菲律賓Liangan水電站調(diào)節(jié)保證計算研究

熊曉明，王 頂

（(1.廣西財經(jīng)學院，南寧 530003；2.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，南寧 530009）

1 工程概況

菲律賓Liangan 水電站位于菲律賓南部棉蘭老島西北部北拉瑙省的Liangan 河上，電站壩址距巴科洛德市區(qū)約7 km，距伊利甘市約32 km，距卡加廷德奧羅市約126 km。水電站的開發(fā)任務為發(fā)電和灌溉，并兼顧下游減水河段生態(tài)環(huán)境用水要求。

菲律賓Liangan水電站為地面引水式廠房，布置于Liangan河右岸，一期裝機容量11.9 MW，安裝2臺單機容量5.95 MW 混流式水輪發(fā)電機組，設計引用流量為11.18 m3/s。后期計劃擴容至18 MW，設計引用流量為16.92 m3/s。引水系統(tǒng)按18 MW裝機容量進行設計。引水系統(tǒng)分布于右岸，主要由進水口、壓力涵管、調(diào)壓塔（井）、壓力管道段等組成，壓力管段由豎井、下平段及支管組成。調(diào)壓井前后的引水管道直徑分別為2.9 m和2.4 m，長度分別為1114 m和186 m。然后分岔引至3臺機組，分岔管直徑為1.2 m。

2 基本參數(shù)

電站基本參數(shù)見表1。

表1 電站基本參數(shù)

調(diào)節(jié)保證計算基本參數(shù)見表2。

表2 調(diào)節(jié)保證計算基本參數(shù)

3 調(diào)節(jié)保證計算

3.1 調(diào)節(jié)保證計算模型

水輪機調(diào)節(jié)保證計算主要分為兩種情況：一種是大波動計算，一種是小波動計算。大波動計算的目的是經(jīng)機組調(diào)節(jié)保證計算分析，優(yōu)化選擇導葉關閉規(guī)律，以使得蝸殼進口水錘壓力和機組轉(zhuǎn)速的上升值均能滿足設計要求并盡可能地小，同時根據(jù)水力過渡過程計算分析，預測輸水系統(tǒng)沿線的最大、最小動水壓力，確定調(diào)壓室以及閘門井的最高、最低涌波水位等[1]。小波動計算的目的是通過調(diào)節(jié)保證計算來分析在水力-機械系統(tǒng)中出現(xiàn)小波動時，在調(diào)速器和其他控制裝置的作用下，系統(tǒng)恢復到初始穩(wěn)定運行狀態(tài)或達到新的穩(wěn)定狀態(tài)并長時間保持穩(wěn)定運行的能力[2]。常用的水輪機調(diào)節(jié)保證計算方法是特征線法[3]，即基于特征線法來考慮水體彈性的一種分析方法，下面簡要介紹其計算模型。

對于管道中的瞬變流（一維不定常流動），其連續(xù)方程[4～6]為：

相應的運動方程為：

式中：H 為沿程水頭；V 是平均速度；g 為重力加速度；f是達西-威斯巴哈摩擦系數(shù)；α為管道中心線與水平線的夾角；D為管道直徑；a是波速。

用特征線法可將上述方程轉(zhuǎn)為如下差分方程：

式中：

圖1 特征線x-t網(wǎng)格

由（3）、（4）得

式（3）～（8）是對單管問題進行數(shù)值計算時，直接應用的常用公式。管道串聯(lián)和分叉點瞬變計算按滿足壓力相等及流量連續(xù)條件處理。

3.2 調(diào)節(jié)保證計算的基本資料

Liangan水電站引水系統(tǒng)總布置圖見圖2。

圖2 引水系統(tǒng)總布置圖

Liangan水電站調(diào)壓井的細部結構圖見圖3。

圖3 調(diào)壓井細部圖

簡化后的仿真計算模型見圖4。

圖4 仿真計算模型簡圖

3.3 兩種調(diào)節(jié)保證計算對比

3.3.1 計算軟件對比

為了確保水輪發(fā)電機組在極端工況下的運行安全，供貨商和設計單位均進行了調(diào)節(jié)保證計算。供貨商采用的是商業(yè)模擬軟件SIMSEN（3.1.1 版）。該軟件是由位于瑞士洛桑的瑞士聯(lián)邦技術研究所開發(fā)，它可以模擬如明渠、壓力鋼管等引水系統(tǒng)。設計單位采用的是河海大學的《水電廠水力-機械過渡過程仿真計算通用軟件》進行分析計算。該軟件可以模擬不同工況、不同機組類型、不同的引水系統(tǒng)下機組的過渡過程。

3.3.2 導葉調(diào)節(jié)規(guī)律對比

供貨商采用的導葉開啟和關閉規(guī)律是開、關時間均設定為10 s，同時在導葉關閉時，接力器設置5%的緩沖。具體規(guī)律見圖5。

圖5 供貨商導葉打開和關閉規(guī)律

設計單位采用導葉在6 s內(nèi)直線關閉的關閉規(guī)律。

3.3.3 調(diào)節(jié)保證計算工況對比

表3 供貨商調(diào)節(jié)保證計算工況

為了驗證機組在不同組合工況下轉(zhuǎn)速上升、壓力上升是否符合規(guī)范要求，以及調(diào)壓井水位變幅是否與設計情況一致，供貨商與設計單位分別擬定了不同工況進行計算，供貨商的計算工況見表3。

設計單位的計算工況如下：

工況一：在額定水頭120 m 工況下，3 臺機組帶額定負荷運行，甩全負荷；

工況二：在高水頭121.97 m工況下，3臺機組帶額定負荷運行，甩全負荷。

4 計算結果對比

4.1 調(diào)節(jié)保證計算結果

供貨商通過計算各個組合工況，最終找到壓力上升和轉(zhuǎn)速上升、調(diào)壓井水位變動的最不利工況，其代號是201、204、208 a、210和211，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 供貨商調(diào)節(jié)保證計算結果

設計單位計算成果（以2#機為例）見表5。

表5 設計單位調(diào)節(jié)保證計算結果

4.2 最不利工況的過渡過程曲線圖

供貨商的3 個最不利工況下的過渡過程曲線圖，見圖6～圖8。

設計單位的事故甩負荷水力過渡過程曲線圖見圖9～圖10。

圖6 供貨商工況201過渡過程曲線

圖7 供貨商工況204過渡過程曲線

圖8 供貨商工況208 a過渡過程曲線

圖9 設計單位工況一（2#機）過渡過程曲線

圖10 設計單位工況二（2#機）過渡過程曲線

4.3 結果分析

根據(jù)供貨商計算結果可知，在緊急關機的工況下（工況204），即發(fā)電機飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導葉關閉時間TS′＝10 s 時，計算得最大轉(zhuǎn)速上升為1175 r/min，相應轉(zhuǎn)速上升率為63.19%；最大蝸殼壓力為150.9 m，相應的壓力上升率約15.37%，尾水管最大真空度為-3.31 m。

根據(jù)設計單位計算結果可知，在發(fā)電機飛輪力矩GD2不小于200 kN·m2，導葉直線關閉時間TS′＝6 s 時，計算得最大頻率上升為89.61 Hz（即最大轉(zhuǎn)速為1 075.3 r/min），對應轉(zhuǎn)速上升率為49.35%；最大蝸殼壓力為151.52 m，相應的壓力上升率約21.88%。尾水管最大真空度為-4.22 m。

經(jīng)分析，盡管供貨商與設計單位的調(diào)節(jié)保證計算結果存在一定的差異，但究其原因主要在于關閉規(guī)律不同，縮短關閉時間，則轉(zhuǎn)速上升下降而壓力上升增大，其趨勢符合過渡過程計算的規(guī)律。因此，通過優(yōu)化導葉關閉規(guī)律即可使兩者的計算結果盡可能接近。

Liangan水電站機組為臥式混流式機組，水輪機額定水頭120 m，單機容量5.95 MW。根據(jù)水電站機電設計規(guī)范規(guī)定：機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率保證值宜小于30%；最大轉(zhuǎn)速升高率保證值宜小于50%。尾水管真空度不超過-8 m。根據(jù)規(guī)范，設計單位的計算結果完全滿足規(guī)范要求。而供貨商的計算結果中僅壓力和尾水管真空度滿足要求，但是轉(zhuǎn)速上升超過了規(guī)范允許值。經(jīng)反復溝通，供貨商承諾其所供機組，包括發(fā)電機、軸承、轉(zhuǎn)子和所有其他相關部件在內(nèi)的設備設計都能夠承受這樣的速率上升及其產(chǎn)生的力能滿足最大轉(zhuǎn)速上升工況要求，且蝸殼的設計壓力不低于1.6 MPa，因而，機組的運行穩(wěn)定性是可以保證的。同時經(jīng)設計單位反復的驗證計算，在供貨商確保機組飛輪力矩GD2在不小于200 kN·m2的前提下，最終確認機組的各項性能參數(shù)及引水系統(tǒng)的參數(shù)均能滿足我國相關規(guī)范對調(diào)節(jié)保證計算的規(guī)定，確保機組在最不利工況下的運行安全性。

5 結語

通過對比機組國外供貨商和國內(nèi)設計單位對機組調(diào)節(jié)保證計算的不同，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的設計更能嚴格的遵守規(guī)范要求，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有更大的裕度，而國外供貨商的設計顯然對機組的性能要求更高。這種差異主要在于國內(nèi)外規(guī)范要求不一致，考慮問題的角度也有所不同。最終設計仍然以滿足國內(nèi)規(guī)范為導向，計算選擇合適的導葉關閉規(guī)律和合理的機組飛輪力矩，從而確保機組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。