碗米坡水电站超功率甩负荷过渡过程性能分析

杨宁湖

中国电力投资集团五凌电力碗米坡水电厂，湖南长沙 410004

碗米坡水电站超功率甩负荷过渡过程性能分析

杨宁湖

中国电力投资集团五凌电力碗米坡水电厂，湖南长沙 410004

碗米坡水电站计划将机组单机额定功率由80 mW提高到85 mW，本文结合真机试验及仿真计算情况对超额定功率运行甩负荷过渡过程指标是否满足调节保证要求，是否满足机组安全稳定运行要求进行分析，提出导叶关闭规律优化方案，得出在优化导叶关闭规律进行科学调整后机组可满足超额定功率运行的调保及相应安全要求的结论。

额定功率；过渡过程；性能；调节保证

AbstractWanmipo hydro power plant is planning to increase the unit power from 80MW to 85MW. With the result of real machine testing and simulation calculating which are testing the transition index of load rejection under overload operating condition,this article is to conclude a guide vane closing optimization program,which can guarantee the safety overload operating of the unit and other related safety requirements.

KeywordsRated power；transient process；Performance；calculation of guaranteed regulation

1 概述

碗米坡水电站位于湖南酉水中下游保靖县境内，下游距保靖县城28km。电站以发电为主，兼有航运、养殖等综合效益。电站控制流域面积10 415m2，占酉水流域56%，多年平均流量299m3/s，年径流量94.3亿m3。水库正常蓄水位248m，总库容3.78亿m3，调节库容1.25亿m3，具有不完全季调节性能。电站总装机容量240mW，安装三台单机容量80mW的立轴混流式水轮发电机组，设计年发电量7.92亿千瓦时。该电站是湖南湘西电网内唯一一座统调电站，对湘西电网的安全稳定运行起支撑作用。在丰水期该电站承担基荷运行，枯水期主要是调峰、调频、调压及事故备用。

碗米坡电站水轮机、发电机、励磁系统、主变压器、发电机出口开关及GIS设备、出线设备的额定值与正常运行值均有较大裕度，每台机组具备增加5～10mW出力的能力。

碗米坡水库调节库容仅1.25亿m3，稍有较大来水就会面临弃水的可能，为充分利用水能资源，尽可能减少弃水量，使发电效益最大化，在保证机组安全运行的前提下适度超额定出力运行可取得较大经济效益和社会效益，在不增加一分钱投资的前提下，可多获得一座中小型水电站的效益。因此笔者对超额定功率运行时甩负荷后的过渡过程性能进行分析，找出其中制约超出力的关键因素，使之符合安全要求和调节保证要求。

2 设备概述及主要性能指标

2.1 水轮机主要参数

2.2 发电机主要参数

2.3 调速器主要参数

型号：BWT-100步进式PLC微机调速器

频率测量方式：残压测频+齿盘测速

工作油压：6.3MPa

3 机组调节保证技术要求

1）该电站设计单位中南勘测设计研究院设计报告提出的技术要求为：

（1）导叶关闭时间：活动导叶关闭分两段进行：第一段关闭时间3.5s，第二段关闭时间7s，第二段关闭导叶起始相对开度为30%K。

（2）蜗壳最大动水压力：蜗壳最大动水压力出现在最大水头下甩最大负荷的工况，其值为0.57MPa。

（3）机组转速最大升高：机组转速最大升高的控制工况是设计水头下甩额定负荷，其值为144r/min。

2）该电站机电设备生产厂家提出的技术要求为：

（1）导叶分两段关闭，第一段关闭时间约为3.5s，第二段关闭时间约为7s第二段关闭导叶起始相对开度为30%K。

（2）机组在设计水头发额定出力运行甩满负荷时的最大转速不超过145r/min。

（3）机组在最大水头发额定出力(或最大出力)运行突甩满负荷时的蜗壳最大压力上升值不超过30%。蜗壳最大承压为0.58 MPa。

4 甩负荷试验分析

鉴于以上技术要求，电站联系湖南省电力试研院对1＃机进行了甩负荷试验（三台机水力性能基本相同，选取1＃机为试验机组），笔者作为电站调度协调人员，全程参与了该项目的试验。该试验进行时上游水位为247.89m，下游水位为201.84m，水头为46.05m。试验结果见表1。

表1 1#机组甩负荷试验结果

试验结果分析：在该水头下，甩80mW负荷时，蜗壳进口压力最大值为0.5857MPa，甩85mW负荷时，蜗壳进口压力最大值为0.5917MPa，均高于设计院及厂家的技术要求，同时还发现导叶分段关闭拐点及关闭速度均比设计值高。因此，必须对导叶关闭规律进行优化，以确保超额定功率运行时甩负荷过渡过程中蜗壳进口压力上升满足调节保证计算要求。

5 机组甩负荷过渡过程仿真分析

1）建模基本原则：仿真的核心是机组甩负荷后机组转速上升值和蜗壳进口水压上升值，根据甩负荷后调速器的工作特点，可以将甩负荷情况下的仿真模型设计为根据导叶开度变化的开环控制过程。即根据导叶开度的变化过程，仿真计算出机组转速上升过程和蜗壳进口水压上升过程，模型中只考虑导叶开度变化的模型、水轮机模型、发电机模型、引水系统模型，不考虑调速器模型。

仿真模型框图如图1所示。

图1 甩负荷过渡过程仿真模型框图

2）模型的验证：为保证仿真结果的准确性，必须保证模型结构与模型参数能够基本反映机组的特性。通过甩负荷过渡过程的实测数据，与相同工况下的仿真结果进行比较，并调整模型参数，使仿真结果与实测结果基本一致，保证模型结果与模型参数反映机组的真实特性[1]。在相同工况下，仿真计算结果与实测结果见表2。

表2 仿真结果与实测结果比较表

从仿真结果和实测结果比较，机组转速上升和蜗壳进口水压上升最大值基本一致，可以将该模型及参数作为机组甩负荷过渡过程仿真计算的模型。

3）机组甩负荷过渡过程仿真分析：对于机组超额定出后甩负荷过渡过程的仿真分析，主要计算最大水头和能发85mW出力的机组最小水头的过渡过程结果。最大水头下的计算，主要验证蜗壳进口水压的上升是否满足调节保证计算要求；相应最小水头下的计算，主要验证机组转速上升是否满足调节保证计算要求。根据水轮机综合特性曲线，在导叶最大开度下，发85 mW出力时机组相应最小水头为41.2m（以下称相应最小水头）。

1）试验时机组的工作水头与设计的最大水头基本接近，因此，可以将该水头下的试验结果最为机组最高水头下的试验结果，无需对其进行仿真计算。

2）相应最小水头下机组甩85 mW负荷的过渡过程仿真计算机组转速上升最大值为143.9R/min，蜗壳进口水压上升为0.5488MPa，甩负荷过渡过程结果满足调节保证计算要求。

3）在设计导叶关闭规律下的甩负荷过渡过程仿真计算：最大水头下甩85 MW负荷过渡过程中，机组转速上升最大值为135.8R/min，蜗壳进口水压上升为0.589MPa；相应最小水头下甩85mW负荷过渡过程中，机组转速上升最大值为148.1R/min，蜗壳进口水压上升为0.5367MPa。

因此，在设计导叶关闭规律下，相应最小水头下的甩负荷过渡过程结果满足调节保证计算要求，但在最大水头下的甩负荷过渡过程中蜗壳进口水压上升虽有所改善，但仍然超过调节保证计算要求。

6 优化导叶关闭规律分析

导叶关闭规律的优化原则，是保证机组在最大水头和相应最小水头下甩85mW负荷时，蜗壳进口水压上升和机组转速上升均应满足调节保证计算的要求[2]。在该指导原则下，对导叶关闭规律进行优化计算，最后确定的优化后的导叶关闭规律为：第一段关闭时间3.8s，第二段关闭时间7s。第二段关闭导叶起始相对开度为30%K。

优化导叶关闭规律下的甩负荷过渡过程仿真计算结果为：

1）最大水头下甩85mW负荷过渡过程中，机组转速上升最大值为137r/min，蜗壳进口水压上升为0.5735MPa。

2）相应最小水头下甩85mW负荷过渡过程中，机组转速上升最大值为14r/min，蜗壳进口水压上升为0.5219MPa。

在优化后的导叶关闭规律下，最大水头和相应最小水头甩85 MW负荷时，蜗壳进口水压上升和机组转速上升均满足调节保证计算的要求。

7 结论

在优化后的导叶关闭规律下，最大水头和相应最小水头甩85mW负荷时，蜗壳进口水压上升和机组转速上升均满足调节保证计算的要求，说明该电站机组具备超定功率运行的基本条件。下一步可根据优化后的导叶关闭规律调整导叶关闭时间和分段关闭拐点值，并进行最大水头和相应最小水头下的甩最大负荷验证试验，以确保甩负荷过渡过程性能指标满足调节保证计算的要求。

[1] 陈飞勇，汪定扬.混流式水轮机过渡过程数值模型研制.长江科学院院报，1992（2）.

[2] 白家骢.拟合推估算法在水轮机过渡过程分析中的应用.华北水利水电学院学报，1997（3）.

TM61

A

1674-6708（2010）18-0035-02

杨宁湖，毕业学校：长沙理工大学，职称：助理工程师，职务：中电投集团五凌电力碗米坡电厂发电分部主任，研究方向：水力发电运 行管理