增容改造水電站關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化及運行限制條件分析

宗萬波

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽550081）

1 概況

PD電站正常蓄水位1145m，死水位1126m，第1臺機組于1994年5月發(fā)電，原裝機容量75MW，裝設(shè)3臺25MW立軸混流式水輪發(fā)電機組。受當時設(shè)計、制造條件的限制，設(shè)備及其配套設(shè)施較差，電站運行過程中出現(xiàn)一系列的問題。為保證電站運行安全，提高經(jīng)濟效益，在維持原水工建筑物尺寸不變的情況下，通過加大過流量，更換新機組來完成更新改造。

經(jīng)計算，確定新機組單機容量29MW、額定流量69.62m3/s。隨著單機容量與額定流量的增大，原關(guān)閉規(guī)律不一定能適應(yīng)改造后電站安全運行的要求，需對新機組的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及運行限制條件進行分析。

2 關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化分析

為保證電站的安全運行，結(jié)合招標后確定的機組參數(shù)及原流道尺寸，利用水電站過渡過程仿真計算軟件，對改造后電站的關(guān)閉規(guī)律進行復(fù)核分析。

2.1 原關(guān)閉規(guī)律復(fù)核

本電站改造增容后3臺機額定引用流量為208.86m3/s，壓力引水系統(tǒng)最長的1臺機組LV值為1705.189m2/s，計算水流慣性時間常數(shù)Tw=3.659s。電站原導(dǎo)葉采用二段關(guān)閉方式，第一段關(guān)閉速率為0.2，第二段關(guān)閉速率為0.05，分段拐點處導(dǎo)葉相對開度為0.55，即第一段經(jīng)2.25s將導(dǎo)葉關(guān)閉至55%額定開度處，第二段11s將導(dǎo)葉完全關(guān)閉，總時間13.25s，按原規(guī)律計算各典型工況過渡過程知，改造后PD電站蝸殼壓力最高值Hmax=85.72m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=45.4%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計條件。尾水管進口最低壓力為 -7.46m·H2O，符合規(guī)范要求的 -8m·H2O，但略低于按海拔修正的標準。水力瞬變過程中，引水隧洞頂板最低壓力為4.37m·H2O，滿足規(guī)范要求的當機組突增或突減負荷時，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點的最小壓力不低于2m·H2O的條件。

本電站配置SFD事故配壓分段關(guān)閉裝置，若分段關(guān)閉閥不動作[1]則關(guān)閉規(guī)律變成直線關(guān)閉，為保證電站的安全，須進行直線關(guān)閉的驗算。

2.2 分段閥不動作關(guān)閉規(guī)律驗算

分段關(guān)閉閥不動作時，電站導(dǎo)葉將按照第一段關(guān)閉規(guī)律直線關(guān)閉（即5s導(dǎo)葉從全開到全關(guān)），按此關(guān)閉規(guī)律復(fù)核計算各典型工況過渡過程可知，在分段關(guān)閉閥不動作狀態(tài)下原關(guān)閉規(guī)律計算的調(diào)保結(jié)果不滿足規(guī)范要求（特別是隧洞頂部壓力值、蝸殼壓力值），不能保證電站安全運行。要保證電站運行過程的安全，必須進行關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化計算。

2.3 關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化計算

為保證分段關(guān)閉閥不動作狀態(tài)下調(diào)保結(jié)果滿足規(guī)范要求，必須放緩第一段關(guān)閉時間。經(jīng)優(yōu)化試算后導(dǎo)葉第一段關(guān)閉速率為0.133，第二段關(guān)閉速率為0.06，分段拐點處相對導(dǎo)葉開度為0.6；即第一段經(jīng)3s將導(dǎo)葉關(guān)閉至60%額定開度處，第二段10s將導(dǎo)葉完全關(guān)閉，總時間13s。

根據(jù)優(yōu)化后的關(guān)閉規(guī)律，在分段關(guān)閉閥正常情況下，蝸殼壓力最高值Hmax=77.36m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=49.8%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計條件。尾水管進口最低壓力為-7.47m·H2O，符合規(guī)范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的標準。引水隧洞頂部最低壓力為3.64m·H2O，滿足規(guī)范要求的當機組突增或突減負荷時，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點的最小壓力不低于2m·H2O的條件。當分段關(guān)閉閥失靈情況下，蝸殼壓力最高值Hmax=88.1m·H2O；轉(zhuǎn)速上升最高值βmax=49.9%，最大壓力及最高轉(zhuǎn)速上升值均滿足設(shè)計條件。尾水管進口最低壓力為-7.25m·H2O，符合規(guī)范要求的-8m·H2O，但略低于按海拔修正的標準。引水隧洞頂部最低壓力為-4.0m·H2O，不滿足規(guī)范要求的當機組突增或突減負荷時，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點的最小壓力不低于2m·H2O的條件。

3 運行限制條件分析

為保證電站安全運行，必須通過限制某些運行條件從而使上游隧道頂部在任何工況（包括分段閥不動作）下的最低壓力均滿足規(guī)范要求。

機組運行限制，一般通過調(diào)速系統(tǒng)來完成，調(diào)速器通過接收水位、頻率、功率、開度（流量）等信號，完成對機組運行的控制和限制。一般來說，水位常用于機組運行限制條件，水庫調(diào)度運行規(guī)程中也有相應(yīng)的條款明確。頻率、開度（流量）一般不作為機組運行限制條件，功率作為限制條件時多用于機組避開振動區(qū)運行[3-4]。

針對需要運行限制的2個工況進行調(diào)節(jié)保證試算，上游3臺機運行時水庫最低水位控制在1132.82m，上游2臺機運行時水庫最低水位控制在1128.35m，隧洞頂部壓力滿足規(guī)范要求?？紤]到計算程序的誤差，為保證整個引水流道的安全，可規(guī)定上游3臺機同時運行的最低庫水位為1133.50m，2臺機同時運行的最低庫水位為1129.00m。

另外，由于本電站引水系統(tǒng)為一管三機布置型式，1臺機組負荷變化時會影響其余機組的運行穩(wěn)定性，為了保證系統(tǒng)安全（尤其是引水隧洞安全），實際運行時建議每次只能對1臺機組進行增或減負荷操作，禁止同時對2臺及以上機組增負荷操作，單臺機組增負荷的過程也應(yīng)緩慢平穩(wěn)。

4 結(jié)論

根據(jù)我國水電發(fā)展歷程，目前很多水電站待改造。對于增容改造的水電站，原導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律不一定能夠適應(yīng)新機組的運行要求，須根據(jù)改造后實際條件（新單機流量、新單機容量、新模型特性等），對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進行復(fù)核優(yōu)化，優(yōu)化過程應(yīng)考慮全面，并根據(jù)計算需要提出電站運行的限制條件。