朱燁華

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

吉林臺(tái)二級(jí)水電站總裝機(jī)50MW，裝機(jī)2臺(tái)，單機(jī)容量25MW。引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段、調(diào)壓井段、高壓管道段、出口段組成，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)1.72km，其中引水隧洞段長(zhǎng)1.51km，縱坡i=1/377.5?？紤]到長(zhǎng)隧洞、中等水頭、水電站在系統(tǒng)中基荷運(yùn)行，為了保證供電周波穩(wěn)定及降低高壓管道中的水擊壓力，在引水隧洞末端設(shè)置了阻抗式調(diào)壓井。

考慮電站引水發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)度較大，且設(shè)有調(diào)壓室，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)行水力過渡過程計(jì)算，以獲得最優(yōu)的引水發(fā)電系統(tǒng)洞徑、調(diào)壓室尺寸和水輪發(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)

水電站基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 水電站和機(jī)組主要參數(shù)

續(xù)表

1.2 引水發(fā)電系統(tǒng)

吉林臺(tái)二級(jí)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖見圖1。輸水管道編號(hào)及參數(shù)見表2。

圖1 吉林臺(tái)二級(jí)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表2 輸水管道編號(hào)及參數(shù)

2 計(jì)算主要采用的數(shù)學(xué)模型

吉林臺(tái)二級(jí)水電站水力過渡過程計(jì)算與分析涉及:

(1)任意管道水流運(yùn)動(dòng)基本方程。

(2)上游、下游水庫(kù)端邊界條件。

(3)調(diào)壓室邊界條件。

(4)轉(zhuǎn)輪邊界條件。

(5)多機(jī)系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)初值計(jì)算。

(6)調(diào)速器方程。

3 計(jì)算采用的工況

3.1 計(jì)算工況選取原則

計(jì)算工況的選擇主要原則是:

(1)水電站在過渡過程計(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)在過渡過程計(jì)算中可能出現(xiàn)的上游、下游及調(diào)壓井涌浪極值工況。

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

(4)小波動(dòng)的工況。(5)水力干擾的工況。

3.2 計(jì)算工況的選取

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

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 上游調(diào)壓室體型尺寸優(yōu)化

本水電站設(shè)置的上游調(diào)壓室為阻抗式調(diào)壓井，其主要體型參數(shù)包括:阻抗孔 (連接管)面積 (或直徑)、調(diào)壓井面積及其頂板、底板高程。其中阻抗孔 (連接管)面積決定上游調(diào)壓室反射水錘波的性能，并和調(diào)壓井面積共同決定上游調(diào)壓室最低水位、最高水位和工程量，因此，這兩個(gè)參數(shù)的合理取值是至關(guān)重要的。

表3 計(jì)算工況及其說明

續(xù)表

表4 組合工況及其說明

在機(jī)組關(guān)閉規(guī)律按15s一段直線關(guān)閉，GD2按2500t·m2的前提下，經(jīng)對(duì)表3和表4所列工況進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論:

(1)加大調(diào)壓室面積可在一定程度上改善上游系統(tǒng)的最小壓力及調(diào)壓室的最低涌浪;在調(diào)壓井直徑給定情況下，隨著阻抗孔尺寸的逐漸加大，調(diào)壓室最低涌浪降低及底部最小壓力均逐漸加大。阻抗孔口較小時(shí)，調(diào)壓室最低涌浪為機(jī)組增負(fù)荷時(shí)水位波動(dòng)下降的第一幅值;阻抗孔口較大時(shí)，調(diào)壓室最低涌浪為機(jī)組全甩負(fù)荷后水位波動(dòng)的第二幅值。

(2)加大調(diào)壓室面積可在一定程度改善上游系統(tǒng)的最大壓力，降低了上游調(diào)壓室的最高涌浪，在調(diào)壓井面積給定情況下，隨著阻抗孔口尺寸的逐漸加大，調(diào)壓室最高涌浪逐漸加大，蝸殼末端最大壓力逐漸減小。

(3)根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于吉林臺(tái)二級(jí)水電站輸水系統(tǒng)的上游調(diào)壓室具體尺寸擬定:調(diào)壓井底板高程 (阻抗孔口頂部高程)為1266.00m;阻抗孔口直徑D為6.0m;調(diào)壓井直徑為23.0m;調(diào)壓井頂部高程取1295.00m，調(diào)壓井高度為29m。

4.2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

對(duì)于本電站，由于尾水道很短，尾水管進(jìn)口最小壓力很容易滿足計(jì)算要求，而引水道相對(duì)較長(zhǎng)，蝸殼末端最大壓力較難滿足要求。而蝸殼末端最大壓力受水錘壓力與調(diào)壓室涌浪壓力兩方面控制，前者系水體彈性引起，發(fā)生時(shí)間較早，后者系引水道水體慣性引起，發(fā)生時(shí)間在調(diào)壓室涌浪最高時(shí)刻，取決于調(diào)壓室涌浪的周期，相對(duì)較晚，通常關(guān)閉規(guī)律的改變對(duì)于水錘壓力會(huì)起到良好效果，但對(duì)改善調(diào)壓室涌浪壓力效果甚微。

由于導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對(duì)引水系統(tǒng)的水錘壓力與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率的大小影響較大，它決定于調(diào)速系統(tǒng)特性，而且在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，采用合理的關(guān)閉規(guī)律降低水錘壓力與限制機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，不需要額外增加電站機(jī)組投資，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。但導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化存在一定的不確定性，對(duì)于分段折線關(guān)閉規(guī)律由于優(yōu)化參數(shù)較多影響尤為明顯。同時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律受調(diào)速系統(tǒng)本身性能影響，實(shí)際運(yùn)行時(shí)接力器行程的折點(diǎn)位置不可能與調(diào)保計(jì)算結(jié)果完全一致，如果折點(diǎn)位置偏差較大，再加上引水系統(tǒng)與機(jī)組本身存在的某些不確定的時(shí)變因素，都可能使原優(yōu)化得到的關(guān)閉規(guī)律偏離優(yōu)化目標(biāo)，給電站安全運(yùn)行帶來隱患。

為此，對(duì)一段直線關(guān)閉規(guī)律與兩段折線關(guān)閉規(guī)律均進(jìn)行了研究。計(jì)算前提為:GD2取2500t·m2;上游調(diào)壓室型式為阻抗式，調(diào)壓室的底板高程(阻抗孔口頂部高程)取1266.00m，調(diào)壓室直徑取23.0m，阻抗孔口直徑取6.0m。

經(jīng)對(duì)表3和表4所列工況進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論:

(1)較優(yōu)的一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)間為15s。此時(shí)調(diào)壓室最高涌浪為1293.7m，蝸殼末端最大壓力為63.4m，最大轉(zhuǎn)速升高率為52%，均有一定的安全裕量。

(2)采用12～20s(折點(diǎn)0.5)的兩段折線關(guān)閉規(guī)律，蝸殼末端最大壓力及轉(zhuǎn)速上升率均較15s一段直線關(guān)閉規(guī)律有一定改善。此時(shí)調(diào)壓室最高涌浪為1293.7m，蝸殼末端最大壓力為62.7m，最大轉(zhuǎn)速升高率為49%。

4.3 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量敏感性分析

為了比較分析機(jī)組GD2值改變對(duì)輸水系統(tǒng)及機(jī)組有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響關(guān)系，并為機(jī)組GD2值的選取提供依據(jù)，對(duì)機(jī)組GD2取不同數(shù)值進(jìn)行過渡過程比較計(jì)算。

在計(jì)算過程中，GD2的變化范圍為1750～3250t·m2，即為基本資料給定的GD2取值2500t·m2的0.7～1.3倍，以便考察分析GD2值在較大范圍內(nèi)改變時(shí)對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)值的影響關(guān)系。機(jī)組關(guān)閉時(shí)間考慮15s一段直線關(guān)閉規(guī)律及12～20s(折點(diǎn)0.5)的兩段折線關(guān)閉規(guī)律，即當(dāng)開度大于0.5時(shí)采用斜率為1/12的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉，開度小于0.5時(shí)采用斜率為1/20的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉。

經(jīng)對(duì)表3和表4所列工況進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論:

(1)通常情況下，機(jī)組GD2值增大，對(duì)于水電站水力—機(jī)械系統(tǒng)過渡過程是有利的。對(duì)于常規(guī)高比速混流式的水電機(jī)組，如果關(guān)機(jī)規(guī)律不變，流量變化主要源于導(dǎo)葉開度變化，轉(zhuǎn)速變化對(duì)其影響很小，故機(jī)組GD2值增大主要體現(xiàn)在βmax的減小，對(duì)壓力控制值影響不大。

(2)對(duì)于15s一段直線關(guān)閉，機(jī)組GD2值減小20%～30%時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率在57%～60%之間，機(jī)組GD2值減少10%以內(nèi)時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率在50% ～54%之間，機(jī)組GD2值增加10%及以上時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率可控制在50%以內(nèi);對(duì)于12～20s(折點(diǎn)0.5)的兩段折線關(guān)閉規(guī)律，機(jī)組GD2值減小20% ～30%時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率在54% ～57%之間，機(jī)組GD2值減小10% ～20%時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率在51%～54%之間，機(jī)組GD2值不小于2500t·m2時(shí)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率可控制在50%以內(nèi)。

(3)增加機(jī)組GD2值雖可以減小甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速的上升，但機(jī)組GD2值增大，相應(yīng)的工程投資將加大。由導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果可知機(jī)組GD2值取25010.7kN·m2時(shí)，調(diào)保參數(shù)均能滿足要求，并有一定的安全裕量，故對(duì)于吉林臺(tái)二級(jí)水電站，建議機(jī)組GD2值取2500t·m2，如果實(shí)際GD2大于2500t·m2，理論上將更安全。

4.4 輸水系統(tǒng)及機(jī)組大波動(dòng)過渡過程計(jì)算分析

為了確定有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的控制值及其過渡過程本身變化規(guī)律，經(jīng)對(duì)表3和表4所列工況進(jìn)行計(jì)算，其中:機(jī)組的GD2取25010.7kN·m2，機(jī)組開啟規(guī)律采用30s一段直線開啟規(guī)律;機(jī)組關(guān)閉規(guī)律采用了兩種關(guān)閉規(guī)律:①15s一段直線關(guān)閉規(guī)律;②兩段折線關(guān)閉規(guī)律，即當(dāng)開度大于0.5時(shí)采用斜率為1/12的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉，開度小于0.5時(shí)采用斜率為1/20的直線關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉導(dǎo)葉。計(jì)算結(jié)論如下:

(1)大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求，并存在一定的安全裕量。一段直線關(guān)閉規(guī)律與兩段折線關(guān)閉規(guī)律的壓力變化計(jì)算結(jié)果相差不大，主要差別體現(xiàn)在機(jī)組最大轉(zhuǎn)速變化上。

(2)上游調(diào)壓室結(jié)構(gòu)尺寸采用調(diào)壓室體型優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果，最高、最低涌浪均滿足規(guī)范要求。

4.5 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

4.5.1 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)及上游、下游水位擾動(dòng)均是微小量，并對(duì)其進(jìn)行線性化處理。為偏于安全，假定本水電站單獨(dú)運(yùn)行，即不考慮電力系統(tǒng)的影響。

由于水電站水力—機(jī)械系統(tǒng)的小波動(dòng)穩(wěn)定性與水輪機(jī)的水頭損失系數(shù)、工作水頭有關(guān)，水頭損失系數(shù)越小、工作水頭越小，穩(wěn)定性越差。同時(shí)，在考慮水輪機(jī)機(jī)組及調(diào)速器的特性后，系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性也與機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)的特性參數(shù)有關(guān)。因此，針對(duì)輸水系統(tǒng)水頭損失系數(shù)最小同時(shí)最小水頭滿出力運(yùn)行工況以及接近空載運(yùn)行工況分別對(duì)應(yīng)兩種型式 (PI型、PID型)調(diào)速器的參數(shù)整定值(按Stein估算公式整定)進(jìn)行系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算比較分析，其結(jié)論如下:

(1)從調(diào)壓室水位波動(dòng)來看，各工況調(diào)壓室水位波動(dòng)均在允許的范圍內(nèi)。

(2)從機(jī)組轉(zhuǎn)速變化來看，所有工況均能進(jìn)入±0.4%帶寬，水電站調(diào)節(jié)品質(zhì)良好，其中在最小水頭接近于空載發(fā)電工況下，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

4.5.2 水力干擾計(jì)算

對(duì)機(jī)組的水力干擾工況進(jìn)行分析計(jì)算后得出如下結(jié)論:

(1)單機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，采用直線關(guān)閉規(guī)律與采用兩段折線關(guān)閉規(guī)律結(jié)果相差不大，主要差別在機(jī)組最大轉(zhuǎn)速變化和蝸殼末端最大壓力上，未甩機(jī)組由于水力干擾，最大軸力矩上升了21.4%，由于上游調(diào)壓室的水位波動(dòng)的影響，機(jī)組力矩衰減比較慢，800s后的擺動(dòng)不到6%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)單機(jī)增負(fù)荷時(shí)，正常運(yùn)行機(jī)組由于水力干擾，最小軸力矩下降了17.9%，由于上游調(diào)壓室的水位波動(dòng)的影響，機(jī)組力矩衰減比較慢，450s后的擺動(dòng)不到7%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(3)對(duì)于吉林臺(tái)二級(jí)電站，在開度較大情況下，機(jī)組特性曲線較平緩，只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動(dòng)過程總是穩(wěn)定的。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。但為了保證水力—機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使其具有良好的魯棒性，緩沖時(shí)間常數(shù)Td不應(yīng)小于6s，緩沖強(qiáng)度 (暫態(tài)轉(zhuǎn)差率)不應(yīng)小于0.6;接近空載出力時(shí)，緩沖時(shí)間常數(shù)Td不應(yīng)小于10s，緩沖強(qiáng)度 (暫態(tài)轉(zhuǎn)差率)不應(yīng)小于0.6。

(4)關(guān)于本水電站的水力干擾計(jì)算，主要進(jìn)行了單機(jī)甩負(fù)荷與單機(jī)啟動(dòng)的計(jì)算，調(diào)節(jié)模式根據(jù)水電站將來實(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，各種計(jì)算指標(biāo)均能夠滿足要求，但計(jì)算中由于無法涉及壓力脈動(dòng)影響，尤其在一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速上升最大時(shí)刻附近，實(shí)測(cè)的機(jī)組壓力脈動(dòng)將會(huì)比計(jì)算值稍大。

5 結(jié)語

通過大量計(jì)算，對(duì)于吉林臺(tái)二級(jí)水電站，可得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)采用一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，機(jī)組最短關(guān)閉時(shí)間為15s，正常工況下蝸殼末端最大壓力為62.5m，有一定的安全裕量。

(2)當(dāng)采用分段折線關(guān)閉規(guī)律 (12～20s，折點(diǎn)0.5)時(shí)，只要關(guān)閉規(guī)律的折點(diǎn)及相關(guān)斜率設(shè)計(jì)的合適，系統(tǒng)的調(diào)保參數(shù)可較直線關(guān)閉規(guī)律有一定的改善。

(3)大波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求，并存在一定的安全裕量。

(4)在開度較大情況下，機(jī)組特性曲線較平緩，只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動(dòng)過程總是穩(wěn)定的。

(5)加大調(diào)壓室面積一定程度改善上游系統(tǒng)的最大壓力，降低了上游調(diào)壓室的最高涌浪，在調(diào)壓井面積給定情況下，隨著阻抗孔口尺寸的逐漸加大，調(diào)壓室最高涌浪逐漸加大，蝸殼末端最大壓力逐漸減小。

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

2 DL/T 5186—2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］

3 張建，朱燁華.吉林臺(tái)二級(jí)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程分析專題報(bào)告［R］