涔天河水库扩建工程枢纽电站水力过渡过程计算分析

夏凯歌，李 鹏

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游，具有灌溉、防洪、下游补水和发电、兼顾航运等综合利用效益，在系统中承担调枯、调峰、调频、事故备用等任务。电站装设4 台单机容量50 MW 立式混流式水轮发电机组。不设调压井。输水系统采用4 机1 管的引水方式，主洞洞径9.5m，长478.7 m，支管管径Φ4.1 m，最远1 台机组支管长度为27.4 m，管路示意见图1。

图1 管路示意图

2 设计依据

1）《水利水电工程机电技术规范》SL 511-2011；

2）《水轮机控制系统技术条件》GB/T 9652.1-2007。

3 水力过渡过程计算控制值确定

1）机组甩负荷时的最大转速升高率保证值小于55%；

2）机组甩负荷时的蜗壳最大压力升高率保证值小于45%；

3）机组甩负荷时的尾水管进口断面的最大真空保证值不大于8 m 水柱。

4 软件介绍

电算软件采用河海大学水力机组微机控制技术开发研究室开发的《水电站水力-机械过渡过程仿真计算系统》。该软件采用优化方法进行水轮机水压力和转速迭代计算，先用进退法求出包含解的区域，然后用区域分割法求出解。经已建成电站对比验证，该软件计算结果与电站运行过渡过程工况相近，能较好地反应真实的水力过渡过程情况。

5 水力过渡过程计算

5.1 计算水位组合

计算水位组合选取典型水位组合和普通水位组合两种，结合电站多种运行水位组合计算结果，选出最危险水位组合即典型水位组合，计算典型水位组合用以优化相关计算参数，最后根据相应参数计算普通水位组合加以验证（表1、表2）。

表1 典型水位组合

表2 普通水位组合

5.2 机组参数优化

5.2.1 导叶关闭规律优化

1）直线关闭规律优化

选取的GD2为2 900 t·m2，关闭方式为直线关闭。

根据选定的上述两个控制水位组合，分别进行计算，直线关闭时间分别取10 s、11 s、12 s、13 s、14 s。

由图2～图3，可得出在直线关闭时的结论：

图2 CTH1 主要参数与关闭规律关系

图3 CTH2 主要参数与关闭规律关系

①随着关闭时间增大，蜗壳压力升高率逐渐降低，转速升高率逐渐增大。

②蜗壳压力上升率最大值出现在CTH1 水位组合，转速上升率最大值出现在CTH2 水位组合。

③直线关闭的方式不能满足选取的过渡过程计算控制条件，不能同时满足两个典型工况的转速升高率保证值和压力升高率保证值的要求。

2）分段关闭规律优化

分段关闭方式采用两段关闭。

根据选定的两个控制水位组合，分别进行计算，分段关闭时间分别采取3 个方案（见表3）。

从表3 计算结果可以看出，采用分段关闭规律后，机组的转速上升率和压力上升率得到很好的改善。由上面的计算结果可以看出，甩负荷时转速升高率处于临界处，因此考虑导叶第一段关闭时间较短时，能改善甩负荷时的转速升高率，综合比较压力上升率等因素，本阶段推荐导叶关闭规律为第一段关闭时间为5 s，第二段关闭时间为15 s，见图4。

表3 分段关闭时水力过渡过程计算结果

图4 导叶关闭规律图

5.2.2 机组GD2优化

机组GD2取值对机组转速有较大影响，为了分析机组GD2值对输水系统及机组有关设计参数的影响，并为机组GD2值的选取提供依据，有必要对机组GD2不同取值进行过渡过程比较计算。

根据电站实际情况和前期试算结果，选定上述两个控制水位组合,并采用分段关闭规律，选定GD2比较参数分别为2 600 t·m2、2 700 t·m2、2 800 t·m2、2 900 t·m2、3 000 t·m2。计算结果和相关分析如下（见表4 和图5）：

表4 不同GD2 时水力过渡过程计算结果

图5 机组转速升高率与转动惯量关系曲线

由图5 可以看出：机组最大转速上升率随GD2的增加而减小，但是对蜗壳末端压力和尾水管进口压力影响不大。由于引水系统与机组本身存在一些不确定因素，可能导致计算误差，由导叶关闭规律中优化可知：机组GD2取2 900 t·m2，过渡过程计算结果均能满足选取的过渡过程计算控制条件要求，并有一定的安全裕度。因此，推荐机组GD2不低于2 900 t·m2为宜。

5.3 计算成果及分析

从表5、图6～7 等计算结果可以看出，导叶关闭规律第一段关闭时间为5 s，第二段关闭时间为15 s，GD2为2 900 t·m2时，各水位组合计算结果均满足选定的过渡过程计算控制条件，且保持有一定的安全裕量。最大压力升高率出现在CTH2 水位组合，为42.4%；最大蜗壳水压力出现在CTH3 水位组合，为135.53 m，尾水管最小压力值出现在CTH2 水位组合，为0.07 m。根据水力过渡过程计算结果，考虑到一定安全裕量，取压力钢管最高压力设计值为140 m。最大转速升高率出现在CTH2 水位组合，为52.9%。

表5 水力过渡过程计算结果

图6 CTH1 水力过渡过程曲线

图7 CTH2 水力过渡过程曲线

6 结 论

1）导叶关闭规律采用直线关闭不能满足过渡过程计算要求，所以采用两段关闭方式，第一段关闭时间为5 s，关闭开度至70%，第二段关闭时间为15 s，关闭开度至0，经计算此方案可以满足过渡过程计算控制条件。

2）通过对涔天河水电站机组GD2的可能取值进行比较计算可知：GD2值取2 900 t·m2时，过渡过程计算结果能满足要求，并有一定的安全裕度，故推荐机组GD2不低于2 900 t·m2。

3）导叶关闭规律第一段关闭时间为5 s，第二段关闭时间为15 s，GD2为2 900 t·m2时，各水位组合计算结果均满足选定的过渡过程计算控制条件，且保持有一定的安全裕度。