長引水系統水電站水力過渡過程仿真分析

耿新春

(新疆新華水電投資股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著我國西部大開發戰略的實施，新疆境內的水電開發加快，眾多水利發電樞紐開工建設，有力促進了新疆的社會經濟發展。新疆地區的水電站多為高水頭引水式水電站，發電引水隧洞大部分長度超過5 km，部分引水隧洞甚至接近15 km。這種具有長引水隧洞的水電站引水系統，水流的慣性遠遠超過短引水系統水電站，調壓室的波動周期長、振幅大、衰減慢[1]，蝸殼進口最大壓力受管道水擊壓力與調壓室涌浪壓力兩方面的控制[2]，這給水電站的設計及運行管理帶來了很大的問題。

水電站的水力過渡過程，涉及到水力學、水輪機、電氣系統的相互影響以及相互制約的聯合過渡過程，直接關系到輸水系統的優化設計和水電站的安全運行以及供電的品質[3]。當水電站的工況發生變化時，引水系統的水流、高速運轉中的水輪發電機組、配套的調速輔助設備、電氣設備乃至整個電力系統都處于過渡過程之中，研究計算水電站過渡過程，面臨著大量非線性的復雜問題[4]，要想真實模擬不同工況下水電站的運行過程，得到精確的仿真結果，傳統的數解法和圖解法已經不能滿足現代水電站運行的精度要求。本文以木扎提三級水電站為例，基于有壓管道非恒定流數學模型和特征線法，利用計算機數值仿真解法，采用MATLAB作為計算平臺，建立基于SIMULINK的水力過渡過程仿真模型，深入研究超長引水系統水電站過渡過程特性，對水電站的運行安全進行分析。

1 過渡過程數值模擬理論

1.1 引水發電系統過渡過程計算原理

目前引水發電系統水力過渡過程計算基本采用彈性水擊基本方程[5]。其中，運動方程見式(1)：

(1)

連續方程見式(2)：

(2)

式中，g為重力加速度；H為引水系統的斷面測壓管水頭；D為管道直徑；λ為沿程阻力系數；v為斷面的平均流速；s為沿水流方向的長度，方向與恒定流時的水流方向一致；θ為管軸線與水平線的夾角；α為水擊波的波速；t為時間。

1.2 引水系統特征線法

彈性水擊基本方程組是一組擬線性雙曲偏微分方程組，很難直接求其解析解，可將偏微分方程組轉化為特殊的全微分方程，即特征方程，然后再轉化為一階有限差分方程，求其近似解。

(3)

(4)

通過上述變換，把求解偏微分方程組轉化成為求解常微分形式的特征方程組。在推導特征方程組的過程中，沒有做過任何數學近似，特征方程組的解就是原來偏微分方程組所描述的水擊問題的解。

2 水電站過渡過程仿真分析

2.1工程概況

木扎提河三級水電站是新疆木扎提河水電規劃的三級電站，電站總裝機容量為200 MW，額定水頭355 m，電站裝機兩臺單機容量為80 MW的大機和兩臺單機容量為20 MW的混流式水輪發電機。水電站引水隧洞約長14 283 m，引水隧洞末端和壓力管道上彎段前設置阻抗式調壓井，豎井內徑D=16 m，外徑17.5 m，井筒高63 m，壓力管道為埋藏式，采長1 653 m。

2.2 過渡過程仿真模型建立

木扎提水電站引水發電系統采用一洞一管四機的布置方式，根據隧洞斷面、壓力鋼管的厚度等的不同，將引水隧洞分為9個節點，將壓力鋼管分為3個節點，其它節點的劃分見圖1，其中1#、2#機組為20 MW，3#、4#機組為80 MW。在對引水系統經過分析比較后，可以確定水輪機導水機構采用單段直線關閉規律即可滿足要求，最終采用關閉時間為10 s，水電站過渡過程計算簡圖見圖1。

2.3 基于SIMULLINK的水電站過渡過程仿真模型

SIMULINK具備了可視化的動態仿真環境，能夠方便得采用模塊直接構建系統框圖[6]，通過輸入傳遞函數，可以對水力過渡過程這樣的高度非線性問題進行模擬仿真，故采用MATLAB下的SIMULINK直接構建木扎提水電站水力過渡過程仿真模型，如圖2所示：

表1 引水系統控制值出現工況說明

工況上游水位/m下游水位/m工況說明備注T72157.801800.00上游最高運行水位,下游設計水位,四臺機相繼從空載增至滿負荷,當流入調壓井流量最大時,四臺機同時甩全負荷。調壓室最低涌浪控制工程T122156.301801.16額定水頭,四臺機相繼從空載增至滿負荷,當調壓室涌浪水位最高時,四臺機同時甩全負荷。機組最大轉速上升率控制工況T132157.801803.59四臺機同時甩全負荷后,一臺大機可以增負荷運行。調壓室最高涌浪、蝸殼進口最大壓力控制工況

3 仿真結果及分析

水電站過渡過程數值計算需要確定調壓室的最高、最低涌浪、蝸殼進口處最大壓力和機組轉速最大升高率等引水系統控制值，為了充分考慮各種負荷變化情況，共擬定了14種工況進行數值模擬仿真，這里列出了出現引水系統控制值的工況，見表1。

圖3、圖4、圖5給出了控制工況下的水力過渡過程的仿真結果曲線。

由圖3可知，木扎提水電站出現的調壓室最高涌浪水位為2 178.27 m，出現在T13工況，調壓室最高涌浪水位以上的安全超高為1.73 m，滿足安全大于1 m的要求；調壓室最低涌浪水位為2 121.24 m，出現在T7工況，調壓室最低涌浪水位與調壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度大于3 m，調壓室水深大于2 m，均滿足調保要求。由圖3(b)可以看出，當出現調壓室最低涌浪時，由于四臺機相繼從空載到滿負荷，引水系統內的流量和流速不斷增大，調壓室內的水量開始補充到引水道內，如果出現四機甩負荷，由于調壓室水位達到最低，引水管道內的水大量涌入調壓井，會導致引水系統的劇烈振蕩，難以在短時間內恢復，會對水電站造成嚴重影響，因此要盡可能避免這種工況的發生。

蝸殼進口的最大壓力為440.56 m，出現在T13工況，小于機組引水管最大允許壓力460 m，滿足調保要求。當機組甩負荷時，導葉關閉，水體由于慣性作用會在蝸殼進口處產生極大的水擊壓力并急劇振蕩，由于木扎提采用了兩臺大機兩臺小機的布置，分岔管的引用流量不同，主管在各分岔管的由于水體慣性作用產生的流量變化有很大差異，從而導致1#、2#機組蝸殼井口處水擊壓力(分別為437.15 m和437.05 m)與3#、4#機組的蝸殼進口處的水擊壓力(分別為440.56 m和440.20 m)相差很大，而相同機組間則僅由分岔管長度的不同存在微小差異，由于3#機組的引水道要略長于4#機組，故最大水擊壓力出現在3#機組蝸殼進口處。由圖4可知，甩負荷后，當一臺機組開始增負荷運行時，會對水擊波的振蕩產生干擾，使其加速平復，有利于水電站穩定運行。

機組轉速的最大升率在T12工況出現，發生3#機組，由圖5可知，機組的最大轉速為568.26 rmp，此時的轉速上升率為51.54%，小于60%，滿足設計要求，由于在計算過程中未考慮水體附加慣性的影響，實際的機組出現的實際最大轉速應小于計算值。此時1#機組的轉速為1 120.07 rmp，但其最大轉速上升率僅為49.34%，在其它工況小機組的轉速上升率也均小于大機組，可以得知，在安裝有不同機組的水電站系統中，機組的最大轉速上升率是由大機組控制。

4 結論

(1)水電站過渡過程仿真結果表明：木扎提引水系統調壓室最低涌浪出現后，振蕩時間要遠長于最高涌浪，對引水系統的平穩運行具有更大的影響。

(2)對于安裝有不同特性機組的水電站，大機組對于蝸殼進口最大壓力和機組最大轉速上升率具有控制作用，這兩個極值均出現在引水道最長的大機組處，因此在水電站設計和運行過程中要對大機組給予更多的關注。

參考文獻：

[1] 付 亮，楊建東，王建偉.超長引水隧洞水電站大波動過渡過程特殊問題[J].中國農村水利水電，2006(9)：112-115.

[2] 楊建東. 導葉關閉規律的優化及對水力過渡過程的影響[J].水力發電學報，1999(2)：75-83.

[3] 張 鵬.水電站水力過渡過程的數值仿真及參數優化[D]．武漢：武漢大學水利水電學院，2007．

[4] 習華勇，成 瑩. 水電站站內運行優化通用系統設計[J]. 河北工程大學學報：自然科學版，2012,29(4)：71-73.

[5] 楊開林.電站與泵站中的水力瞬變及調節[M].北京：中國.水利水電出版社，1999.

[6] 孫少偉，郭興眾，陸華才. 矩陣式變換器PMSM直接轉矩控制系統[J]. 河北工程大學學報：自然科學版，2012,29(4)：83-86.