超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程試驗及仿真分析

曹春建，方 杰，陳順義，黃靖乾

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州310014）

0 引 言

水力過渡過程是指水流受某種擾動由一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)時的過程［1］。當水電站機組正常開停機、事故甩負荷、進水閥非正常啟閉時，均會引起引水發(fā)電系統發(fā)生水力過渡過程，進而導致系統中管道壓力及流量、調壓室水位或者機組轉速等發(fā)生劇烈變化。特別是當機組處于異常飛逸或制動工況時，系統將產生較大動負荷，并引起系統出現強烈壓力脈動、振動及水擊，嚴重影響到電站安全穩(wěn)定運行［2-4］。

錦屏二級水電站總裝機容量4 800 MW，單機容量600 MW，其利用雅礱江150 km 大河彎的天然落差，通過長約16.67 km 的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。該電站有4 個水力單元，每個水力單元采用一洞兩機布置，引水系統由電站進水口、進水口事故閘門、引水隧洞、差動式調壓室、壓力管道、尾水出口事故閘門室及尾水隧洞等建筑物組成［5，6］。由于錦屏二級水電站總裝機規(guī)模、單機容量及引用流量均較大，并且其設置的超長大直徑引水隧洞、巨型差動式調壓室及大型水輪發(fā)電機組等具有水力學條件極為復雜的特點，因此能否準確評估各種水力過渡過程工況下引水發(fā)電系統的動態(tài)響應特性是制約錦屏二級水電站建設的關鍵技術問題之一［7-9］。

由于采用物理試驗的方法對引水發(fā)電系統進行水力過渡過程研究費用非常昂貴，并且有時受到實際工程條件的制約而無法模擬和實現，因此作為對真實物理系統進行模擬的重要手段之一，數字仿真憑借其成本低、不受外部環(huán)境限制等優(yōu)點，現已成為電力系統研究、規(guī)劃、運行、設計等各個方面不可或缺的工具［10，11］。鑒此，本文以錦屏二級水電站為研究對象，利用復雜系統水力過渡過程仿真計算軟件HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，建立了完整的超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型。基于上述模型，對機組雙機同甩負荷及筒形閥動水關閉等兩種典型試驗工況進行了仿真計算，并將計算結果與實測結果進行了對比分析，以期為復核超長大容量引水發(fā)電系統極端控制性工況以及探討長期穩(wěn)定運行機理提供可靠的仿真平臺。

1 水力過渡過程仿真模型的建立

復雜系統水力過渡過程仿真計算軟件HYSIM 由中國電建集團華東勘測設計研究院開發(fā)，該軟件已通過第三方軟件評測，并已成功用于多個大、中型水電站［12］。在HYSIM 軟件仿真環(huán)境下，根據超長大容量引水發(fā)電系統內部機理及錦屏二級水電站實際參數，利用HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，構建出水庫、彈性管道、差動式調壓室、混流式水輪機，筒形閥、水輪發(fā)電機等主要元素的仿真模塊，最終搭建出如圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型。

2 雙機同甩負荷試驗及仿真對比分析

2.1 混流式水輪機零開度單位力矩曲線修正

在進行錦屏二級水電站單機甩負荷試驗及仿真對比研究后發(fā)現，機組實測轉速與計算轉速在機組轉速變化曲線的前半段較為吻合，而在后半段則區(qū)別較大，主要表現在計算轉速明顯低于實測轉速。分析原因可知，機組轉速變化曲線后半段的導葉開度已降至為零并且處于水輪機制動區(qū)域（該區(qū)域下水輪機單位力矩為負值），當零開度下的水輪機單位力矩計算值小于實測值時，將導致機組計算轉速較實測轉速更為快速地恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。鑒此，需對錦屏二級水電站混流式水輪機零開度單位力矩曲線進行適當修正，修正前、后的混流式水輪機零開度單位力矩曲線對比情況如圖2所示。

以錦屏二級水電站某單機甩負荷工況為例，混流式水輪機零開度單位力矩曲線修正前、后的機組計算轉速與實測轉速變化曲線的對比情況如圖3所示。由圖3可知，修正后的機組計算轉速與實測轉速吻合度要明顯高于修正前，由此表明上述曲線修正的有效性。此外，由圖3還可看出，曲線修正前、后的機組最高計算轉速基本一致，由此表明混流式水輪機零開度單位力矩曲線僅對機組轉速下降速率存在一定的影響，而對機組最高計算轉速則基本無影響。

2.2 試驗工況

錦屏二級水電站引水發(fā)電系統由于采用一洞兩機的布置方式，因此存在兩臺機組滿負荷運行同甩負荷的情況。根據相關標準要求，機組投產發(fā)電前需完成雙機同甩負荷試驗，以檢驗系統參數能否滿足調節(jié)保證控制要求。錦屏二級水電站7號、8號機組雙機同甩負荷試驗工況如表1所示。

表1 雙機同甩負荷試驗工況表Tab.1 The double load rejection test conditions

2.3 仿真及試驗結果分析

針對S1 工況，利用圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型，對錦屏二級水電站7 號、8 號機組進行雙機同甩負荷仿真計算，得到的調節(jié)保證計算值與實測值的對比情況如表2所示。S1 工況下的7 號機組轉速、蝸殼進口壓力及尾水管進口壓力變化對比曲線如圖4～圖6所示。S1 工況下差動式調壓室水位變化對比曲線如圖7所示。

表2 雙機同甩負荷試驗及計算結果表Tab.2 The calculated values and test values of the double load rejection test

由圖4～圖7可知，計算得到的機組轉速、蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力以及差動式調壓室水位變化曲線與實測曲線基本吻合，并且極值發(fā)生時間基本一致。此外，由表2可知：計算得到的7 號、8 號機組最高相對轉速與實測值基本相同，最大偏差相對值分別僅為1.7%、0.5%；計算得到的7 號、8 號機組蝸殼進口最大壓力與實測值十分接近，最大偏差相對值分別僅為0.4%、0.3%；計算得到的7 號、8 號機組尾水管進口最小壓力與實測值略有偏差，二者偏差僅分別為2.43、3.27 m；計算得到的差動式調壓室最高、最低涌浪與實測值基本接近，二者偏差僅分別為2.99、1.1 m。由此可見，本文建立的水力過渡過程仿真模型能準確反映機組雙機同甩負荷的動態(tài)響應特性。

3 筒形閥動水關閉試驗及仿真對比分析

3.1 筒形閥過流特性參數率定

錦屏二級水電站的每臺機組均裝設有1套筒形閥作為機組的防飛逸保護措施，筒形閥的外徑為8.6 m，是世界上應用水頭最高、綜合難度系數最大的筒形閥。由于機組制造廠家并未給出筒形閥不同開度下的過流特性曲線，故只能在球閥、蝶閥等類似閥門過流特性的基礎上進行修正，進而使得筒形閥過流特性實測值與計算值相匹配。根據某工況下錦屏二級水電站筒形閥動水關閉時的機組流量、筒形閥前后壓力等實測數據并結合仿真計算，最終得到了錦屏二級水電站筒形閥過流特性曲線，具體如圖8所示。由圖8可知，筒形閥阻抗系數與筒形閥開度變化呈明顯的非線性特性，10%～100%開度范圍內，筒形閥阻抗系數隨著開度減小而緩慢增長；但在0%～10%開度范圍內，筒形閥阻抗系數隨著開度減小則急劇增加。

3.2 試驗工況

根據相關標準要求，錦屏二級水電站機組投產發(fā)電前需完成筒形閥動水關閉試驗，以檢驗筒形閥水力特性及安全性指標能否滿足規(guī)范及設計要求。錦屏二級水電站5號機組筒形閥動水關閉試驗工況如表3所示。

表3 筒形閥動水關閉試驗工況表Tab.3 The shun-down process test conditions of the cylinder valve

3.3 仿真及試驗結果分析

針對TF1、TF2 工況，利用圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型，對錦屏二級水電站5 號機組進行筒閥動水關閉仿真計算，得到的調節(jié)保證計算值與實測值的對比情況如表4所示。TF1、TF2工況下的5號機組過機流量、蝸殼進口壓力及差動式調壓室水位變化對比曲線如圖9～圖14所示。

表4 筒形閥動水關閉試驗及計算結果表 mTab.4 The calculated values and test values of the shun-down process test conditions for cylinder valve

由圖9～圖14可知，計算得到的機組過機流量、蝸殼進口壓力及差動式調壓室水位變化曲線與實測曲線基本吻合。同時，還可看出筒形閥關閉下的機組流量特性與導葉關閉下的機組流量特性存在較大差異。當導葉關閉時，機組過機流量與導葉關閉規(guī)律基本一致；而當筒形閥關閉時，機組過流特性則類似于進水球閥，即小開度時流量變化速率急劇升高并且大于導葉關閉速率，進而導致蝸殼進口壓力迅速增大。此外，由表4可知，計算得到的TF1、TF2 工況下蝸殼進口壓力與實測值均基本相符，最大偏差相對值僅分別為1.12%、0.78%；計算得到的TF1、TF2工況下的差動式調壓室最高涌浪水位與實測值基本接近，二者偏差僅分別為3.23、2.72 m；計算得到的TF1、TF2 工況下的差動式調壓室最低涌浪水位與實測值基本接近，二者偏差僅分別為0.84、1.12 m。由此可見，本文建立的水力過渡過程仿真模型能準確反映筒形閥動水關閉下的引水發(fā)電系統動態(tài)響應特性。

4 結 論

本文利用復雜系統水力過渡過程仿真計算軟件HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，搭建出完整的超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型，并據此提出了混流式水輪機零開度單位力矩曲線修正方法及筒形閥過流特性的參數率定方法。根據仿真計算及實測數據的對比情況，驗證了上述方法的有效性。同時，基于超長大容量引水發(fā)電系統水力過渡過程仿真模型對兩種典型試驗工況進行了仿真計算，主要包括機組雙機同甩負荷及筒形閥動水關閉等，并將仿真計算結果與實測結果進行了對比分析。結果表明，所建立的仿真模型能準確描述超長大容量引水發(fā)電系統的動態(tài)響應特性，從而為復核超長大容量引水發(fā)電系統極端控制性工況以及探討長期穩(wěn)定運行機理提供了可靠的仿真平臺。