高海拔地區大容量機組尾水管進口壓力的控制研究

陳建國，張曉宏，張俊發

(西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

在水電站運行過程中，為了保證水輪機處于高效、安全、經濟的運行環境，很好地控制尾水管進口壓力是水電站過渡過程中必須解決的重要問題，相關規范對尾水管進口真空度最大值也做了嚴格限制(8 m水頭內)[1-2]。目前，關于導葉關閉規律對尾水管進口壓力的影響已有許多研究成果，例如陳丹等[3]研究了不同導葉關閉規律與不同尾水調壓室進行組合對尾水管真空度的影響。王煜等[4]、齊學義等[5]研究表明采用非固定模式導葉關閉規律比固定導葉關閉規律能更有效控制機組壓力上升和轉速升高。陳玉等[6]、王煜等[7]研究了不同導葉關閉規律對水電站流道壓力空間分布差異。徐利君等[8]分析了在考慮S特性和脈動壓力時對不同導葉關閉規律的優化。儲善鵬等[9]、張健等[10]、蔣瑋等[11]研究了水電站發生相繼甩負荷工況時, 導葉關閉規律對尾水進口最小壓力其的影響。李敏等[12]研究了導葉“先快后慢”關閉規律對蝸殼末端壓力、尾水管真空度和轉速升高的影響。但上述研究成果明確涉及到高海拔地區水電站的較少。本文在前人研究的基礎上，結合某實際高海拔地區大容量機組水電站工程實例，深入研究了不同導葉關閉規律對高海拔地區大容量機組電站尾水管進口壓力的影響，得到了合理的導葉關閉規律，達到了有效控制尾水管進口壓力的目的。

2 工程概況

某水電站位于青海省貴德縣與貴南縣交界的黃河干流上，平均海拔2 200 m，屬于高海拔電站，電站裝機容量4 200 MW，共裝機6臺，單機容量700 MW，屬于大容量機組，主要承擔西北電網的調峰和事故備用。

水庫上游校核洪水位為2 457.00 m，設計洪水位為 2 452.00 m，正常蓄水位為2 452.00 m，死水位為2 440.00 m，下游設計洪水位為2 243.94 m，6臺機運行尾水位為2 240.20 m，3臺機運行尾水位為2 237.90 m，1臺機運行尾水位為2 233.40 m，最低運行尾水位為2 232.40 m。

該水電站機組采用單機單管的輸水系統，壓力輸水管道可分為上水平段(包括漸變段)、上彎段、豎井段、下彎段、下水平段(包括漸縮段)5個部分，壓力輸水管內徑為9.5 m，為全地下埋管布置。尾水從每臺機尾水管后引至尾水調壓室，每3臺機組共用1個尾水調壓室，然后共用1條尾水隧洞引至下游河道，即尾水系統為“三機一室一洞”布置形式，調壓室型式為阻抗式，直徑為27 m，斷面面積為 572.555 m2，阻抗孔口直徑為10.5 m。

該水電站引水發電系統水力過渡過程仿真模擬如圖1所示，其中J1，J2，J3，J4，J5，J6為上游水庫；J25、J26、J27、J28、J29、J30為 6 臺水輪發電機組；J43、J44為尾水調壓室；J45，J46為尾水下游。

圖1 某水電站引水發電系統水力過渡過程仿真模擬圖

3 機組基本參數及控制標準

3.1 機組基本參數

該水電站水輪機基本參數如表1所示。

表1 水輪機基本參數

3.2 控制標準

根據我國相關規范[13]中調節保證計算的規定，結合該水電站的實際情況，機組丟棄負荷時，最大轉速的升高率和蝸殼末端最大壓力升高率應符合下列標準：

(1)大容量機組最大轉速升高率相對值βmax≤45%。

(2)蝸殼末端允許的最大壓力升高率ζmax≤30%；蝸殼末端最大壓力≤290 9.81 kPa。

(4)調壓室最高涌浪水位以上的安全超高不宜小于1.0 m；調壓室最低涌浪水位與尾水管頂部之間的安全高度不宜小于1.0 m。

4 導葉關閉規律的計算結果與分析

4.1 計算工況

根據該水電站的具體運行情況，擬定了兩種典型工況，用于模擬機組突甩全負荷大波動過渡過程。計算工況見表2。

表2 計算工況

4.2 導葉直線關閉規律計算結果

機組按照直線關閉規律進行分析計算，以了解有效關閉時間，機組的最大轉速上升率和蝸殼末端最大壓力的關系，這是確定機組折線關閉規律的基礎[14-16]。本次計算有效關閉時間Ts取13s，14s和15s 3種情況，導葉直線關閉規律下的計算結果如表3所示。

由表3可知，通過延長導葉有效關閉時間，蝸殼末端最大壓力逐漸減小，而轉速最大升高率逐漸升高，尾水管進口最小壓力逐漸增大。在兩種典型工況下，對于3種直線關閉規律，蝸殼末端最大壓力皆小于允許值 290×9.81 kPa; 轉速最大升高率皆大于允許值45%；在A2工況下尾水管進口最小壓力皆不滿足允許值。因此，導葉直線關閉規律無法滿足該水電站的調節保證計算的要求。

表3 導葉直線關閉規律計算結果

4.3 導葉折線關閉規律計算結果

在直線關閉規律的計算結果基礎上，對A2工況下的調節保證計算采用不同的兩段折線關閉規律。常見的兩段折線關閉規律如圖2所示[17-18]，其中，αmax為導葉的最大開度，αs為導葉的拐點開度，Tc為調速器不動時間，Ts1為拐點時間，Ts為導葉關閉總時間。按照文獻[19]中對折點位置所述，將αs擬定為60%，選取Ts1為3.0和3.5 s，計算結果如表4所示。

圖2 A2工況導葉兩段折線關閉規律示意圖

表4 A2工況導葉兩段折線關閉規律計算結果

由表4折線關閉規律計算結果可看出：(1)通過改變導葉關閉過程，可以顯著改變調節保證計算的結果。按照計算結果，在A2工況下6種導葉關閉過程中，尾水管進口最小壓力皆大于-8×9.81 kPa，但是該水電站屬于高海拔地區大容量機組水電站，按照要求，尾水管進口最小壓力應大于-5.53×9.81 kPa。而序號為1、2的導葉關閉過程中的尾水管進口最小壓力皆小于-5.53×9.81 kPa，不滿足該水電站的控制標準。(2)序號為4、5、6導葉的關閉過程中，其轉速最大升高率均大于45%，也不滿足該水電站的控制標準。(3)在A2工況拐點開度和拐點時間不變的條件下，隨著導葉關閉總時間的延長，轉速最大升高率逐漸升高，尾水管進口最小壓力逐漸增大，類似直線關閉規律，A2工況不同關閉總時間的轉速變化過程線和尾水管進口壓力線如圖3(a)、3(b)所示。當機組丟棄負荷時，尾水管進口壓力線分別在導葉拐點時間和導葉關閉總時間處發生突變，即尾水管進口最小壓力出現在導葉關閉總時間處，隨著導葉關閉總時間的增大，尾水管進口最小壓力也在增大，則尾水管進口最小壓力受導葉關閉過程的影響顯著。(4)在同一工況下，通過改變導葉關閉過程，對調壓室涌浪水位的影響甚微，且均滿足水電站控制標準，A2工況不同關閉總時間的調壓室涌浪水位變化如圖3(c)所示。

圖3 A2工況下導葉不同關閉總時間的轉速、尾水管進口壓力及調壓室涌浪水位變化過程線(Ts1=3 s)

綜上所述，關閉總時間Ts取18 s、折點時間Ts1取3 s、拐點開度取60%這一的導葉運行方式可保證機組轉速最大升高率、蝸殼末端最大壓力和尾水管進口最小壓力均滿足要求。

根據文獻[17-19]中對導葉關閉規律的研究，本文計算了多種導葉關閉過程，通過改變導葉關閉總時間Ts和折點時間Ts1，控制高海拔地區大容量機組尾水管進口壓力，進而選擇合理導葉關閉過程，可為以后深入研究高海拔地區大容量機組的尾水管進口壓力變化提供參考。

5 結 論

通過對高海拔地區大容量機組水電站工程實例過渡過程的計算與分析，探討了導葉關閉過程的選取對高海拔地區大容量機組電站尾水管最小壓力值的影響。得出以下主要結論:

(1)對于高海拔地區大容量機組水電站工程的過渡過程，控制導葉直線關閉過程無法滿足尾水管進口壓力值的要求。

(2)高海拔地區大容量機組水電站尾水管進口壓力控制可通過優化導葉折線關閉過程來滿足。通過優化導葉兩段折線關閉過程，可保證蝸殼末端最大壓力、機組轉速最大升高率和尾水管進口最小壓力均滿足規范要求。

(3)通過對電站運行多種工況和導葉關閉過程的組合研究表明，合理的導葉運行方式能夠有效控制高海拔地區大容量機組水電站尾水管的進口壓力，可改善水電站運行條件。