长隧道引水式“一洞双机”水电站运行
方式研究
余 平 陈 鹏
(雅砻江流域水电开发有限公司 ,成都 610051)
摘 要:长隧道引水式“一洞双机”水电站因坝体投资小、水能利用率高被广泛使用,同时因水能波动大、水力干扰复杂等因素决定电站运行方式选择更加困难。本文详细介绍“一洞双机”电站机组开机、负荷调整、调速器运行方式和安控切机策略等研究方法,对类似电站运行方式研究有一定的实践借鉴意义。 关键词:水力干扰;负荷调整;调速器;安全稳定控制系统;
Study on Operation Way of Hydropower Station with Long-distance Diversion Tunnel and Dual Hole
(Yu Ping Chen Peng )
(Yalong River Hydropower Development Company; Ltd. Chengdu 610051)
Abstract: Hydropower station with long-distance diversion tunnel and Dual hole is widely used for its low investment and high hydropower utilization,and to choose the operation way of hydropower station is more difficult because of large hydropower Wave and complex hydraulic disturbance.This article introduces in detail the starting up of the station unit、load adjustment、governor operation and the structure of security and stability control system of Hydropower station with Dual hole.It possesses the directing significance for similar Operation Way of hydropower station.
Key Words : Hydraulic disturbance;Load adjustment;Governor;security and stability control system
0 前言
随着我国西电东送工程的规模不断增加,西南水电基地水电开发不断稳步推进,近几年大型水电站陆续开工建设和投产发电。引水式水电站开发方式由于坝体高度低,可以大幅度降低建设成本、淹没损失、移民数量和对生态环境影响小、水能利用率高而得到广泛采用。但因为引水式开发方式的特征是需修建长距离引水隧洞,由于引水隧洞长,水流惯性大,水能波动大、水力干扰复杂,对水电站运行方式要求更高,天生桥二级水电站闸门井垮塌事故使人们对差动式调压室水电站的运行方式研究更加重视,如何最大限度减少水力干扰对电站安全运行的影响,探索适合电站最佳运行方式,达到安全与效益的最佳结合已成为该类型电站运行难点。。
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1 长隧道引水式“一洞双机”的特点
1.1 “一洞双机”介绍
在高水头引水式水电站中,当压力引水管道很长时,为了减小动荷载和改善水电站中机组
的调节条件,建造调压井并采用两台机组共用一个调压井和压力主管就是典型的“一洞双机。模式。在这种系统中,当一台机组甩负荷时,其导叶迅速关闭,引起蜗壳水压上升,水击波必然会通过调压井传播到正常运行机组的压力过水系统,相应地引起这些机组水压力上升,流量增大,机组出力发生波动,使其也处在过渡过程中,形成一种水力干扰。这种情况下干扰方式及干扰量均与负荷干扰不同,由于一台机组是紧急停机,而其它机组带调速器运行,则水力干扰将引起该部分机组出力发生波动而与负荷不相适应,继而引起机组转速变化并作用于调速器,使其自动调节,所以其过渡过程既不同于负荷干扰下的小波动也不同于紧急停机引起的大波动。所以在水力干扰下的动态品质及稳定性问题是一洞双机系统带来的新问题,要使这类电站充分发挥效益,设计时应该对水力过渡过程进行校核计算,分析影响水力干扰的因素以及水力干扰对机组的安全稳定运行影响的程度,结合实际试验数据整定系统参数使该影响降低到最小,设法保证在该干扰下系统稳定并有良好的动态品质。
1.2 研究案例介绍
本文主要根据锦屏二级水电站为例,该电站利用150km河道天然落差,通过长16.67km的引水隧洞,截完弯取直,获得水头约310m。电站装机容量4800MW,8台单机600MW混流式水轮机,额定水头288m,机组的引水系统采用一洞双机形式布置,如图1共由四个水力单元组成,每个水力单元均包括一条超长引水隧洞,一座差动式调压室,两条高压管道,两台混流式水轮发电机组和两条尾水隧洞。由于锦屏二级水电站机组单机引用流量大,引水隧洞长,利用水头高,引水系统过渡过程复杂,在机组运行调节过程中,压力管道中必然存在的水击作用会导致调压室涌浪等问题。国内相关专家已对锦屏二级水电站进行专门研究和计算 ,本文主要介绍在保证机组运行调节过程中引水发电建筑物的安全前提下,电站机组运行方式。
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图1 引水系统
Fig.1 The tunnel system
2 长引水式“一洞双机”开机方式选择
水轮机从停机态到空载、并网是机组最不稳定的一个过渡过程,存在于较恶劣的运行工
况。对于长引水式“一洞双机”选择最优的开机方式目的就是使机组从停机开机至并网带负荷过程中尽量使水道系统产生的水机压力和调压室水位波动最小],使整个开机过程平稳、迅速。
根据设计厂家推荐的三种开机方式:
方式1:在1.2S内把导叶开至约6%(100%开度对应时间20S),开度限制在6%约60S后,在7S内把导叶开度开至约22%(100%开度对应时间20S),逐渐把导叶开度降至空载开度。
方式2:在8S内把导叶开至约8%(100%开度对应时间100S),开度限制在8%约15S后,逐渐按15%/S上升速率调整导叶开度至达到额定转速,然后再把导叶开度降至空载开度。
方式3:在5S内把导叶开至约22%(100%开度对应时间20S),开度限制在22%约15S后,逐渐把导叶开度降至空载开度。如表1通过研究工况在上游水位1640.00,下游水位1333.74,同一水力单元中一台机组90%负荷运行,另一台机组开机至空载过程中水利干扰强度对比。
表1 开机方式对比
Table 1 Comparison of boot mode 开机方式 方式1 方式2 方式3 开机时调压室水位调压室水位最低(m) 1633.382 1633.032 1633.025 蜗壳压力升高最大(m) 352.416 366.64 337.401 蜗壳压力升高最低(m) 283.432 281.293 283.83 另一机负荷最大(MW) 550.152 550.345 550.273 另一机负荷最小(MW) 546.247 540.642 545.273 [7
间(s) 最高(m) 139.3 82.2 48.7 1640.728 1640.978 1641.022 综合三种开机方式下机组、引水系统各项指标均未超过控制值,开机迅速平稳。从动态性能角度考虑,开机方式3开机速度相对较快,对同一水力单元机组功率波动影响较小。通过电站实际运行情况确认开机方式3完全满足运行要求,电站可根据机组实际情况适度调整第一次导叶开启时间和导叶开度值。
3 长引水式“一洞双机”负荷调整方式
考虑“一洞双机”机组负荷调整时涉及到同一水力单元另一台机组运行工况,为确保整个系统安全稳定,机组增负荷不应一级直接增至满负荷。而且同一引水系统的2台机组不应同时增负荷,一台机增负荷后,需在调压井涌浪经过一个衰减时间后逐步趋于稳定状态时,另一台机才能增负荷,这样将大大削弱水位波动的幅度。
3.1 正常负荷调整方式
根据以往运行机组的经验和对长距离引水式电站的研究结果,机组负荷调整方式可按连续增减负荷和阶梯增减负荷两种方式进行研究,研究将调压室水位作为增减负荷的反馈信号,在保证机组和引水系统安全的同时,研究水力波动小、负荷调整速率快的增减负荷方式。
调速器参数:kp=3.5,ki=4,kd=0,Bp=0.04.调压井正常水位1646m,同一水力单元另一机
组带360MW固定负荷,该机组从空载增负荷至90%Pe,连续增负荷采取75S导叶开启方式如下图2,阶梯增负荷如下图3。
图2 连续增负荷 图3阶梯增负荷
Fig.2 Increase load continuously Fig.3 Increase load by stepwise
表2 负荷调整方式对比
Table 2 Comparison of Load adjustment mode 调整方式 连续增 阶梯增 调整时间(s) 76.1 298.8 调压室水位最高(m) 1656 1652 调压室水位最低(m) 1612 1621 另一机负荷波动(%) 2.17 0.8
综上所述2种负荷调整方式对比:连续负荷调整方式相对于阶梯负荷调整方式机组调整时间短,调压室水位变幅大,同一水力单元机组负荷波动大。因此从减少水位波动影响看,建议正常负荷调整应采取阶梯负荷调整方式较好,而且参考实际投产机组运行情况,阶梯方式在完全满足负荷调整要求下运行工况好。
3.2 事故机组甩负荷情况下负荷调整方式
为确保机组甩负荷后引水系统的稳定性,机组甩负荷后因水能动态特性,需待调压井趋于稳定状态时才允许增负荷。这样可以避免甩负荷后再增负荷带来的调压井水位脱空,以及增负荷后又甩负荷的连续过渡过程瞬间变化给引水系统带来的危害。如图4为机组甩负荷后的调压室水位波动衰减去向,水位波动近似正弦波形,第一个涌浪峰值最大,随着能量衰减,涌浪值逐渐减少]。
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图4 调压室水位波动衰减曲线
Fig.4 The decay rate of the water level in the surge tank
如下图5、6、7、8所示,甩负荷前调压井实际水位1642.20m时,实际模拟事故情况下单机甩负荷25%额定负荷(150MW)、50%额定负荷(300MW)、75%额定负荷(450MW)、25%额定负荷(600MW)时调压井水位波动情况,调压室水位波动形态近似于正弦波形,随着能量的逐渐消落振幅逐步减小,最后调压室水位恢复正常水位。
1.单机甩25%额定负荷(150MW)试验
图5 甩25%额定负荷时水位振幅及波动时间
Fig.5 Water level amplitude and time of 25% of rated load rejection
2.单机甩50%额定负荷(300MW)试验
图6 甩50%额定负荷时水位振幅及波动时间
Fig.6 Water level amplitude and time of 50% of rated load rejection
3.单机甩75%额定负荷(450MW)试验
图7 甩75%额定负荷时水位振幅及波动时间
长隧道引水式“一洞双机”水电站运行方式研究1
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