黄正财，郑录艳，杨 超，张建勋

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 概述

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为大型(Ⅰ)等工程，由水源工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程等组成，其开发任务以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件。夹岩水库坝址位于毕节市七星关区与纳雍县界河六冲河中游潘家岩处，水库坝后设有水电站一座，布置于大坝右岸下游冲沟出口，采用地面式厂房，一管三机布置型式，总装机为90MW，保证出力为10.3MW，多年平均发电量为2.198亿kW·h。电站采用“无人值班，少人值守”的计算机监控运行方式，投产后并入贵州主网，无近区供电，在电力系统中主要担任腰荷、调峰作用。夹岩坝后电站水文参数见表1。

表1 坝后电站水文参数表

2 计算方法与指标

2.1 计算理论及方法

水电站引水发电系统主要是有压管道非恒定流的计算，机组是主要的边界条件，其它边界条件主要为水库、岔管和调压室等。其计算通常采用特征线法，是有压管道非恒定流计算的主流方法，便于编程计算。有压管道非恒定流基本方程为：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

式中，H—以某一水平面为基准的测压管水头；V—管道断面的平均流速；A—管道断面面积；Ax—管道断面面积随x轴线的变化率，θ—管道各断面形心的连线与水平面所成的夹角；S—湿周；f—Darcy-Weisbach摩阻系数；α—水击波传播速度。

本电站大波动算法采用基于特征线法的计算机模拟仿真计算方法，其计算成果可为电站动态调试提供重要依据。

2.2 技术指标

本电站大波度计算根据DL/T 5186—2004《水力发电厂机电设计规范》及本电站的实际情况确定设计准则如下：

因本站机组容量占系统工作总容量的比重不大，且不担任调频，因此机组甩全负荷的最大转速升高率小于60%。

机组甩全负荷的，最大蜗壳压力升高率保证值小于30%。

机组甩全负荷时，尾水管内的最大真空度不大于8m水柱。

3 基本参数

夹岩坝后电站为引水式电站，引水隧洞洞径为6.8m，长为314.332m，后接压力钢管主管段，管径为5.1m，长为289.203m，后接1#岔管，1#岔管后接2#岔管和3#支管(小机)，3#支管管径为2.2m，长约为22.7m，2#岔管后接1#支管(大机)和2#支管大机，1#支管管径为2.9m，长为15.1m)，2#支管管径为2.9m，长为9.7m。坝后电站发电引水系统平面布置见图1，引水系统参数见表2，机组参数见表3。

表2 引水系统基本参数表

表3 水轮发电机组主要参数表

图1 坝后电站发电引水系统平面示意图

4 计算工况

根据电站的运行条件和研究目的要求，本电站大波动过渡过程计算工况如下。

C1：上游水库处于正常蓄水位1323.00m，机组在额定水头下运行时，3台机组同时甩满负荷。

C2：上游水库处于正常蓄水位1323.00m，下游处于正常尾水位1209.65m时，3台机组同时甩满负荷。

C3：上游处于校核洪水位1326.01m，机组处于最大水头下运行时，3台机甩满负荷。

C4：在最小水头下，3台机甩最大负荷。

在以上所述工况下，可计算得本电站3台机组稳态运行的起始工况数据文件，见表4。

表4 大波动初始工况计算表

5 大波动仿真计算

依据各初始工况的机组甩负荷前参数，按导叶直线关闭时间14、15、16s进行仿真模拟计算，接力器不动时间为0.15s，其大波动计算成果见表5。

表5 导叶直线关闭(14～16s)大波动仿真计算成果

从上表大波动计算成果分析：3台机组在4种工况下，分别采用3种导叶直线关闭规律(14、15、16s)方式，从蜗壳压力上升、机组转速上升和尾水真空度进行分析：

(续表4)

(1)随着导叶直线关闭时间增加，同一工况下，机组蜗壳压力成下降趋势，但机组转速上升率增加，技术指标变化趋势合理。

(2)导叶直线关闭时间为14s时，最大蜗壳压力升高率为30%(工况C1)，等于30%的控制性指标，无裕度。

(3)导叶直线关闭时间为16s时，机组最大转速上升率为57.4%(工况C1)，接近60%的控制性指标，裕度不大。

(4)导叶直线关闭时间为15s时，最大蜗壳压力升高率为28.2%(工况C2)，机组最大转速上升率为56.7%(工况C1)，满足控制指标要求，但裕度不大。

(5)在导叶直线关闭时间为14～16s，所有工况下，机组尾水管内最小压力为1.78m水头，满足指标要求。

综上所述，若采用导叶直线关闭方式，则推荐直线关闭时间为15s，此时大波动计算成果满足要求，但裕度不大，为保证本电站运行更加安全可靠，应进行导叶关闭规律的优化。

6 导叶关闭规律优化

机组除采用导叶直线关闭方式外，还可采用导叶折线关闭方式，通常考虑两段关闭，在调速器与导叶接力器之间增设分段关闭装置来实现。结合导叶直线关闭规律下机组大波动计算成果，以及进行初算可知，导叶关闭开度折点70%以下时，对机组转速上升率有比较大的改善，但是使机组蜗壳压力有所上升，故考虑75%和80%两个开度折点，第一段关闭时间为8s，第二段关闭时间为20s进行模拟计算，其成果如下：

从表6成果得出，若机组采用分段关闭方式，则机组蜗壳压力上升率和转速上升率均得以改善，相对裕度较大，导叶分段关闭规律推荐分段开度拐点75%，第一段关闭时间8s，第二段关闭时间为20s的关闭组合。

表6 导叶折线关闭规律计算结果表

7 成果分析

本电站运用仿真模拟对机组导叶直线关闭和折线关闭方式进行了大波动过渡过程计算，各工况下两种关闭方式计算成果对比见表7。

表7 两种导叶关闭方式下计算成果表

从表7分析，虽然在机组导叶直线关闭15s规律下，3台机组计算成果满足计算指标及规范要求，但裕度不大。经过计算研究，考虑机组增加分段关闭装置，设开度分段拐点为75%，第一段关闭时间为8s，第二段关闭时间为20s时，3台机组大波动计算成果满足指标要求，且裕度较大(指标均有5%～6%裕度)，有效改善水击波对机组及引水系统的影响，机组运行更安全可靠，故推荐此分段关闭组合为本站的机组关闭规律。

在上游水库处于正常蓄水位1323.00m，机组在额定水头下运行时，3台机组同时甩满负荷的工况下(C1工况)，3台机组在推荐导叶分段关闭组合下大波动计算成果图如图2—4所示。

图2 1#机组(工况C1)推荐导叶分段关闭规律大波动计算成果图

8 结语

水电站机组常经历各种动态过渡过程，如开机、停机、增负荷、减负荷、甩负荷等，其中以所有机组同时甩负荷所引起的大波动过渡过程对系统安全威胁最大。本电站大波动计算采用基于特征线法的计算机仿真手段，先建立引水系统数学模型、水轮机特性数据模型，以及机组和调速器参数等边界条件，后给定稳态起始条件、动态组合工况和关闭规律进行计算。夹岩坝后电站机组在导叶直线关闭方式下，计算成果接近控制指标，裕度不大，在导叶分段关闭方式下，其大波动计算成果对比控制指标有5%～6%的裕度，该导叶关闭规律最优，此成果为机组调试运行提供重要依据。

图3 2#机组(工况C1)推荐导叶分段关闭规律大波动计算成果图

图4 3#机组(工况C1)推荐导叶分段关闭规律大波动计算成果图

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