葛 曦，黃正財(cái)，楊 超，張建勛

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概述

冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣，為蒙江流域梯級(jí)電站的第八級(jí)，電站于2016年發(fā)電，裝機(jī)容量為3×30MW，采用地下廠房布置，尾水洞較長(zhǎng)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

冗各水電站的輸水系統(tǒng)為壓力隧洞后接壓力鋼管引水至地下廠房，再接長(zhǎng)尾水隧洞到下游尾水的布置方式。3號(hào)發(fā)電引水隧洞從進(jìn)口到廠房邊墻長(zhǎng)

約219.8m，尾水洞長(zhǎng)約188.4m。1號(hào)引水隧洞從進(jìn)口到廠房邊墻長(zhǎng)約155.8m，尾水洞長(zhǎng)約149.3m。2號(hào)引水隧洞從進(jìn)口到廠房邊墻長(zhǎng)約187.8m，尾水洞長(zhǎng)166.5m。顯然，在同樣的邊界條件下，由于冗各3號(hào)發(fā)電引水隧洞和尾水洞分別比冗各1號(hào)和冗各2號(hào)的長(zhǎng)，所以冗各3號(hào)水輪機(jī)甩負(fù)荷的水力過(guò)渡過(guò)程條件最不利，以3號(hào)機(jī)作為計(jì)算對(duì)象。

有壓鋼筋混凝土隧洞長(zhǎng)200.47m，隧洞內(nèi)徑4.5m，隧洞末端接壓力鋼管，壓力鋼管至蝸殼進(jìn)口長(zhǎng)24.164m，直徑4.0m。機(jī)組中心到尾水管出口長(zhǎng)11.23m，尾水管出口后的有壓尾水隧洞長(zhǎng)171.137m，有壓尾水洞面積為38.78m2,如圖1所示。

電站水頭不高，水頭變幅不大，選用立軸混流式機(jī)組單列布置，配套懸式密閉循環(huán)空氣冷卻三相同步水輪發(fā)電機(jī)，由于采用單管單機(jī)的布置方式，且機(jī)組前壓力引水系統(tǒng)不長(zhǎng)，因此機(jī)組前沒(méi)有設(shè)置進(jìn)水閥，而是采用了取水口設(shè)置快速閘門(mén)作為機(jī)組斷流設(shè)施。選用WT- 60-AZ微機(jī)調(diào)速器，該調(diào)速器采用進(jìn)口PLC為控制核心。具體見(jiàn)表1。

3 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況的選擇

根據(jù)該電站的實(shí)際情況與DL/T5186- 2004《水

力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

機(jī)組甩負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率小于55%，機(jī)組甩負(fù)荷在額定水頭和最高水頭兩種情況下，最大蝸殼壓力宜控制在50%～30%以?xún)?nèi)，以及機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)的最大真空度不大于-8m水柱。

一般來(lái)講，機(jī)組甩負(fù)荷最危險(xiǎn)的工況，最大水頭可能發(fā)生最大壓力上升，額定水頭可能產(chǎn)生最大速率上升值。由于該電站采用單管單機(jī)，機(jī)組運(yùn)行獨(dú)立，依據(jù)調(diào)保計(jì)算的目的擬定工況見(jiàn)表2。

3.2 不同關(guān)閉規(guī)律及各工況水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

采用一段關(guān)閉規(guī)律，通過(guò)不同導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，針對(duì)A11，A12工況甩額定負(fù)荷進(jìn)行了大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、4。

從表3以看出：導(dǎo)葉直線關(guān)閉T1=11s、13s依次進(jìn)行大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，在飛輪力矩GD2=2200t·m2時(shí)，最大壓力上升在最大水頭，最大速率上升發(fā)生額定水頭，尾水管真空度在規(guī)定的-8m范圍之內(nèi)。

最大壓力上升產(chǎn)生在整個(gè)導(dǎo)葉關(guān)閉的末端，最大速率上升產(chǎn)生在整個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)口的中間；各工況隨著關(guān)閉時(shí)間增加，機(jī)組產(chǎn)生的瞬時(shí)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷改善有所減少，壓力真空值也隨著降低；各工況的蝸壓和尾壓產(chǎn)生脈動(dòng)，呈衰減變化。

對(duì)3臺(tái)機(jī)在最小水頭(與額定水頭接近)和最大水頭同甩滿(mǎn)負(fù)荷工況(A13、A14)進(jìn)行大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，經(jīng)過(guò)多個(gè)二段關(guān)閉規(guī)律的分析計(jì)算，選定導(dǎo)葉接力器分段關(guān)閉規(guī)律。

表3 一段關(guān)閉3#機(jī)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

表4 二段關(guān)閉3#機(jī)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

從表4中可以看出：導(dǎo)葉采用第二組的二段關(guān)閉規(guī)律，蝸殼最大壓力上升不超過(guò)75.4m，機(jī)組速率上升不超過(guò)55%，尾水管最小真空度小于-8m范圍之內(nèi)。機(jī)組產(chǎn)生的瞬時(shí)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷與一段關(guān)閉相比均有所增加，甩負(fù)荷時(shí)增加了抬機(jī)可能性。

圖2 A11，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機(jī)組甩負(fù)荷大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程曲線圖

圖3 A12，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機(jī)組甩負(fù)荷大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程曲線圖

圖4 A13，T1=7s，T2=21s，Y12=0.6，3#機(jī)組甩負(fù)荷大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程曲線圖

從圖2～圖4機(jī)組的過(guò)渡過(guò)程曲線圖可以看出：各工況的蝸壓和尾壓產(chǎn)生脈動(dòng)，但呈衰減變化。

3.3 計(jì)算結(jié)果

從表3和表4的數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組通過(guò)以上各種工況的大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，采用兩段關(guān)閉規(guī)律，在發(fā)電機(jī)GD2=2200t·m2條件下，機(jī)組速率上升和蝸殼最大壓力上升均優(yōu)于一段關(guān)閉規(guī)律下的計(jì)算結(jié)果，為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，采用表4中字體加粗部分的關(guān)閉規(guī)律及計(jì)算結(jié)果作為電站運(yùn)行的依據(jù)。

3.4 機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)的驗(yàn)證

在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，1#機(jī)組在上游495m，下游447.65m的水位下進(jìn)行了50%、75%、100%負(fù)荷下的甩負(fù)荷試驗(yàn)，根據(jù)中控室讀取數(shù)據(jù)，在100%出力下甩負(fù)荷時(shí)出力29.9MW，轉(zhuǎn)速上升為142.3%，蝸殼壓力為67m。

在施工過(guò)程中，引水系統(tǒng)數(shù)據(jù)略有變化，因此我們重新進(jìn)行了建模復(fù)核，并根據(jù)此次甩負(fù)荷的關(guān)閉規(guī)律和時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整計(jì)算。

以1#機(jī)計(jì)算得出：最大轉(zhuǎn)速上升值為45.4%，最大蝸殼壓力69m，最小尾管壓力-1.5m。對(duì)比數(shù)據(jù)，蝸殼壓力比現(xiàn)場(chǎng)高2m(約3%)，轉(zhuǎn)速上升也比現(xiàn)場(chǎng)高約3%，3%的誤差應(yīng)是軟件所留余量。

以3#機(jī)計(jì)算得出的最大轉(zhuǎn)速上升值為50%，最大蝸殼壓力75.8m，最小尾管壓力-3.2m?？鄢嗔亢笪仛毫θ匀怀鲆蟆?/p>

因此調(diào)整了電站的關(guān)閉規(guī)律，第一段關(guān)閉時(shí)間為5s，第二段關(guān)閉時(shí)間為20s，分段開(kāi)度為0.7。計(jì)算所得最大轉(zhuǎn)速上升值為49.4%，最大蝸殼壓力67.5m，最小尾管壓力-3.405m。該結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求及該電站運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

冗各水電站的布置有如下特點(diǎn)：①機(jī)組前引水系統(tǒng)采用單管單機(jī)，機(jī)組后尾水洞也是單管單機(jī)；②采用地下廠房布置型式；③機(jī)組前無(wú)進(jìn)水閥而采用進(jìn)口快速閘門(mén)；④長(zhǎng)尾水洞。在水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí)，由于機(jī)組的獨(dú)立性，采用引水系統(tǒng)最長(zhǎng)的3號(hào)機(jī)組作為計(jì)算控制。在計(jì)算過(guò)程中，我們對(duì)比了一段關(guān)閉與兩段關(guān)閉規(guī)律，初步選擇了更利于電站運(yùn)行的第一段關(guān)閉時(shí)間為7s，第二段關(guān)閉時(shí)間為21s，分段開(kāi)度為0.6作為調(diào)試運(yùn)行指導(dǎo)，在施工過(guò)程中，由于引水系統(tǒng)參數(shù)略有變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)所采用的關(guān)閉規(guī)律再進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算后，提出了更合適的關(guān)閉規(guī)律，得到了滿(mǎn)意的結(jié)果。

[1] 楊超, 葛曦. 畢大供水泵站事故停泵水錘模擬分析與防護(hù)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(12): 156- 160.

[2] 任啟淼, 郭建偉. 低水頭有壓引水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2008(04): 82- 84.

[3] 李偉. 大河沿河渠首水電站調(diào)節(jié)保證措施方案研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(02): 62- 65.

[4] 朱燁華. 大河沿渠首水電站引水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程分析研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(02): 81- 84.

[5] 朱燁華. 吉林臺(tái)二級(jí)水電站過(guò)渡過(guò)程分析研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2012(01): 25- 29.

[6] 朱燁華. 吐木秀克水電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證分析研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2011(06): 66- 68.

[7] 范建軍. 導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法及安全控制[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015, 23(06): 93- 95.

[8] 李濤, 葛曦. 多泥沙河流水電站轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2012(04): 43- 46.

[9] 葛曦, 郭建偉, 黃正財(cái), 等. 夾巖水利樞紐渠首電站水輪機(jī)選型[J]. 小水電, 2013(02): 24- 26.

[10] 鄒玉濤, 閆欣. 大型混流泵站水力過(guò)渡過(guò)程分析及防護(hù)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2008(05): 33- 34.

[11] 程永光, 張慧. 用Lattice Boltzmann方法模擬二維水力過(guò)渡過(guò)程 [J]. 水利學(xué)報(bào), 2001, 32(10): 0032- 0038.