大河沿渠首水電站引水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程分析研究

朱燁華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大河沿渠首水電站總裝機(jī)容量6．25MW，裝機(jī)2臺(tái)，單機(jī)容量3．125MW。引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)口閘井段、高壓管道段、叉管段、支管段組成，采用一洞兩機(jī)聯(lián)合供水的布置型式。整個(gè)引水系統(tǒng)總長(zhǎng)約6．8km，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為6．624s，機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta為4．164s，且電站無(wú)地質(zhì)、地形條件設(shè)置調(diào)壓井?？紤]到本電站為長(zhǎng)隧洞、中高水頭、電站在系統(tǒng)中基荷運(yùn)行，為降低高壓管道中的水擊壓力，提高電站的運(yùn)行安全穩(wěn)定性，在機(jī)組進(jìn)口蝶閥前設(shè)置了調(diào)壓閥，同時(shí)在發(fā)電引水系統(tǒng)叉管前設(shè)置了超壓泄壓閥。

考慮電站引水發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)度大，且設(shè)有調(diào)壓閥及超壓泄壓閥，為保證電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)約工程投資，需對(duì)整個(gè)引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，以獲得最優(yōu)的引水發(fā)電系統(tǒng)洞涇、調(diào)壓閥尺寸和水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)保證參數(shù)。

1 計(jì)算資料

1.1 基本參數(shù)

電站基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電站和機(jī)組主要參數(shù)

續(xù)表1

?

1.2 引水發(fā)電系統(tǒng)

大河沿渠首水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1所示。輸水管道編號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 大河沿渠首水電站引水發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 計(jì)算主要采用的數(shù)學(xué)模型

大河沿渠首水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算與分析涉及到:

(1)任意管道水流運(yùn)動(dòng)基本方程;

(2)上、下游水庫(kù)端邊界條件;

表2 輸水管道編號(hào)及參數(shù)

(3)調(diào)壓閥邊界條件;

(4)超壓泄壓閥邊界條件;

(5)轉(zhuǎn)輪邊界條件;

(6)多機(jī)系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)初值計(jì)算;

(7)調(diào)速器方程。

3 設(shè)計(jì)控制條件

結(jié)合大河沿渠首電站的特征參數(shù)，并根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5186—2004)，給出該電站的調(diào)保計(jì)算控制條件:

(1)機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值≤55．0%;

(2)蝸殼最大壓力升高率≤252．94m;

(3)發(fā)電引水系統(tǒng)各點(diǎn)壓力≥-2m;

4 計(jì)算采用的工況

4.1 計(jì)算工況選取原則

計(jì)算工況的選擇主要原則是:

(1)電站在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中可能出現(xiàn)的最大壓力、最小壓力和最大轉(zhuǎn)速的工況;

(2)在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中可能出現(xiàn)的上、下游及調(diào)壓井涌浪極值工況;

(3)在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中可能出現(xiàn)的引水系統(tǒng)內(nèi)壓極值工況;

(4)在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中可能出現(xiàn)的調(diào)壓閥拒動(dòng)等特殊工況;

(5)小波動(dòng)工況;

(6)水力干擾的工況。

4.2 計(jì)算工況的選取

根據(jù)4．1所列原則，確定對(duì)表3所列工況進(jìn)行計(jì)算。

表3 計(jì)算工況及其說(shuō)明

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 無(wú)調(diào)保措施下的過(guò)渡過(guò)程數(shù)值計(jì)算

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》，本電站水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw為6．624s，機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta為4．164s，理論上應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室等調(diào)保措施。

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為5s和10s時(shí)，蝸殼末端所產(chǎn)生的最大水錘壓力分別為398．14m和384．14m，兩者數(shù)值上的差別主要由水力損失引起，直接水錘的大小與導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間、輸水系統(tǒng)水頭損失有一定關(guān)系;而與直接水錘公式得出的壓力值的差別，還與系統(tǒng)的簡(jiǎn)化及相關(guān)參數(shù)的近似取值有關(guān)。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明，當(dāng)機(jī)組關(guān)閉時(shí)間為5s時(shí)，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為47．7%，在轉(zhuǎn)速控制標(biāo)準(zhǔn)55%以內(nèi);但此時(shí)的壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力控制值252．94m;相關(guān)計(jì)算表明，若壓力控制在允許值內(nèi)，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間需大于25s。因此，在無(wú)調(diào)保措施下，單純采用調(diào)整關(guān)閉規(guī)律的方法是無(wú)法解決水錘壓力上升與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的矛盾的，數(shù)值計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)一步證明了渠首電站設(shè)置調(diào)保措施的必要性。

5.2 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量敏感性分析

通常情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2值增大，對(duì)于水電站水力—機(jī)械系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程是有利的，但同時(shí)也會(huì)增加電站的投資。對(duì)于常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組，GD2值增大會(huì)有效降低控制工況下機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升率，同時(shí)對(duì)蝸殼末端最大壓力也有一定的改善作用。

針對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉及調(diào)壓閥拒動(dòng)，超壓泄壓閥不開(kāi)啟的情況，擬定以下控制工況:

控制工況A:前池最高水位為1467．984m，下游正常尾水位1271．23m，超出力，額定流量，機(jī)組導(dǎo)葉拒動(dòng)，調(diào)壓閥拒動(dòng)，超壓泄壓閥不開(kāi)啟。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 機(jī)組GD2優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

從表4中的計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)組GD2對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升影響很大，隨著機(jī)組GD2的增大，可以很好的降低由于轉(zhuǎn)速上升引起的蝸殼末端壓力的增大。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)組GD2=35t·m2時(shí)，超壓泄壓閥前最大壓力為214．06m，小于215．0m。因此，當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉及調(diào)壓閥均拒動(dòng)時(shí)，如若不希望設(shè)置的超壓泄壓閥開(kāi)啟，則需要增大機(jī)組的GD2至 35t·m2。

5.3 機(jī)組-調(diào)壓閥啟閉規(guī)律優(yōu)化

本電站設(shè)置的全油壓控制調(diào)壓閥，其主要參數(shù)為閥門口徑，該參數(shù)的合理取值至關(guān)重要。

在機(jī)組GD2為5t·m2的前提下，經(jīng)對(duì)表4所列工況進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論:

(1)最優(yōu)調(diào)壓閥直徑為0．3m，推薦的機(jī)組-調(diào)壓閥啟閉規(guī)律為導(dǎo)葉以9s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥以9s一段直線聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟，達(dá)到全開(kāi)并滯后10s后，調(diào)壓閥再以180s一段直線規(guī)律關(guān)閉。

(2)考慮到調(diào)壓閥正常工作時(shí)必須保證超壓泄壓閥不動(dòng)作，并且需要留有足夠的安全裕量，故推薦超壓泄壓閥的動(dòng)作壓力整定為225．0m。

(3)調(diào)壓閥后與下庫(kù)連接的管段末端最小壓力達(dá)到了約-1．0m，雖然真空度仍小于8m，滿足相關(guān)調(diào)保要求，但應(yīng)適當(dāng)增大調(diào)壓閥后的連接管直徑，以減小流速水頭改善負(fù)壓。

5.4 超壓泄壓閥直徑及開(kāi)啟時(shí)間優(yōu)化

對(duì)于渠首水電站，水錘防護(hù)措施擬采用調(diào)壓閥-超壓泄壓閥裝置代替調(diào)壓井的方案。當(dāng)機(jī)組突甩負(fù)荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟調(diào)壓閥，泄放一定流量，從而限制引水系統(tǒng)中的水壓升高值。此外，在引水道上裝設(shè)了超壓泄壓閥，作為后備安全保護(hù)措施，一旦調(diào)壓閥拒動(dòng)、壓力超過(guò)超壓泄壓閥整定值，則超壓泄壓閥自動(dòng)打開(kāi)，泄放一定流量，仍可保證壓力管道的壓力在控制標(biāo)準(zhǔn)以下。

5.4.1 超壓泄壓閥直徑優(yōu)化

在機(jī)組GD2=5．0t·m2，調(diào)壓閥拒動(dòng)，機(jī)組快關(guān)時(shí)間為9s一段直線的前提下，對(duì)各種控制工況和水力干擾工況進(jìn)行大量計(jì)算后得到如下結(jié)論:

(1)超壓泄壓閥閥徑越大，泄流量越大，壓力下降值越大;但泄流量增大的同時(shí)，會(huì)造成尾水管進(jìn)口及引水系統(tǒng)部分管道最小壓力較小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，這在壓力管道中是不允許出現(xiàn)的。

(2)當(dāng)單個(gè)超壓泄壓閥直徑為0．3m時(shí)，其最大泄流量?jī)H為2．82m3/s，超壓泄壓閥開(kāi)啟后，蝸殼末端最大壓力達(dá)到 249．87m，距控制標(biāo)準(zhǔn)252．94m僅有3．07m的安全裕量，相對(duì)較小，且機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率超過(guò)控制值55%。

(3)當(dāng)超壓泄壓閥直徑為0．45m及0．50m時(shí)，其泄流量分別為5．53m3/s和6．51m3/s，因此，在降壓效果上表現(xiàn)顯著。超壓泄壓閥開(kāi)啟后，蝸殼末端最大壓力均為224．19m。但在發(fā)生水力干擾工況時(shí)，超壓泄壓閥會(huì)突然開(kāi)啟，從而導(dǎo)致引水系統(tǒng)初始?jí)毫^低處產(chǎn)生負(fù)壓。

(4)當(dāng)超壓泄壓閥直徑分別為0．35m及0．40m的情況，超壓泄壓閥的最大流量分別為3．55m3/s及4．50m3/s。超壓泄壓閥開(kāi)啟后，蝸殼末端最大壓力分別為228．89m及224．19m，降壓效果差別不大。理論上來(lái)說(shuō)，最優(yōu)超壓泄壓閥直徑應(yīng)是最大泄流量等于系統(tǒng)的額定流量;考慮到在水力干擾工況下，被干擾機(jī)組出力不應(yīng)發(fā)生大的擾動(dòng)，因此超壓泄壓閥的泄流量亦不宜過(guò)大。故推薦選取直徑0．35m的超壓泄壓閥，最大泄流量為3．55m3/s，略小于額定流量4．17m3/s。

5.5 水力—機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性分析及水力干擾計(jì)算

5.5.1 小波動(dòng)穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行水力—機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性分析時(shí)，采用剛性水錘假定，并認(rèn)為負(fù)荷擾動(dòng)及上、下游水位擾動(dòng)均是微小量，并對(duì)其進(jìn)行線性化處理。

(1)對(duì)于渠首水電站，由于電站引水壓力管道過(guò)長(zhǎng)(約6722m)，考慮水體彈性的小波動(dòng)復(fù)核相較于剛性假定的小波動(dòng)理論分析，振蕩次數(shù)更多，衰減度更小，調(diào)節(jié)周期更長(zhǎng)，理論上應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室;而作為調(diào)保設(shè)施而設(shè)置的調(diào)壓閥及超壓泄壓閥對(duì)小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程無(wú)影響，因此，渠首水電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，但只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)程是能夠穩(wěn)定的;

(2)對(duì)于PI型、PID型調(diào)速器，當(dāng)參數(shù)均按Stein估算公式整定時(shí)，在相同的計(jì)算工況下，采用PID型調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好;

(3)電站的小波動(dòng)穩(wěn)定性與機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)密切相關(guān)，當(dāng)水輪機(jī)在并網(wǎng)前后空載運(yùn)行時(shí)，由于開(kāi)度較小，工況點(diǎn)本身的穩(wěn)定性較差;而且在機(jī)組空載工況時(shí)，沒(méi)有負(fù)載的自調(diào)節(jié)作用，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較差，應(yīng)結(jié)合調(diào)速器參數(shù)的整定，共同優(yōu)化這一暫態(tài)過(guò)程。

5.5.2 水力干擾計(jì)算

對(duì)于渠首電站的水力干擾計(jì)算，主要進(jìn)行了一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)另一臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)的計(jì)算，調(diào)節(jié)模式根據(jù)電站將來(lái)實(shí)際的運(yùn)行情況，采用功率調(diào)節(jié)。相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)水力干擾時(shí)，被干擾機(jī)組的水頭、流量、效率、機(jī)組軸力矩均會(huì)發(fā)生了相應(yīng)變化，但各種計(jì)算指標(biāo)均能夠滿足要求，但由于計(jì)算中由于無(wú)法涉及壓力脈動(dòng)影響，尤其在一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速上升較大時(shí)，實(shí)測(cè)的機(jī)組壓力脈動(dòng)將會(huì)較大，故將來(lái)的機(jī)組招標(biāo)選型時(shí)，需對(duì)壓力脈動(dòng)指標(biāo)要有一定控制。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大量計(jì)算，對(duì)于大河沿渠首水電站，可得出如下結(jié)論:

(1)為保證渠首水電站運(yùn)行安全，必須設(shè)置調(diào)保措施。

(2)通過(guò)對(duì)各種控制工況下機(jī)組-調(diào)壓閥不同的啟閉規(guī)律計(jì)算后可以看出，蝸殼末端最大壓力發(fā)生在調(diào)壓閥關(guān)閥時(shí)間結(jié)束時(shí)刻，另外考慮到超壓泄壓閥工作壓力的整定，對(duì)于推薦采用的閥徑0．3m的調(diào)壓閥方案，建議機(jī)組-調(diào)壓閥9s以一段直線聯(lián)動(dòng)啟閉，調(diào)壓閥保持最大開(kāi)度10s后再以180s一段直線關(guān)閉。

(3)推薦超壓泄壓閥閥徑為0．35m，開(kāi)啟時(shí)間5s。此時(shí)超壓泄壓閥過(guò)流量約3．55m3/s，流速水頭較大，因此，管道中會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)壓。推薦將聯(lián)接超壓泄壓閥管道的直徑至少增至0．7m。

［1］DL/T 5058—1996．水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)電力出版社，1996．

［2］DL/T 5186—2004．水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．