巴基斯坦玛尔水电站水力过渡过程计算研究

巴基斯坦玛尔水电站水力过渡过程计算研究
许建文;胡建根
【摘要】根据玛尔水电站引水系统的特性和选定的机组参数进行了大波动及小波动的过渡过程计算,经计算分析后提出的机组及调速器参数既能满足引水系统在极端工况下甩负荷的要求,也能满足机组负荷调整时转速的稳定性要求,确保电站安全稳定运行.
【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2016(000)010
【总页数】5页(P24-28)
【关键词】过渡过程;转动惯量;关闭规律;大波动;小波动
【作者】许建文;胡建根
【作者单位】上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434;上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434
【正文语种】中文
【中图分类】TK730.2:TK730.7
巴基斯坦玛尔(Mahl)水电站位于巴基斯坦东北部的吉拉姆河上，为吉拉姆河梯级开发的第2级，电站由碾压混凝土重力坝、引水发电建筑物等永久性水工建筑物构成。

电站为坝后式厂房，引水系统为1管1机，安装3台单机容量为213.33 MW的立轴混流式水轮发电机组。

在水电站实际运行过程中，因系统负荷变化机组将频繁进行调节，或因突发事故甩
负荷而停机，这些负荷变化都将造成引水系统管线水压的波动和机组转速的变化，影响电站的正常运行。

因此研究并确定引水系统水流惯性、机组惯性和调速系统调节性能之间的控制参数，对电站运行的安全稳定至关重要[1]。

水电站过渡过程计算主要研究机组在突甩负荷及负荷变化时系统瞬态过程的特性，通过计算大波动工况和小波动工况中机组转速的变化、引水压力管道中的压力变化及其极值，选定导水机构合理的调节时间和关闭规律，确定调速器的调节参数，优化机组转动惯量，使水工建筑物设计方案和机组参数更为经济合理，为电站设计及安全运行方式的制定提供理论依据。

本电站水力过渡过程采用水力-机械过渡过程仿真系统软件进行计算，该软件以特
征线方法为基础，然后对相关结点分别进行处理。

电站引水系统、机组、调速器及电网在程序中作为一个相互关联的整体进行仿真计算。

1.1 电站参数
1)上游水库水位。

校核洪水位：587.66 m，正常蓄水位：585.00 m，发电死水位：577.00 m。

2)下游尾水位。

校核洪水位：544.93 m，三台机组额定运行：521.90 m，一台机组额定运行：519.60 m。

1.2 机组参数
水轮机型号：HL-LJ-730
最大水头：67.20 m
额定水头：55.00 m
最小水头：45.50 m
额定流量：434.80 m3/s
额定出力：216.58 MW
额定转速：83.30 r/min
安装高程：515.10 m
发电机型号：SF213.33-72/14700
额定容量：213.33 MW/237.03 MV·A
2.1 过渡过程计算标准
根据《水力发电厂机电设计规范(DL/T 5186-2004)》的规定及机组参数，确定以
下过渡过程计算保证值[2]：机组最大转速升高率保证值不大于50%；水轮机蜗壳中心最大静压力为685.7 kPa，蜗壳允许的最大压力保证值不大于981 kPa；考虑电站所处位置海拔高程及尾水管进口不稳定流动压影响，尾水管进口断面最大真空度保证值不大于0.075 MPa。

机组小波动稳定性应满足《水轮机控制系统技术条件(GB/T9652.1-2007)》及《水轮机电液调节系统及装置技术规程(DL/T563-2016)》的相关要求。

2.2 调节保证计算工况的拟定
根据相关规定及要求，针对玛尔水电站的流道布置、输水系统特点、主接线方案、电站运行方式、机组运行可能出现的不利工况、调速器及电网特性，拟定本站的大波动工况和小波动工况进行全面的过渡过程计算。

1)大波动工况。

工况D1：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在最大水头、额
定出力运行时甩全负荷。

工况D2：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在额定水头、额定出力运行时甩
全负荷。

工况D3：下游1台机满发尾水位519.60 m，1台机组在额定水头、额定出力运
行时甩全负荷。

工况D4：上游死水位577.00 m，1台机组在最小水头、满出力运行时甩全负荷。

工况D5：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在最大水头、75%额定出力运行
时甩全负荷。

工况D6：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在额定水头、75%额定出力运行
时甩全负荷。

工况D7：下游1台机满发尾水位519.60 m，1台机组在额定水头、75%额定出
力运行时甩全负荷。

工况D8：上游死水位577.00 m，1台机组在最小水头、75%满出力运行时甩全
负荷。

工况D9：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在最大水头、50%额定出力运行
时甩全负荷。

工况D10：上游正常蓄水位585.00 m，1台机组在额定水头、50%额定出力运行时甩全负荷。

工况D11：下游1台机满发尾水位519.60 m，1台机组在额定水头、50%额定出力运行时甩全负荷。

工况D12：上游死水位577.00 m，1台机组在最小水头、50%满出力运行时甩全负荷。

2)小波动工况。

机组小波动稳定计算主要考虑两类工况：①机组在90%额定负荷
工况下发生5%的阶跃负荷扰动，考核机组负荷调整时转速的稳定性能；②机组从额定负荷甩负荷至空载运行，考核脱离电网后机组空载调节稳定性能。

根据本电站的特点，在不同水头情况下，进行小波动过渡过程数值仿真计算与分析，为电站正常运行提供参考依据。

工况X1：上游正常蓄水位585.00 m，最大水头，1台机组在额定负荷运行时突减5%负荷。

工况X2：上游正常蓄水位585.00 m，额定水头，1台机组在额定负荷运行时突减5%负荷。

工况X3：上游死水位577.00 m，最小水头，1台机组满负荷运行时突减5%负荷。

工况X4：上游正常蓄水位585.00 m，最大水头，1台机组90%额定负荷运行时
突增5%负荷。

工况X5：上游正常蓄水位585.00 m，额定水头，1台机组90%额定负荷运行时
突增5%负荷。

工况X6：上游死水位577.00 m，最小水头，1台机组90%满负荷运行时突增5%负荷。

工况X7：上游正常蓄水位585.00 m，最大水头，1台机组额定负荷运行时突减至空载。

工况X8：上游正常蓄水位585.00 m，额定水头，1台机组额定负荷运行时突减至空载。

工况X9：上游死水位577.00 m，最小水头，1台机组满负荷运行时突减至空载。

2.3 引水系统布置
电站为坝后式厂房，机组采用1机1管的引水方式，3台机组的引水系统布置完
全相同，过渡过程按1号机组进行计算。

引水系统布置示意图见图1所示。

2.4 机组转动惯量
机组GD2取值对机组转速上升率有较大影响，应通过敏感性分析对机组的GD2
取值的合理性进行优选[3]。

根据同类电站的资料并根据机组参数进行计算，拟定
本站机组GD2的取值为80 000～95 000 t·m2之间。

根据拟定的大波动工况进行计算，从计算结果可知，当机组转动惯量由80 000 t·m2增大至95 000 t·m2时，机组甩负荷后的最大转速上升率由45.9%下降至41.5%，但蜗壳最大压力和尾水管进口最小压力基本不变。

综合考虑小波动稳定性以及机组制造成本，本电站机组GD2按85 000 t·m2进行过渡过程计算。

2.5 计算参数
过渡过程计算参数见表1所示。

本站引水系统的水流惯性时间常数Tw和机组惯性时间常数Ta的计算值均在规范
要求的范围内。

2.6 导叶关闭规律
根据拟定的过渡过程工况，综合考虑系统甩负荷过程中蜗壳压力上升和机组转速上升的因素，对导叶关闭规律进行优化计算，选定水轮机导叶关闭规律采用一段关闭，导叶从额定点开度至全关的时间为8.0 s[4-5]。

2.7 调速器调节参数
根据小波动解析推导理论，水轮机工作水头越小，输水发电系统的小波动稳定性越差。

采用选定的导叶关闭规律，以小波动工况X3及X6为特征工况，对调速器参
数进行优化计算。

根据优化计算的结果，最终设定调速器调节参数为Tn=1.0s，
Td=6.7s，bt=0.5。

3.1 过渡过程计算成果
1)大波动计算成果。

过渡过程大波动计算成果见表2所示。

2)小波动计算极值成果。

过渡过程小波动计算极值成果见表3所示。

3.2 过渡过程典型工况波形图
根据以上计算结果，可知D1、D3为大波动的典型工况，X9为小波动的典型工况，典型工况中各特征参数随时间变化的波形如图2～图4所示。

3.3 结果分析
1)计算结果表明：在机组飞轮力矩85 000 t·m2和选定的导叶关闭规律条件下，
甩负荷时机组最大转速升高率(约44.3%)出现在D3工况；蜗壳最大压力值(约854.4 kPa)出现在D1工况；尾水管进口最小压力(约3.9 kPa)出现在D1工况。

各工况计算结果均可满足计算保证值的要求。

2)对小波动而言，机组的运行水头越低，其稳定性就越差。

小波动过渡过程的控制工况是工况X9。

该工况转速超过3%的波动次数为1次，但机组转速进入±0.2%
稳定带宽的调节时间为91.45 s，表明机组在最小水头时突减负荷至空载的小波动调节品质稍差。

当机组发生5%的阶跃负荷扰动时,转速最大偏差为2.36 r/min，为额定转速的2.83%。

机组转速进入±0.2%稳定带宽的最长调节时间为20.75 s，波动次数最多为1次，表明此类工况下机组小波动稳定性较好，具有良好的调节品质。

通过对本电站调节保证的计算研究，本阶段选定的机组参数和导叶关闭规律既能满足引水系统在极端工况下甩负荷的要求，也能满足机组负荷调整时转速的稳定性要求也能满足机组并网后负荷变化时对稳定性的要求，为本电站引水系统的设计提供了参考依据。

在下一阶段工程实施中，当引水系统建筑物或机组参数作出调整时，将对过渡过程进行复核计算，以确保电站安全稳定运行。

【相关文献】
[1]水电站机电设计手册编写组. 水电站机电设计手册: 水力机械[M]. 北京: 水利电力出版社, 1989
[2]郑源，张健. 水力机组过渡过程[M]. 北京: 北京大学出版社, 2008
[3]杨建东, 高志芹. 机组转动惯量GD2的取值及对水电站过渡过程的影响[J]. 水电能源科学, 2005, 23(2): 47-49
[4]沈祖诒. 水轮机调节[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1998
[5]魏守平. 现代水轮机调节技术[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2002。