吐木秀克水电站机组调节保证分析研究

朱烨华

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000）

1 前言

吐木秀克水电站为地面式厂房，额定水头75.5m，装机48MW，装设2台24MW的混流式水轮发电机组。电站发电引水系统采用一管两机布置方式，压力管总长为896m。压力引水系统的ΣLV值为3548m2／s，水流惯性时间常数Tw＝4.7s＞4s。根据规范应设置调压设施，但受电站地质、地形等诸多方面条件的制约，不宜设置调压井，故采用设置调压阀方案，调压阀直径暂取1.6m。

在招标设计前期，针过对国内部分已建成的、运用调压阀作为调压方式的电站进行收资、调研以及向调压阀生产商调研和相关科研单位进行咨询，得出以下结论：从国内已建电站的运行实例来看，目前调压阀的理论水平已经相当完善，小口径调压阀的技术已经相当成熟，实际运行中也能够起到相应的作用。但大口径调压阀在国内电站运用的较少，大部分大口径调压阀 （Φ＞1000mm）均运用在供水工程及水库大坝放空上，缺乏在电站实际运用的先例。目前国内唯一与土木秀克调压阀运用方式相近的电站是铁索桥二级水电站，但该电站尚未建成，参考意义不大。

为此，根据工程实际情况，在招标设计阶段进行了水力过渡过程数值计算，以明确电站的调压方式、优化压力钢管的合理尺寸，优化水轮机导叶接力器的关闭规律和关闭时间，合理选择机组的GD2值。

2 优化计算方法

吐木秀克水电站水力过渡过程计算采用计算机仿真计算和分析，按水、机、电联合过渡过程进行计算，其中水力学计算基于有压管道非恒定流连续方程、运动方程的特征线性法求解，以水轮发电机组运动方程、调速器调节方程、上下游闸门井节点控制方程、调压阀节点控制方程及电网等作为边界条件。考虑水体及管壁弹性、水力摩阻后，采用了非恒定有压流的水击方程进行计算。

3 调保计算控制条件

吐木秀克水电站调保计算的控制条件为：

（1）机组蜗壳末端最大内水压力 Hcmax≤110.0m；

（2）机组最大转速上升率βmax≤55%；

（3）机组转轮出口 （即尾水管进口）最大内水压力 HWmax≥－8.0m；

（4）输水道全线洞顶最小内水压力 HAmax≥2.0m。

4 控制工况的确定

通常状况下，电站调节保证计算过程中的控制工况多为大波动工况。经分析认为，吐木秀克水电站的主要大波动工况如表1所示。

表1 大波动计算工况及其说明

5 调压方式优化

可研阶段拟采用调压阀作为电站的主要调压设施，经调研及向有关科研单位咨询，认为还可采取加大机组转动惯量及加大压力引水管道直径的方式以避免设置调压阀。因此，在水力过渡过程数值计算时对机组的转动惯量及压力引水管道直径进行了敏感性分析。

5.1 水轮机导叶关闭规律优化

根据可研阶段设计方案，引水压力主管管径取5.2m，GD2取710t·m2，以此为前提对导叶关闭规律进行优化。

经大量计算发现，单纯通过改变导叶关闭规律难以同时满足蜗壳最大动水压力值和机组最大转速上升值的要求，故仍需通过采取其他工程措施以满足调节保证计算要求。

5.2 机组转动惯量GD2敏感性分析

5.2.1 一段直线关闭规律下的转动惯量敏感性分析

图1 一段直线（12s，15s，18s）关闭规律示意图

当压力管道洞径为5.2m时，如机组的转动惯量过小，采用一段直线关闭规律时，蜗壳进口最大压力控制值与转速最大上升值将无法协调。故在保持压力管道洞径不变的情况下，研究增加机组的转动惯量对于调保计算结果的影响。具体关闭规律及计算数值见图1与表2。

表2 改变转动惯量的一段直线关闭规律计算结果

由表2可知，如需将蜗壳进口最大压力限制在110.0m之内，则机组转动惯量至少需加大至780t·m2，导叶关闭时间至少需要15s以上。考虑到最大压力升高率保证值计算值存在误差，计算值中也未包括甩负荷时蜗壳中压力脉动，故为安全起见，机组转动惯量应不小于800t·m2。采用15s的一段直线关闭规律，此时机组蜗壳进口最大压力为109.2m，压力上升率为45.6%；最大转速上升达到512.1r／min，转速上升率53.6%，均有一定裕量。

5.2.2 两段折线关闭规律下的转动惯量敏感性分析

当压力管道洞径为5.2m时，经大量计算发现，即使采用两段直线关闭规，如果机组转动惯量过小，仍无法满足调保计算控制值要求。具体关闭规律及计算数值见图2与表3。

图2 两段折线（10～25s（折点0.7））关闭规律示意图

由表3的计算结果可以看出：采用先快后慢折线关闭规律，将最大水锤的发生值控制在慢关段，使压力分布较直线关闭规律更均匀，同时由于先快关，较大的削减了流向水轮机的流量，导致水动力矩降低，使最大转速峰值也得到了很好的改善，当机组转动惯量大于700t·m2时即可近似满足调保要求，如机组转动惯量为800t·m2，采用优化的折线关闭规律理论上可将最大水锤压力上升控制在45%，最大转速上升控制在50%以内，有较大的安全余量。

表3 改变转动惯量的两段折线关闭规律计算结果

5.3 输水系统洞径敏感性分析

吐木秀克水电站的引水洞长约900m，在导叶关闭规律相同的条件下，增大引水系统洞径可有效降低蜗壳末端压力，可研阶段设计的引水压力主管管径为5.2m，GD2为700t·m2。

现分别以GD2为700、750、800t·m2，压力钢管主管管径为5.0、5.2、5.4、5.6、5.8m 进行计算，结果见表4。

表4 不同GD2、不同洞径的两段折线关闭规律计算结果

由表4的计算结果可以看出：对于吐木秀克电站，当洞径逐步增大时，系统水锤压力与转速上升值均随之改善。如果机组转动惯量大于750t·m2，洞径为5.8m时，理论上可将系统最大水锤压力上升控制在40%以内，最大转速上升控制在50%以内。

5.4 调压阀方案技术论证

5.4.1 调压阀联动计算

通过对采用不同调压阀直径、不同导叶关闭规律（既调压阀开启规律）、不同调压阀关闭规律的大量计算，得出如下结论。

（1）在相同调压阀直径的前提下，导叶关闭时间加长，意味着调压阀的开启时间相应增加，平息蜗壳进口水锤压力能力减弱；如果调压阀的直径过小，泄流能力不足，也将无法满足机组转速最大上升值的控制要求。

（2）当调压阀直径大于1.0m时，只要设定的导叶关闭与调压阀开启时间不小于8s，就能够满足调保计算要求。

（3）当调压阀直径等于1.0m时，如果设定的导叶关闭与调压阀开启时间为11s，蜗壳进口最大压力将降低到103.3m，机组转速最大上升值达到487.9r／min，如设定导叶关闭与调压阀开启时间为12s，蜗壳进口最大压力将降低到101.5m，机组转速最大上升值达到492.5r／min，均存在一定的裕量。

（4）当调压阀直径大于1.2m时，蜗壳进口最大压力将由关阀水锤决定，说明调压阀开启再次关闭时的速度不能太快，最好60s以上。

5.4.2 调压阀拒动计算

对于吐木秀克水电站，如果设置调压阀，则调压阀与机组接力器将形成液压连锁，理论上调压阀必然与导叶联动；但一旦联动装置出现故障，调压阀无法打开，此时导叶要么不关、要么慢速关闭，并通过关闭机组前的进水阀切断水流，虽然届时转速将超过50%的控制值，但蜗壳进口最大压力不会超标，水道安全仍可以得到保证。由于本电站的最大飞逸转速566.7r／min，在机组导叶拒动时，该值需得到保证，否则虽然水道安全得到了保证，机组的安全将得不到保证。

以调压阀直径1m为前提，针对调压阀拒动的工况进行了大量的计算。计算结果表明：当导叶及调压阀均拒动时，机组转速虽然超过了50%，但没有超过70%，最大达到了563.6r／min，届时由于进水阀动水关闭，该值还可能进一步降低。因此不会对电站造成太大的危害。

6 最终方案的选定

经技术经济比较，在满足调节保证计算要求的前提下，最经济的方案是增加机组转动惯量。考虑数值模拟计算存在误差，计算值中也没包括甩负荷时蜗壳中压力脉动，为确保电站长期安全、稳定运行，在机组合同谈判时将机组转动惯量由710t·m2增大至800t·m2，为此增加合同金额24万元。

7 结语

（1）对于可行性研究阶段选定的采用调压阀作为电站调压设施的方案，完全可以用增大机组转动惯量或加大输水系统管径的方法来代替。

（2）就吐木秀克水电站而言，增大输水系统洞径对调节保证计算结果影响较大，由于增大输水系统洞径对电站投资有较大影响，应通过详细计算确定最优洞径。

（3）增大机组转动惯量、增大输水系统洞径及设置调压阀均可改善电站过渡过程计算数值，但具体采用何种方案，应经详细技术经济比较后确定。

1 DL／T 5058—1996《水电站调压室设计规范》

2 DL／T 5186－2004《水力发电厂机电设计规范》

3 张建、朱烨华 《新疆吐木秀克水电站引水发电系统水力过渡过程计算分析专题报告》