水電站調壓室設置條件探討

孫經華

(天生橋水力發電總廠,貴州興義 562400)

水電站調壓室設置條件探討

孫經華

(天生橋水力發電總廠,貴州興義 562400)

水電站調壓室的設置是影響水電站運行穩定性的一個重要的因素。介紹了水電站調壓室的基本類型和主要功能;從基于調保參數和基于水電站運行穩定性及調節品質兩方面對水電站設置條件進行了探討。水電站條件室設置條件的研究,對提高水電站運行的穩定性和調節品質具有重要的意義。

水電站 調壓室 穩定性 設置條件

近些年來隨著經濟的發展,人們用電量的水平也越來越高。我國加大了對水力資源的開發,設計、建設了一批新的大型和特大型的水電站。作為電網系統中的主力發電源頭,這些水電站在電力系統中占有非常重要的地位,并且承擔著的主要的動態負荷。隨著水電站的發電量在電網中所占份額的提高,機組的調峰任務也更加艱巨,所以水電站需要具有較高的運行穩定性和調節品質。調壓室是水電站為了減少水擊壓力,改善機組運行條件而建造的水電站平水建筑物,它的設置是影響水電站運行穩定性的一個非常重要因素。為此,本文對水電站調壓室的設置條件進行了探討,對提高水電站的運行穩定性具有重要意義。

1 水電站調壓室的基本類型及主要功能

調壓室是一個具有自由水面的筒式或井式建筑物,水電站調壓室主要分為以下幾種基本類型:簡單圓筒式調壓室、阻抗式調壓室、雙室式調壓室、溢流式調壓室、差動式調壓室和氣墊式或半氣墊式調壓室。目前我國應用較多的是差動式調壓室,該種調壓室所需容積較小,水位波動衰減也快,它的缺點是結構復雜,工程造價較高。

水電站調壓室的主要功能是減少水錘的壓力,改善機組的運行條件。設置了調壓室后,調壓室將整個引水道系統分為兩個部分,前面一段為引水隧洞,后面一段為壓力管道。調壓室可以反射水錘波,縮短壓力管道的長度,并且改善機組在負荷變化時的運行條件。但是,調壓室的高造價、長工期會對整個水力發電系統的建設造成很大的影響。所以對水電站調壓室的設置條件進行研究,分析是否需要設置調壓室具有重要的現實意義。

2 基于調保參數的調壓室設置條件

基于調保參數的調壓室的設置條件主要分為上游調壓室的設置條件和下游調壓室的設置條件兩個部分。其中水電機組轉速的升高和水擊壓力值的大小是調壓室設置條件的主要影響因素。

2.1 上游調壓室的設計條件

對于上游調壓室的設計條件,國內外有不同的標準。國外標準中,前蘇聯在二十世紀七十年代對水電站調壓室的設計標準為TW=∑LV/H0＞K,其中TW為水流加速時間,L為水道的長度,V為水流流速,H0為水輪機的設計水頭,K的取值跟機組的裝機容量有直接的關系。標準規定,裝機容量超過系統總容量的50%時,K=16～20s;如果裝機容量小于50%,甚至低于20%時,K＞50s。日本和法國的數值相同,其條件為∑LV/H0＞45s[1]。

國內對調壓室設計條件的研究始于二十世紀八十年代,以丁浩為代表的一些學者推導了計算引水管道長度的公式。我國在1996年頒布了《水電站調壓室設計規范》。該規范明確的規定了調壓室的設置條件為∑LV/H0＞2～4s。該規范是在已有水電站的運行經驗的基礎上結合國外調壓室設置已有的研究成果制定的,并在近些年的水電站調壓室設計中得到了驗證,并且取得了很好的成果。

相對轉速和相對壓力的升高是評判調壓室是否必要的評判標準,這一點已經得到了國內外相關專家的認可。我國的楊建東教授于2008年推導出了上游調壓室設置條件的表達式。該表達式就是基于相對轉速和相對壓力的升高兩個影響因素基礎上推導出來的。該表達式較為完整的涵蓋了影響調壓室設置條件的所有重要因素,在實際應用中取得了較為理想的結果。

上游調壓室的設計條件目前相對來講較為完善,但是隨著機組參數的升高,一些新的影響因素也隨之出現,所以調壓室的設置條件標準也要隨機組參數的變化而有所改變,進而適應機組發展的要求。為水電機組運行的穩定性做出應有的重要貢獻。

2.2 下游調壓室的設計條件

美國的下游調壓室的設置條件為∑LV＞1800m2/s,我國在1996年頒布了《水電站調壓室設計規范》,其中對下游調壓室的設置條件也有明確的規定。

下游水電站的設置條件取決于尾水管道的臨界長度,該臨界長度與液柱分離現象的產生有關。當水電站的尾水管道的實際長度大于臨界長度時就需要設置下游調壓室。另外機組的最大轉速升率也是影響設置條件的重要因素[2]。

下游調壓室的設計條件目前還有很多不足。考慮影響因素不全面是目前的主要問題。所以學者應該加強對這方面的研究工作。

3 基于水電站運行穩定性及調節品質的調壓室設置條件

水電機組在目前的電網運行中承擔著重要的調峰任務,所以在變負荷過程中保證水電機組運行的穩定性是非常關鍵的。設置調壓室可以保證水電站運行的穩定性和較高的調節品質,所以在研究調壓室設置條件時,運行的穩定性是必須要考慮的因素。

基于水電站運行穩定性的調壓室設置判別式最早由董興林推導得到,但是該判別式被證明是不穩定的,存在漏洞的。

水電機組的調節系統是高階的復雜系統,其調節性能指標的求解要困難的多。目前較成熟的做法是,首先建立一個理想狀態下的水電機組模型,在該模型的基礎上進行數學分析。首先對穩定域受波速的影響進行分析,繼而根據Routh-Hurwitz穩定條件對基于水電站運行穩定性的調壓室設置條件進行推導[3,4]。

4 結語

本文主要研究了水電站調壓室的設置條件。水電站調壓室的設置是影響水電站運行穩定性的一個重要的因素。介紹了水電站調壓室的基本類型和主要功能;從基于調保參數和基于水電站運行穩定性及調節品質兩方面對水電站設置條件進行了探討。水電站條件室設置條件的研究,對提高水電站運行的穩定性和調節品質具有重要的意義。

[1]張超.水電能資源開發利用[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]吳應文.用水壓補償裝置改善水輪機調節系統調節品質的研究與試驗[J].水電能源科學,1987,5(3):259-270.

[3]王治中,王建林,趙毅力.水電站調壓室設置必要性判斷式的分析研究[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2009,36(8):218-222.

[4]趙正飛,張曉宏,張彥航.上游調壓室設置公式的對比分析[J].水資源與水工程學報,2009,20(3):94-96,101.

孫經華(1983—),男,貴州興義人,學士,助理工程師,主要從事水電站運行技術方面工作。