门关闭时间从30 s增加到60 s能明显减小西沟电站机组水头与出力上升的程度, 但机组短时超出力仍可超过23%。

（7）与灌溉阀门双阀同时关闭相比，单阀关阀所造成的水头和出力上升要低得多，如果把开启时间设在60 s或者60 s以上，灌溉阀门关闭对西沟电站水轮发电机组所造成的短时出力上升可控制在11%以内，是可以接受的。