朱燁華

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000）

1 前言

吐木秀克水電站為地面式廠房，額定水頭75.5m，裝機(jī)48MW，裝設(shè)2臺24MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)布置方式，壓力管總長為896m。壓力引水系統(tǒng)的ΣLV值為3548m2／s，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw＝4.7s＞4s。根據(jù)規(guī)范應(yīng)設(shè)置調(diào)壓設(shè)施，但受電站地質(zhì)、地形等諸多方面條件的制約，不宜設(shè)置調(diào)壓井，故采用設(shè)置調(diào)壓閥方案，調(diào)壓閥直徑暫取1.6m。

在招標(biāo)設(shè)計(jì)前期，針過對國內(nèi)部分已建成的、運(yùn)用調(diào)壓閥作為調(diào)壓方式的電站進(jìn)行收資、調(diào)研以及向調(diào)壓閥生產(chǎn)商調(diào)研和相關(guān)科研單位進(jìn)行咨詢，得出以下結(jié)論：從國內(nèi)已建電站的運(yùn)行實(shí)例來看，目前調(diào)壓閥的理論水平已經(jīng)相當(dāng)完善，小口徑調(diào)壓閥的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，實(shí)際運(yùn)行中也能夠起到相應(yīng)的作用。但大口徑調(diào)壓閥在國內(nèi)電站運(yùn)用的較少，大部分大口徑調(diào)壓閥 （Φ＞1000mm）均運(yùn)用在供水工程及水庫大壩放空上，缺乏在電站實(shí)際運(yùn)用的先例。目前國內(nèi)唯一與土木秀克調(diào)壓閥運(yùn)用方式相近的電站是鐵索橋二級水電站，但該電站尚未建成，參考意義不大。

為此，根據(jù)工程實(shí)際情況，在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了水力過渡過程數(shù)值計(jì)算，以明確電站的調(diào)壓方式、優(yōu)化壓力鋼管的合理尺寸，優(yōu)化水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉規(guī)律和關(guān)閉時(shí)間，合理選擇機(jī)組的GD2值。

2 優(yōu)化計(jì)算方法

吐木秀克水電站水力過渡過程計(jì)算采用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算和分析，按水、機(jī)、電聯(lián)合過渡過程進(jìn)行計(jì)算，其中水力學(xué)計(jì)算基于有壓管道非恒定流連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程的特征線性法求解，以水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)方程、調(diào)速器調(diào)節(jié)方程、上下游閘門井節(jié)點(diǎn)控制方程、調(diào)壓閥節(jié)點(diǎn)控制方程及電網(wǎng)等作為邊界條件。考慮水體及管壁彈性、水力摩阻后，采用了非恒定有壓流的水擊方程進(jìn)行計(jì)算。

3 調(diào)保計(jì)算控制條件

吐木秀克水電站調(diào)保計(jì)算的控制條件為：

（1）機(jī)組蝸殼末端最大內(nèi)水壓力 Hcmax≤110.0m；

（2）機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率βmax≤55%；

（3）機(jī)組轉(zhuǎn)輪出口 （即尾水管進(jìn)口）最大內(nèi)水壓力 HWmax≥－8.0m；

（4）輸水道全線洞頂最小內(nèi)水壓力 HAmax≥2.0m。

4 控制工況的確定

通常狀況下，電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算過程中的控制工況多為大波動(dòng)工況。經(jīng)分析認(rèn)為，吐木秀克水電站的主要大波動(dòng)工況如表1所示。

表1 大波動(dòng)計(jì)算工況及其說明

5 調(diào)壓方式優(yōu)化

可研階段擬采用調(diào)壓閥作為電站的主要調(diào)壓設(shè)施，經(jīng)調(diào)研及向有關(guān)科研單位咨詢，認(rèn)為還可采取加大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及加大壓力引水管道直徑的方式以避免設(shè)置調(diào)壓閥。因此，在水力過渡過程數(shù)值計(jì)算時(shí)對機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及壓力引水管道直徑進(jìn)行了敏感性分析。

5.1 水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

根據(jù)可研階段設(shè)計(jì)方案，引水壓力主管管徑取5.2m，GD2取710t·m2，以此為前提對導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，單純通過改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律難以同時(shí)滿足蝸殼最大動(dòng)水壓力值和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值的要求，故仍需通過采取其他工程措施以滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

5.2 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2敏感性分析

5.2.1 一段直線關(guān)閉規(guī)律下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量敏感性分析

圖1 一段直線（12s，15s，18s）關(guān)閉規(guī)律示意圖

當(dāng)壓力管道洞徑為5.2m時(shí)，如機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過小，采用一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大壓力控制值與轉(zhuǎn)速最大上升值將無法協(xié)調(diào)。故在保持壓力管道洞徑不變的情況下，研究增加機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對于調(diào)保計(jì)算結(jié)果的影響。具體關(guān)閉規(guī)律及計(jì)算數(shù)值見圖1與表2。

表2 改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的一段直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算結(jié)果

由表2可知，如需將蝸殼進(jìn)口最大壓力限制在110.0m之內(nèi)，則機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量至少需加大至780t·m2，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間至少需要15s以上?？紤]到最大壓力升高率保證值計(jì)算值存在誤差，計(jì)算值中也未包括甩負(fù)荷時(shí)蝸殼中壓力脈動(dòng)，故為安全起見，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)不小于800t·m2。采用15s的一段直線關(guān)閉規(guī)律，此時(shí)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力為109.2m，壓力上升率為45.6%；最大轉(zhuǎn)速上升達(dá)到512.1r／min，轉(zhuǎn)速上升率53.6%，均有一定裕量。

5.2.2 兩段折線關(guān)閉規(guī)律下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量敏感性分析

當(dāng)壓力管道洞徑為5.2m時(shí)，經(jīng)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，即使采用兩段直線關(guān)閉規(guī)，如果機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過小，仍無法滿足調(diào)保計(jì)算控制值要求。具體關(guān)閉規(guī)律及計(jì)算數(shù)值見圖2與表3。

圖2 兩段折線（10～25s（折點(diǎn)0.7））關(guān)閉規(guī)律示意圖

由表3的計(jì)算結(jié)果可以看出：采用先快后慢折線關(guān)閉規(guī)律，將最大水錘的發(fā)生值控制在慢關(guān)段，使壓力分布較直線關(guān)閉規(guī)律更均勻，同時(shí)由于先快關(guān)，較大的削減了流向水輪機(jī)的流量，導(dǎo)致水動(dòng)力矩降低，使最大轉(zhuǎn)速峰值也得到了很好的改善，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于700t·m2時(shí)即可近似滿足調(diào)保要求，如機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為800t·m2，采用優(yōu)化的折線關(guān)閉規(guī)律理論上可將最大水錘壓力上升控制在45%，最大轉(zhuǎn)速上升控制在50%以內(nèi)，有較大的安全余量。

表3 改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的兩段折線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算結(jié)果

5.3 輸水系統(tǒng)洞徑敏感性分析

吐木秀克水電站的引水洞長約900m，在導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律相同的條件下，增大引水系統(tǒng)洞徑可有效降低蝸殼末端壓力，可研階段設(shè)計(jì)的引水壓力主管管徑為5.2m，GD2為700t·m2。

現(xiàn)分別以GD2為700、750、800t·m2，壓力鋼管主管管徑為5.0、5.2、5.4、5.6、5.8m 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 不同GD2、不同洞徑的兩段折線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算結(jié)果

由表4的計(jì)算結(jié)果可以看出：對于吐木秀克電站，當(dāng)洞徑逐步增大時(shí)，系統(tǒng)水錘壓力與轉(zhuǎn)速上升值均隨之改善。如果機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于750t·m2，洞徑為5.8m時(shí)，理論上可將系統(tǒng)最大水錘壓力上升控制在40%以內(nèi)，最大轉(zhuǎn)速上升控制在50%以內(nèi)。

5.4 調(diào)壓閥方案技術(shù)論證

5.4.1 調(diào)壓閥聯(lián)動(dòng)計(jì)算

通過對采用不同調(diào)壓閥直徑、不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律（既調(diào)壓閥開啟規(guī)律）、不同調(diào)壓閥關(guān)閉規(guī)律的大量計(jì)算，得出如下結(jié)論。

（1）在相同調(diào)壓閥直徑的前提下，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間加長，意味著調(diào)壓閥的開啟時(shí)間相應(yīng)增加，平息蝸殼進(jìn)口水錘壓力能力減弱；如果調(diào)壓閥的直徑過小，泄流能力不足，也將無法滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值的控制要求。

（2）當(dāng)調(diào)壓閥直徑大于1.0m時(shí)，只要設(shè)定的導(dǎo)葉關(guān)閉與調(diào)壓閥開啟時(shí)間不小于8s，就能夠滿足調(diào)保計(jì)算要求。

（3）當(dāng)調(diào)壓閥直徑等于1.0m時(shí)，如果設(shè)定的導(dǎo)葉關(guān)閉與調(diào)壓閥開啟時(shí)間為11s，蝸殼進(jìn)口最大壓力將降低到103.3m，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值達(dá)到487.9r／min，如設(shè)定導(dǎo)葉關(guān)閉與調(diào)壓閥開啟時(shí)間為12s，蝸殼進(jìn)口最大壓力將降低到101.5m，機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升值達(dá)到492.5r／min，均存在一定的裕量。

（4）當(dāng)調(diào)壓閥直徑大于1.2m時(shí)，蝸殼進(jìn)口最大壓力將由關(guān)閥水錘決定，說明調(diào)壓閥開啟再次關(guān)閉時(shí)的速度不能太快，最好60s以上。

5.4.2 調(diào)壓閥拒動(dòng)計(jì)算

對于吐木秀克水電站，如果設(shè)置調(diào)壓閥，則調(diào)壓閥與機(jī)組接力器將形成液壓連鎖，理論上調(diào)壓閥必然與導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)；但一旦聯(lián)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障，調(diào)壓閥無法打開，此時(shí)導(dǎo)葉要么不關(guān)、要么慢速關(guān)閉，并通過關(guān)閉機(jī)組前的進(jìn)水閥切斷水流，雖然屆時(shí)轉(zhuǎn)速將超過50%的控制值，但蝸殼進(jìn)口最大壓力不會超標(biāo)，水道安全仍可以得到保證。由于本電站的最大飛逸轉(zhuǎn)速566.7r／min，在機(jī)組導(dǎo)葉拒動(dòng)時(shí)，該值需得到保證，否則雖然水道安全得到了保證，機(jī)組的安全將得不到保證。

以調(diào)壓閥直徑1m為前提，針對調(diào)壓閥拒動(dòng)的工況進(jìn)行了大量的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)導(dǎo)葉及調(diào)壓閥均拒動(dòng)時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速雖然超過了50%，但沒有超過70%，最大達(dá)到了563.6r／min，屆時(shí)由于進(jìn)水閥動(dòng)水關(guān)閉，該值還可能進(jìn)一步降低。因此不會對電站造成太大的危害。

6 最終方案的選定

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)的方案是增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？紤]數(shù)值模擬計(jì)算存在誤差，計(jì)算值中也沒包括甩負(fù)荷時(shí)蝸殼中壓力脈動(dòng)，為確保電站長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)組合同談判時(shí)將機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由710t·m2增大至800t·m2，為此增加合同金額24萬元。

7 結(jié)語

（1）對于可行性研究階段選定的采用調(diào)壓閥作為電站調(diào)壓設(shè)施的方案，完全可以用增大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或加大輸水系統(tǒng)管徑的方法來代替。

（2）就吐木秀克水電站而言，增大輸水系統(tǒng)洞徑對調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果影響較大，由于增大輸水系統(tǒng)洞徑對電站投資有較大影響，應(yīng)通過詳細(xì)計(jì)算確定最優(yōu)洞徑。

（3）增大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增大輸水系統(tǒng)洞徑及設(shè)置調(diào)壓閥均可改善電站過渡過程計(jì)算數(shù)值，但具體采用何種方案，應(yīng)經(jīng)詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

1 DL／T 5058—1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》

2 DL／T 5186－2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》

3 張建、朱燁華 《新疆吐木秀克水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算分析專題報(bào)告》