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1、青羊沟水电站水锤及调节保证计算1概述青羊沟水电站工程位于甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县鱼儿红乡境内的疏勒河干流上，为甘肃省境内疏勒河干流昌马水库以上河段水电开发规划中的梯级电站之一。电站厂房距玉门镇约109km，距玉门市昌马乡38km，距肃北县鱼儿红乡政府约52km，对外交通便利。电站采用有压引水式开发方式，是以发电为主的日调节中型水电站工程，电站额定水头116m。主厂房装设2台单机容量为23MW（以下称大机）和1台单机容量为10MW（以下称小机）共3台混流式水轮发电机组，并要求大、小机在运行水头介于116m至范围内能超额定出力运行，其超额定出力范围为10%（机组具有10%的超发能力），即大机为
2、26.356 MW、小机为11.583MW。电站保证出力为10.23MW，多年平均年发电量为2.131亿kW.h，装机年利用小时数为3805h。电站引水发电系统由进水口、引水发电隧洞、调压井、压力管道主管、压力管道支管组成，水流通过水轮发电机组后由尾水渠流入河道。引水发电隧洞长，设计流量m3/s，隧洞为圆形有压洞，纵坡1/265.837，洞径D=m，设计流速m/s。调压井布置于副厂房上游侧，调压井型式为阻抗式调压井，竖井内径m，阻抗孔直径m，底部高程2286.00m，顶部高程233m。调压井底部垂直接压力管道主管，压力主管由垂直管、弯管和水平管组成，其中垂直管长，弯管长（R=12m，a=900
3、），水平管长，主管总长310m，主管内径m（暂定），设计流速m/s。压力主管末端3条支管为 “卜”型布置，1#大机支管长31m，内径，2#大机支管长24m，内径，3#小机支管长30m，内径。厂内安装2台23MW和1台10MW共3台混流式水轮发电机组，水轮机型号分别为HLA685LJ177和HLA685LJ122；单机引用流量m3/s和10m3/s，额定水头116m。本电站采用的主接线方案为：发电机侧采用两机一变、一机一变10kV单元接线，110kV侧采用单母线接线，35kV侧采用单母线接线。电力系统要求青羊沟水电站的发电机具有功率因数为0.9的进相运行能力。2调节保证计算意义21调节保证计算的
4、任务水锤及调节保证计算的任务就是按照水电站过水系统和水轮发电机组的特性，合理选择开度的调节时间和调节规律，进行水锤和机组转速变化计算，使二者的数值限制在允许范围内，并力求使水锤压强最小。22调节保证计算的内容水锤及调节保证计算的内容包括：1）当丢弃全部负荷或部分负荷时，转速的最大升高值、压力水管和蜗壳内的压强最大升高值及最大降低值、尾水管内的最大真空值。2）当增加全部负荷或部分负荷时，转速的最大降低值、压力水管和蜗壳内的压强最大降低值。3 机组调节保证计算1）机组最大转速升高按水力发电厂机电设计技术规范，当机组容量占电力系统工作总容量的比重不大，或不担负调频任务时，机组最大转速升高相对值宜小于
5、60%。本电站机组容量占电力系统工作总容量的比重不大，可以考虑对本电站定为max60%。2）蜗壳最大动态水压力按上述规范，对额定水头在100m300m的水电站，蜗壳水压力升高相对值 max可在30%25%之间选择。本电站额定水头116m，故可以选择max30%。本电站水库正常蓄水位为m，校核洪水位为，蜗壳进口中心高程为，额定水头为m，因此蜗壳设计最大动态水压力 Hmax2325-+0.3116=m，蜗壳校核最大动态水压力 Hmax-116=m。3）尾水管进口最大真空度按上述规范，尾水管进口最大真空度应小于8.0m。但本电站海拔在2000多米，尾水管进口最大真空度宜适当小于7.0m。）的历时。本
6、电站有超发10%的要求，2009年11月甲方要求大机在118m及以上时超发10%，小机在116m及以上时超发10%。为了满足上列要求，取模型导叶开度基值为27，已经位于5%出力限制线上。计算表明模型导叶开度大于27时，水轮机流量增加，但由于水头和效率下降，机组出力增加甚少，甚至不增加。因此模型导叶开度基值不宜大于27。表6.1 额定水头，三台机导叶全开初始工况工 况起始转速r/min起始导叶开度起始水头m起始流量m3/s起始功率MW机组号上游，下游，三台机导叶全开123注：模型导叶开度基值取为27表6.2 直线关闭规律时，三台机同时事故甩全负荷过渡过程计算结果序号起始工况直线关闭时间s最大转速
7、Hz最大转速升高蜗壳进口最大水压力mH2O蜗壳末端最大水压力mH2O蜗壳末端最大水压力升高尾水管进口最低水压力 mH2O机组号1151232161233171234181235110122736112123由表6.2可见，只有当直线关闭时间小于等于6s时，机组最大转速升高小于允许值，但蜗壳最大水压力升高大大超过允许值；只有在直线关闭时间大于等于12s时，蜗壳最大水压力升高小于允许值，但机组最大转速升高超过允许值。因此本电站不可能采用直线关闭规律。本电站必须采用分段关闭规律，对表6.1所示工况进行分段关闭规律优化计算，计算结果见表6.3表6.5。导叶关闭规律优化计算时采用1号机的转速升高和水压力
8、升高之和为目标函数。本报告中，第一段关闭时间Ts1定义为导叶以第一段关闭速度（快关）从全开关至全关的历时；第二段关闭时间Ts2定义为导叶以第二段关闭速度（慢关）从全开关至全关的历时；分段点Y12定义为导叶关闭速度从第一段速度（快关）转为第二段速度（慢关）时的导叶开度值。表6.3 1号机Ts1=4s时，分段关闭规律优化计算结果序号第一段关闭时间s第二段关闭时间s分段点机组转速升高蜗壳水压力升高尾水管进口最低水压力mH2O目标函数123450.52867891011121314151648表6.4 1号机Ts1=5s时，分段关闭规律优化计算结果序号第一段关闭时间s第二段关闭时间s分段点机组转速升高
9、蜗壳水压力升高尾水管进口最低水压力mH2O目标函数12345678910111213141516表6.5 1号机Ts1=6s时，分段关闭规律优化计算结果序号第一段关闭时间s第二段关闭时间s分段点机组转速升高蜗壳水压力升高尾水管进口最低水压力mH2O目标函数1230.88045678910111213141516由表6.3可见，可以选取关闭规律为4-14-0.6，即第一段关闭时间Ts1=4s，第二段关闭时间Ts2=14s，分段点开度Y12=0.6；由表6.4可以选取关闭规律5-15-0.5，即第一段关闭时间Ts1=5s，第二段关闭时间Ts2=15s，分段点开度Y12=0.5；由表6.5可以选取关
10、闭规律6-12-0.5，即第一段关闭时间Ts1=6s，第二段关闭时间Ts2=12s，分段点开度Y12=0.5。比较而言，5-15-0.5的机组转速升高略低，有一定的余量，因此建议本电站采用分段关闭规律5-15-0.5。即关闭规律：Ts1=5s；Ts2=15s；Y12=0.5。2009年11月甲方反馈意见，希望将机组最大转速升高控制在55%左右，为此将导叶关闭规律改为5-10-0.5，即关闭规律：Ts1=5s；Ts2=10s；Y12=0.5。以下计算均采用导叶关闭规律5-10-0.5。三台机同时事故甩负荷过渡过程计算不同初始工况时，三台机同时事故甩全负荷后过渡过程计算结果见表6.7，相应初始工况
11、见表6.6。表6.6 初始工况序号工况起始转速r/min起始导叶开度起始水头m起始流量m3/s起始功率MW机组号1上游，下游，三台机带额定负荷1232上游，下游，三台机导叶全开或带额定负荷1233上游，下游2198.7，三台机导叶全开或带额定负荷1234上游，下游，三台机带额定负荷1235上游，下游，三台机导叶全开1236上游，下游2199.6，三台机导叶全开1237上游，下游2198.7，三台机导叶全开1238上游，下游，三台机导叶全开123注：模型导叶开度基值为27表6.7 各种初始工况时，三台机同时事故甩全负荷过渡过程计算结果序号起始工况关闭规律最大转速Hz最大转速升高蜗壳进口最大水压力mH2O蜗壳末端最大水压力mH2O蜗壳末端最大水
