KYET 水电站调压方式设计优化及关键技术

李 江，崔 炜，孔昭年，杨远生，朱新民，周同旭

（1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐830000；2.中国水利水电科学研究院国家水电可持续发展研究中心，北京100038；3.天津电气科学研究院有限公司，天津300301）

1 工程概况

新疆KYET水电站开发任务是发电,向新疆北部电网提供电力,以满足经济社会的发展需求。工程主要由拦河坝、引水发电洞、压力管道、电站厂房等组成。大坝最大高度为50 m,水库总库容为1 008万m3,装机容量 110 MW（2×45 MW+1×20 MW),额定水头为158 m,额定流量为78 m3/s,压力引水道长度为7 100 m。可行性研究阶段对KYET水电站调压方式进行了比选研究,比选了气垫式调压室、调压井、调压阀方案。

水电站调压室是长压力水道的重要组成部分,可限制水锤压力、改善机组运行条件和供电质量,对水电站的正常运行及水道系统的安全稳定起着举足轻重的作用。该工程气垫式调压室方案利用施工支洞改建,地质条件基本满足要求,容积约14 000 m。尽管省去了山体明挖及抵达调压室的公路,布置位置灵活,但存在调压室容积大、衬砌面积大、闭气难度大、管理困难、投资较高等问题。大多数长引水式发电管道采用调压井作为调压设施,例如：新疆已经建成的公格尔-布伦口水电站（毛水头659.5 m,装机容量200 MW)、吉林台二级水电站（2×25 MW)［1］、波波娜水电站（3×50 MW)［2］。调压井方案属于常规设计方案,该工程调压井方案调压井距离主厂房770.164 m,型式为阻抗式,底板高程为1 186.000 m,发电洞底板高程为1 158.096 m,顶高程为1 363.500 m,由阻抗孔、竖井组成。阻抗孔为圆形断面,直径为3.4 m；竖井为圆形断面,直径为16 m,断面面积为201 m2,深度为200 m。问题是修建调压井的附属道路占地、山体削坡、弃渣堆放、施工期废物排放等要付出一定的生态环境代价,而所在地的生态状况较为脆弱。该方案还存在施工安全风险大、工期长、造价高等问题。

调压阀是中小型水电站常采用的一种调压方式。新疆吐木秀克水电站压力管总长L＝896 m,水流惯性时间常数为4.7 s,大于4 s,根据规范应设置调压设施,然而受地质、地形等诸多条件的制约,不宜设置调压井,采用了调压阀方案,调压阀直径取1.6 m,设计阶段详细研究了调压阀的布置型式［3］。工程应用表明,在无条件布置调压井时,调压阀是行之有效的。调压阀调压已被中国、日本、澳大利亚、巴基斯坦等多个国家的水电站采用［5-7］。当前,我国制造业和信息控制技术发展较好,为调压阀应用推广创造了条件［8］。随着KYET水电站设计工作的深入,认为采用调压阀替代调压井是可行的。

2 调压阀原理、依据和应用情况

2.1 调压阀原理和依据

水电站水轮发电机组突然甩负荷时,调速器自动控制水轮机关闭导叶,致使水道内产生水压、机组转速上升。对引水道较长的电站,缓慢关闭导叶常常不能使内水压力和转速上升率都控制在允许范围内,通常设置调压室来解决此问题。根据现行规范［9-10］,是否设置调压室可初步按水道特性或机组特性判断,依据的主要参数是水流惯性时间常数。最终的判别还需考虑水道布置、电站在电力系统中的作用、水道沿线地形地质条件、电站调节品质等因素,应采用水力过渡过程分析计算,经技术、经济比较后确定。

水轮机调压阀与调压室的作用一致,调压阀设置的必要性可参照调压室的判断条件。调压阀一般安装在电站水轮机进水口处,机组甩负荷时,在导叶关闭的同时开启调压阀,多余的流量从调压阀排出,直至机组关闭后再缓慢关闭调压阀。调压阀并非长期动作,根据目前中小型电站的运行经验,调压阀的动作频次大概每年几次或无。我国已颁布了水轮机调压阀及其控制系统基本技术条件的行业标准［11］。

2.2 调压阀应用情况

水轮机调压阀早在20世纪30年代已出现,1949年以前,我国东北的镜泊湖水电站、广东的大隆电站和东方电站均采用进口调压阀,也称放空阀。1965年重庆水轮机厂生产我国第1台调压阀在广西澄碧河安装运行。由于早期的调压阀采用机械式控制,阀开启操作时滞较大,调压效果不显著、可靠性差,因此未得到推广［5］。20世纪70年代,国外开始出现与调速器液压联动的调压阀,在我国水电部科技司主持下,国内数家科研单位研制调压阀,在龙源、西洱河二级水电站中应用并推广。当前,采用调压阀作为调压措施的水电站成功案例很多［7］,典型案例见表 1［6］,其中巴基斯坦塔贝拉电站单机容量达477 MW。

本文部分作者参加了四川杨村、云南勐典河、湖北龙潭嘴、老挝南奔、巴基斯坦普胡等水电站调压阀的研发。杨村电站是目前国内采用调压阀调压单机容量最大的电站,单机容量为22.68 MW,水流惯性时间常数为25 s。

表1 采用调压阀的电站案例统计

3 调压阀应用的技术因素

调压阀早期应用效果不甚理想,经过几十年的发展取得了一定成效,但仍然存在一些问题与质疑,尤其是国内缺乏大容量调压阀的应用先例,其小波动过程及对电网品质的影响等成为其推广应用的技术制约。

3.1 设备制造与加工能力

调压阀是从国外引进的技术,应用初期国内生产能力无法满足制造要求,出现了很多问题,如广西澄碧河调压阀应用［5］。近40 a来我国水轮机控制制造技术得到了飞跃发展,整体上已达到国际先进水平。当前不存在制约设备的生产障碍,巴基斯坦塔贝拉水电站采用的就是我国自行研制的调压阀（见表1)。

3.2 水力过渡过程问题

我国现行规程、规范对于采用调压阀的水电站水力过渡过程分析方法、内容等尚无统一规定。近年来水利水电行业规范修编力度很大,部分比较先进的技术逐步纳入规范,通常采取了比较审慎的态度,但并不排斥新技术的应用,前提是需要开展计算分析、模型试验等大量认真细致的工作。当前,对于设置调压阀业界争议的焦点主要是小波动过程对电网品质的影响。

3.3 水轮机控制设备试验用实时仿真系统

近年来,我国具有独立知识产权的水轮机控制设备试验用实时仿真系统成功研制并得到应用,实现了在实验室阶段、现场蜗壳充水前后对调速器进行全面检查试验,较好地解决了设备的实时仿真问题。在国家能源局“替代调压井的新型调压阀及其控制系统研究与电站示范应用”科技项目中,中国水利水电科学研究院与天津电气科学研究院有限公司合作开发了“GDMS-PE01型水轮机调速系统综合测试仪”,被测试的调速器、油压设备、调压阀、导叶和调压阀接力器等是真实的物理装置,而引水系统、水轮发电机组采用实时仿真系统,建立基于非线性特性的水轮机特性及水电站引水系统的动力学特性数学模型,物理模型与仿真的结合应用为调压阀的研究应用提供了非常好的技术支撑。

4 KERT电站调压阀的关键技术

4.1 水轮机一次调频水力过渡过程

电力系统强调并网电站机组的一次调频功能,其实质是将调速器自动化、安全可靠性加以量化,提出要求,加以约束。一次调频对水轮机调节系统在功率永态调差系数、人工失灵区、短时响应目标功率等方面均有要求。KYET水电站是高水头电站,适宜采用理想水轮机模型计算一次调频。经计算,在现有机组参数条件下,KYET水电站水轮机调节系统一次调频的水力过渡过程符合行业规范规定,可在设备调试时得到进一步验证。根据多个工程的经验,应注意机组并网运行时发生复杂的电磁现象,很难用简单的仿真技术予以解决,并得出清晰结论。目前尚没有成功计算分析并网机组一次调频的报道。

4.2 水轮机大、小波动水力过渡过程

应用中国水利水电科学研究院与天津电气科学研究院有限公司合作开发的基于Simulink的水轮机调节系统通用仿真程序完成水轮机调节系统在大、小波动过程中的稳定状态分析。在非线性水轮机特性条件下,共计算分析了3台机组同时甩100%负荷,单台机组甩25%、50%、75%的负荷,机组启动,空载扰动等11种工况。结果表明,机组频率均在约40 s稳定在额定频率附近摆动,水轮机调节系统在大、小波动条件下均是稳定的。机组甩负荷时,调压阀均开启100%,使得产生的蜗壳压力下降20%～18%,但不会形成负压。在阻尼系数取0.05、3台机组同时甩100%负荷工况下水轮机的调节性能见图1,满足稳定和安全要求。

图1 三台机组甩负荷100%工况的水轮机调节性能

KYET水电站装机110 MW,在该流域规划电站中装机容量占比不到5%,该电站建成后在同期并网发电的水电站中容量占比不到8%,从对电网品质影响的角度分析,即使其意外发生不稳定的波动也不会对电网造成很大影响。

4.3 带调压阀的机组调节仿真试验

应用水轮机调速系统综合测试仪对KYET水电站水轮机调节系统进行了试验研究。在相关水轮机调速器国家标准、电力行业标准中选取水轮发电机组自动启动、空载扰动、甩负荷等试验项目。水轮发电机组自动启动试验是调速器接受指令后开至启动开度,通常在达80%额定转速时进行自动调节,如果系统不稳定,转速大幅震荡,甚至出现发散型震荡,则机组不能自动运行；空载扰动试验目的是检验系统稳定性,并找出最优参数供运行使用；甩25%、50%、70%、100%负荷试验目的是检验调速器的自动控制能力,是检验、评价调速器动态特性的重要依据。

试验拟定了测试机组自动启动、空载扰动、甩负荷25%、50%、70%、100%等不同工况,分析表明,自动调节状态下水轮机调节系统过渡过程稳定收敛,调节过程正常,蜗壳压力上升和下降值略小于水力过渡过程计算的结果。

4.4 调压阀对水道结构的影响

调压阀对水道结构的主要影响体现在水锤压力。原调压井方案水道结构设计考虑的水锤压力以蜗壳处水锤为静水压力的130%为基准。采用调压阀方案后蜗壳水锤压力取水力过渡过程计算和机组调节仿真试验结果中的最大值,发生在3台机组同时甩负荷、阻尼系数接近0时,其值为静水压力的129%。由此可见,调压阀方案的管道水锤压力略小于调压井方案的,水电站水道结构仍然安全。

5 调压阀选型、布置和效益分析

5.1 选型和布置

将水力过渡过程计算和试验确定的技术参数作为调压阀选型依据,确定45 MW机组调压阀直径为1 000 mm、最大行程为250 mm,20 MW机组调压阀直径为700 mm、最大行程为 175 mm,可保证机组甩100%负荷时最大转速上升率不超过50%,压力最大上升率不超过30%,压力下降不会出现负压,并留有足够的余量。将调压阀布置在主厂房水轮机层,进水口接水轮机蜗壳,出水口接至尾水管,布置示意见图2。该布置方式相对简单,设备所占空间小、安装工期短。

图2 调压阀布置示意

5.2 防抬机复核

考虑到调压阀出水口与尾水管连接,调压阀宣泄的高速水流会瞬时增大尾水管内部压力,此时水轮机导叶逐渐关闭,当水轮机叶片下部压力大于上部压力时可能导致机组抬升,因此进行了机组抬升复核。模型机试验表明,尾水管瞬时最大压力上升值为额定水头压力的6.7%；水轮机厂家开展的计算流体力学（CFD)数值仿真结果显示,该压力上升值为额定水头压力的9.8%［12］。原型机和数值模拟结果接近,相互印证。防抬机安全系数取水轮发电机组转动部件总重与瞬时上抬水压之比,上抬分布水压取原型机试验和数值仿真结果中的最大值。计算得出45、20 MW机组防抬机安全系数分别为2.5和2.6,不会发生机组抬升,且有较高的安全裕度。

5.3 优化效益分析

以调压阀替代调压井省去了调压井及相关附属土建工程,增加了调压阀及少量配套机电设备,合计节省工程投资约2 100万元,节省调压井及附属工程工期约6个月,规避了深大地下工程开挖对施工人员人身安全造成伤害的风险。

以调压阀替代调压井,省去5 500 m2的调压井及道路占地,省去调压井开挖、山体放坡、道路修建等弃渣7.5万m3,避免了调压井建设对原始环境的扰动和破坏,占地范围内的植被和表层土壤得到保护,避免了弃渣对原始自然景观的破坏和造成水土流失,避免了施工生活垃圾、噪声、扬尘、废水等对环境的污染,具有显著的生态和环境效益。

6 结 语

（1)随着技术的发展,世界上采用调压阀作为调压措施的水电站成功案例增多,如杨村水电站、巴基斯坦PUHUR电站、老挝南奔电站、湖北龙潭嘴水电站、云南勐典河电站等,这些成功案例为调压阀的应用推广提供了借鉴。

（2)根据2016年中国水利水电科学研究院与天津电气科学研究院有限公司合作的“以调压阀代替调压井的水轮机调节系统过渡过程研究”和“带有调压阀的水轮机调节系统综合测试装置的研发”项目成果,对KYET水电站调压阀一次调频、大/小波动的水力过渡过程计算、调节仿真等开展了一系列科学试验,研究表明,该水电站采用调压阀能够解决机组转速和水道压力上升问题,且满足机电设备和水工建筑物的安全要求。在非线性水轮机特性条件下,大波动工况及由大波动工况自动调节进入小波动工况时水轮机调节系统过渡过程均是稳定的。本文调压阀调压的可行性论证方法,选型、布置和防抬机复核,效益分析,及其相关结果均值得相似工程借鉴。

（3)随着KYET水电站设计阶段的深入,采用调压阀替代调压井方式,对加快工程投产、保障施工安全、鼓励科技创新、节省投资、环境保护等而言均有利,有可观的社会效益、经济效益及生态效益。实施阶段应认真研究为保证蜗壳进水蝶阀、机组事故配压阀的控制系统安全可靠,在引水发电系统进水口设置快速闸门的措施。

近年来,我国水电设备研发、制造能力均有极大的提升,机组将实现全部国产化［13］。我国的水轮机控制技术已达到国际先进水平,为调压阀推广提供了支撑。新疆KYET水电站将成为国内应用调压阀调压的装机容量最大的电站,在国内具有重要的示范作用。