設調壓井的長距離有壓引水電站機組調保計算仿真研究分析

楊 超，龍 斌

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 概述

1.1 工程概況

格鬧河水電站建設工程地處云南省與貴州省兩省河界洛澤河中上游河段上，工程區距離云南省彝良縣城約73km，距貴州省威寧縣城約79km。洛澤河流域梯級電站共分為三級電站，其中格鬧河水電站位于貴州省，為洛澤河流域第二級電站。

格鬧河水電站工程規模為中型，采用一管兩機布置型式，電站裝機容量為2×32MW，保證出力9.19MW，年利用小時數為3870h。水庫總庫容182萬m3，正常蓄水位1470m，引水隧洞采用有壓引水方式，全長10178.0m。電站按“無人值班，少人值守”原則設計，采用計算機監控系統[1]。電站投產后在電力系統中主要擔任腰荷、調峰作用。格鬧河水電站水文參數見表1。

1.2 計算方法

對于水電站引水發電系統，水力過渡過程的計算主要是有壓管道非恒定流的計算，主要的邊界條件有電站機組、水庫、岔管和調壓室等。為便于計算機編程計算仿真分析，通常有壓管道非恒定流計算的主流方法是采用特征線法[2]。有壓管道非恒定流基本方程為：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中，H—以某一水平面為基準的測壓管水頭，m；V—管道斷面的平均流速，m/s；A—管道斷面面積，m2；Ax—管道斷面面積隨x軸線的變化率，m；θ—管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角，(°)；S—濕周，m；f—Darcy-Weisbach摩阻系數，N/m；α—水擊波傳播速度，m/s。

本電站機組調節保證計算方法采用基于特征線法的計算機模擬仿真計算方法，其計算成果可為水電站動態調試提供重要依據[3]。

1.3 計算準則

根據本電站的實際情況與NB/T 10878—2021《水力發電廠機電設計規范》確定設計準則[4]如下：

(1)因本站機組容量占系統工作總容量的比重不大，且不擔任調頻，因此機組甩全負荷的最大轉速升高率小于60%。

(2)機組甩全負荷的，最大蝸殼壓力升高率保證值小于30%，即最大蝸殼壓力值213.2m(H2O)。

(3)機組甩全負荷時，尾水管內的最大真空度不大于8m(H2O)。

(4)壓力輸水系統斷面最高點處的最小壓力不低于0.02MPa。

(5)校核調壓井最高、最低涌波是否滿足NB/T 35021—2014《水電站調壓井設計規范》的要求。

1.4 計算基本參數

本工程總體布置為：大壩+溢洪道+底孔+引水系統+發電廠房+升壓站。發電廠房采用地面式廠房，廠區主要建筑物有主廠房、副廠房、升壓站及尾水渠等。

電站引水隧洞采用有壓引水方式，全長10178.0m，采用馬蹄形斷面，開挖洞徑6.2m，坡降i=2.5/1000；調壓井為阻抗式，調壓井有效面積為109.5m2，調壓井阻抗孔系數為0.0105391，調壓井通過高壓埋管及叉管連接進入廠房。壓力鋼管為地下埋管，為一管兩機布置型式，設有對稱“Y”型月牙肋式鋼岔管與主支管相接，主管長度277.6m，管徑3.6m，支管長度10.8m，管徑2.5m，支管后采用錐形管接發電機進水管，錐管長度2.5m，管徑直徑由2.5m漸變到2.2m。本電站引水系統布置示意圖如圖1所示，水輪發電機主要參數見表2。

圖1 格鬧河水電站引水系統布置示意圖

表2 水輪發電機組主要參數表

2 機組調節保證計算分析

2.1 計算工況

計算工況需結合電站的運行特點，考慮到電站運行過程中可能出現的工況及電站運行過程中可能出現的不可避免的組合工況[5]；通過分析，選擇以下幾個控制工況進行計：

(1)額定水頭運行時，兩臺機組甩額定負荷；

(2)水輪機在上游為校核庫水位時，兩臺機組甩額定負荷；

(3)水輪機在上游為死水位時，1#機處于滿發狀態，2#機從空載狀態增加滿負荷；

(4)水輪機在上游為死水位時，兩臺機組滿負荷運行時甩額定負荷；

(5)兩臺機組在最大水頭情況下甩額定負荷；

(6)上游為死水位時，1#機處于滿發狀態，2#機從空載狀態增加負荷；180秒之后，兩臺水輪機同時丟棄額定負荷；

(7)上游為死水位時，兩臺水輪機帶額定負荷運行，一臺機甩負荷340秒之后再增至滿負荷；

(8)上游為死水位時，兩臺機組滿負荷運行時甩額定負荷；350秒一臺機增負荷到滿負荷；

(9)上游為死水位時，兩臺機組甩額定負荷；350秒兩臺機同時增負荷到滿負荷；

(10)上游為死水位時、最小水頭，機組處于空載狀態，兩臺機同時增至額定負荷；

(11)上游為死水位時、最小水頭，機組處于空載狀態，一臺機機增至額定負荷，另外一臺機410秒再增負荷。

2.2 計算結果

計算出格鬧河水電站2臺機組穩態運行的起始工況水力特性參數，如表3所示。

表3 初始工況計算結果表

在施工圖階段通過用初設(擴機)階段推薦的關閉時間(9s)進行復核計算，計算結果見表4。

表4 各種工況計算結果表(關閉時間為9s)

由以上數據可知，當關閉時間取9s計算結果表明，機組最大轉速上升值40.3%，蝸殼最大壓力207.0m，調壓井最高涌波1481.8m，最低涌波1446.3m，最低尾水管壓力-1.37m，以上數據滿足設計規范的要求，但是節點4最低壓力1460.3m和節點5最低壓力1454.9m，不能滿足設計規范要求壓力輸水隧洞斷面最高點處的最小壓力不低于0.02MPa；通過分析，機組轉速上升率和蝸殼壓力上升值尚有一定的裕度，導葉關閉時間調整和優化的空間[6]，通過試算，導葉關閉時間為16s，較為合理，所以推薦格鬧河水電站水輪機導葉關閉時間為一段直線關閉，關閉時間為16s。關閉時間為16s計算結果見表5，優化后極端值對比表見表6。

表5 各種工況計算結果表(關閉時間為16s)

表6 極端值對比表

通過關閉時間16s復核計算結果表明，機組最大轉速上升值55.8%，蝸殼最大壓力194.2m；調壓井最高涌波1482.3m，最低涌波1445.1m；最低尾水管壓力-2.07m；上游最低發電水位1468.0m時兩臺機組同時增加負荷(工況9)，節點4和5斷面最高點處的最小壓力不低于0.02MPa，不能滿足設計規范要求，其余調保計算指標滿足設計規范的要求。工況9節點4和5壓力波動圖如圖2所示。

圖2 工況9，引水系統3/4/5/6/9節點壓力波動圖

3 結論

鑒于設調壓井的長距離有壓引水系統布置的復雜性，如何準確的計算機組進水閥門的關閉時間和避免對機組安全運行極為不利的組合工況是該類工程設計時急需考慮的問題[7]。對格鬧河水電站機組調節保證可能出現的各工況計算結果分析，得出以下結論。

(1)上游處于最低發電水位，電站機組甩負荷后，兩臺機組不應同時增負荷，應一臺機組增負荷到穩定運行之后再給另一臺機組增加負荷。

(2)由于電站引水隧洞較長，為了電站安全運行，不建議電站超出力運行。

此外，對于格鬧河水電站還有一些特殊工況需要進一步研究，如“兩臺機組在最大水頭情況下甩110%額定負荷(相當于工況5的超負荷工況，校核最大蝸殼壓力)”等。