朱燁華

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大河沿渠首水電站總裝機容量6．25MW，裝機2臺，單機容量3．125MW。引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)口閘井段、高壓管道段、叉管段、支管段組成，采用一洞兩機聯(lián)合供水的布置型式。整個引水系統(tǒng)總長約6．8km，水流慣性時間常數(shù)Tw為6．624s，機組加速時間常數(shù)Ta為4．164s，且電站無地質(zhì)、地形條件設(shè)置調(diào)壓井?？紤]到本電站為長隧洞、中高水頭、電站在系統(tǒng)中基荷運行，為降低高壓管道中的水擊壓力，提高電站的運行安全穩(wěn)定性，在機組進(jìn)口蝶閥前設(shè)置了調(diào)壓閥，同時在發(fā)電引水系統(tǒng)叉管前設(shè)置了超壓泄壓閥。

考慮電站引水發(fā)電系統(tǒng)長度大，且設(shè)有調(diào)壓閥及超壓泄壓閥，為保證電站的安全、穩(wěn)定運行，節(jié)約工程投資，需對整個引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程計算，以獲得最優(yōu)的引水發(fā)電系統(tǒng)洞涇、調(diào)壓閥尺寸和水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)保證參數(shù)。

1 計算資料

1.1 基本參數(shù)

電站基本設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 電站和機組主要參數(shù)

續(xù)表1

?

1.2 引水發(fā)電系統(tǒng)

大河沿渠首水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖見圖1所示。輸水管道編號及參數(shù)見表2。

圖1 大河沿渠首水電站引水發(fā)電系統(tǒng)簡圖

2 計算主要采用的數(shù)學(xué)模型

大河沿渠首水電站水力過渡過程計算與分析涉及到:

(1)任意管道水流運動基本方程;

(2)上、下游水庫端邊界條件;

表2 輸水管道編號及參數(shù)

(3)調(diào)壓閥邊界條件;

(4)超壓泄壓閥邊界條件;

(5)轉(zhuǎn)輪邊界條件;

(6)多機系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)初值計算;

(7)調(diào)速器方程。

3 設(shè)計控制條件

結(jié)合大河沿渠首電站的特征參數(shù)，并根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》(DL/T5186—2004)，給出該電站的調(diào)保計算控制條件:

(1)機組轉(zhuǎn)速最大上升值≤55．0%;

(2)蝸殼最大壓力升高率≤252．94m;

(3)發(fā)電引水系統(tǒng)各點壓力≥-2m;

4 計算采用的工況

4.1 計算工況選取原則

計算工況的選擇主要原則是:

(1)電站在過渡過程計算中可能出現(xiàn)的最大壓力、最小壓力和最大轉(zhuǎn)速的工況;

(2)在過渡過程計算中可能出現(xiàn)的上、下游及調(diào)壓井涌浪極值工況;

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

(4)在過渡過程計算中可能出現(xiàn)的調(diào)壓閥拒動等特殊工況;

(5)小波動工況;

(6)水力干擾的工況。

4.2 計算工況的選取

根據(jù)4．1所列原則，確定對表3所列工況進(jìn)行計算。

表3 計算工況及其說明

5 計算結(jié)果

5.1 無調(diào)保措施下的過渡過程數(shù)值計算

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》，本電站水流慣性時間常數(shù)Tw為6．624s，機組加速時間常數(shù)Ta為4．164s，理論上應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室等調(diào)保措施。

通過計算可知，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時間為5s和10s時，蝸殼末端所產(chǎn)生的最大水錘壓力分別為398．14m和384．14m，兩者數(shù)值上的差別主要由水力損失引起，直接水錘的大小與導(dǎo)葉關(guān)閉時間、輸水系統(tǒng)水頭損失有一定關(guān)系;而與直接水錘公式得出的壓力值的差別，還與系統(tǒng)的簡化及相關(guān)參數(shù)的近似取值有關(guān)。

數(shù)值計算結(jié)果還表明，當(dāng)機組關(guān)閉時間為5s時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為47．7%，在轉(zhuǎn)速控制標(biāo)準(zhǔn)55%以內(nèi);但此時的壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力控制值252．94m;相關(guān)計算表明，若壓力控制在允許值內(nèi)，導(dǎo)葉關(guān)閉時間需大于25s。因此，在無調(diào)保措施下，單純采用調(diào)整關(guān)閉規(guī)律的方法是無法解決水錘壓力上升與機組轉(zhuǎn)速上升的矛盾的，數(shù)值計算得出的結(jié)果進(jìn)一步證明了渠首電站設(shè)置調(diào)保措施的必要性。

5.2 機組轉(zhuǎn)動慣量敏感性分析

通常情況下，機組轉(zhuǎn)動慣量GD2值增大，對于水電站水力—機械系統(tǒng)過渡過程是有利的，但同時也會增加電站的投資。對于常規(guī)水輪發(fā)電機組，GD2值增大會有效降低控制工況下機組的最大轉(zhuǎn)速上升率，同時對蝸殼末端最大壓力也有一定的改善作用。

針對機組導(dǎo)葉及調(diào)壓閥拒動，超壓泄壓閥不開啟的情況，擬定以下控制工況:

控制工況A:前池最高水位為1467．984m，下游正常尾水位1271．23m，超出力，額定流量，機組導(dǎo)葉拒動，調(diào)壓閥拒動，超壓泄壓閥不開啟。

計算結(jié)果見表4。

表4 機組GD2優(yōu)化計算結(jié)果

從表4中的計算結(jié)果可以看出，機組GD2對機組轉(zhuǎn)速上升影響很大，隨著機組GD2的增大，可以很好的降低由于轉(zhuǎn)速上升引起的蝸殼末端壓力的增大。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)機組GD2=35t·m2時，超壓泄壓閥前最大壓力為214．06m，小于215．0m。因此，當(dāng)機組導(dǎo)葉及調(diào)壓閥均拒動時，如若不希望設(shè)置的超壓泄壓閥開啟，則需要增大機組的GD2至 35t·m2。

5.3 機組-調(diào)壓閥啟閉規(guī)律優(yōu)化

本電站設(shè)置的全油壓控制調(diào)壓閥，其主要參數(shù)為閥門口徑，該參數(shù)的合理取值至關(guān)重要。

在機組GD2為5t·m2的前提下，經(jīng)對表4所列工況進(jìn)行計算，得出如下結(jié)論:

(1)最優(yōu)調(diào)壓閥直徑為0．3m，推薦的機組-調(diào)壓閥啟閉規(guī)律為導(dǎo)葉以9s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時調(diào)壓閥以9s一段直線聯(lián)動開啟，達(dá)到全開并滯后10s后，調(diào)壓閥再以180s一段直線規(guī)律關(guān)閉。

(2)考慮到調(diào)壓閥正常工作時必須保證超壓泄壓閥不動作，并且需要留有足夠的安全裕量，故推薦超壓泄壓閥的動作壓力整定為225．0m。

(3)調(diào)壓閥后與下庫連接的管段末端最小壓力達(dá)到了約-1．0m，雖然真空度仍小于8m，滿足相關(guān)調(diào)保要求，但應(yīng)適當(dāng)增大調(diào)壓閥后的連接管直徑，以減小流速水頭改善負(fù)壓。

5.4 超壓泄壓閥直徑及開啟時間優(yōu)化

對于渠首水電站，水錘防護(hù)措施擬采用調(diào)壓閥-超壓泄壓閥裝置代替調(diào)壓井的方案。當(dāng)機組突甩負(fù)荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉時，通過開啟調(diào)壓閥，泄放一定流量，從而限制引水系統(tǒng)中的水壓升高值。此外，在引水道上裝設(shè)了超壓泄壓閥，作為后備安全保護(hù)措施，一旦調(diào)壓閥拒動、壓力超過超壓泄壓閥整定值，則超壓泄壓閥自動打開，泄放一定流量，仍可保證壓力管道的壓力在控制標(biāo)準(zhǔn)以下。

5.4.1 超壓泄壓閥直徑優(yōu)化

在機組GD2=5．0t·m2，調(diào)壓閥拒動，機組快關(guān)時間為9s一段直線的前提下，對各種控制工況和水力干擾工況進(jìn)行大量計算后得到如下結(jié)論:

(1)超壓泄壓閥閥徑越大，泄流量越大，壓力下降值越大;但泄流量增大的同時，會造成尾水管進(jìn)口及引水系統(tǒng)部分管道最小壓力較小，嚴(yán)重時會產(chǎn)生負(fù)壓，這在壓力管道中是不允許出現(xiàn)的。

(2)當(dāng)單個超壓泄壓閥直徑為0．3m時，其最大泄流量僅為2．82m3/s，超壓泄壓閥開啟后，蝸殼末端最大壓力達(dá)到 249．87m，距控制標(biāo)準(zhǔn)252．94m僅有3．07m的安全裕量，相對較小，且機組最大轉(zhuǎn)速上升率超過控制值55%。

(3)當(dāng)超壓泄壓閥直徑為0．45m及0．50m時，其泄流量分別為5．53m3/s和6．51m3/s，因此，在降壓效果上表現(xiàn)顯著。超壓泄壓閥開啟后，蝸殼末端最大壓力均為224．19m。但在發(fā)生水力干擾工況時，超壓泄壓閥會突然開啟，從而導(dǎo)致引水系統(tǒng)初始壓力較低處產(chǎn)生負(fù)壓。

(4)當(dāng)超壓泄壓閥直徑分別為0．35m及0．40m的情況，超壓泄壓閥的最大流量分別為3．55m3/s及4．50m3/s。超壓泄壓閥開啟后，蝸殼末端最大壓力分別為228．89m及224．19m，降壓效果差別不大。理論上來說，最優(yōu)超壓泄壓閥直徑應(yīng)是最大泄流量等于系統(tǒng)的額定流量;考慮到在水力干擾工況下，被干擾機組出力不應(yīng)發(fā)生大的擾動，因此超壓泄壓閥的泄流量亦不宜過大。故推薦選取直徑0．35m的超壓泄壓閥，最大泄流量為3．55m3/s，略小于額定流量4．17m3/s。

5.5 水力—機械系統(tǒng)小波動穩(wěn)定性分析及水力干擾計算

5.5.1 小波動穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行水力—機械系統(tǒng)小波動穩(wěn)定性分析時，采用剛性水錘假定，并認(rèn)為負(fù)荷擾動及上、下游水位擾動均是微小量，并對其進(jìn)行線性化處理。

(1)對于渠首水電站，由于電站引水壓力管道過長(約6722m)，考慮水體彈性的小波動復(fù)核相較于剛性假定的小波動理論分析，振蕩次數(shù)更多，衰減度更小，調(diào)節(jié)周期更長，理論上應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室;而作為調(diào)保設(shè)施而設(shè)置的調(diào)壓閥及超壓泄壓閥對小波動過渡過程無影響，因此，渠首水電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，但只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定，系統(tǒng)的小波動過程是能夠穩(wěn)定的;

(2)對于PI型、PID型調(diào)速器，當(dāng)參數(shù)均按Stein估算公式整定時，在相同的計算工況下，采用PID型調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好;

(3)電站的小波動穩(wěn)定性與機組運行工況點密切相關(guān)，當(dāng)水輪機在并網(wǎng)前后空載運行時，由于開度較小，工況點本身的穩(wěn)定性較差;而且在機組空載工況時，沒有負(fù)載的自調(diào)節(jié)作用，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較差，應(yīng)結(jié)合調(diào)速器參數(shù)的整定，共同優(yōu)化這一暫態(tài)過程。

5.5.2 水力干擾計算

對于渠首電站的水力干擾計算，主要進(jìn)行了一臺機組甩負(fù)荷時另一臺機組啟動的計算，調(diào)節(jié)模式根據(jù)電站將來實際的運行情況，采用功率調(diào)節(jié)。相關(guān)計算結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)水力干擾時，被干擾機組的水頭、流量、效率、機組軸力矩均會發(fā)生了相應(yīng)變化，但各種計算指標(biāo)均能夠滿足要求，但由于計算中由于無法涉及壓力脈動影響，尤其在一臺機組甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速上升較大時，實測的機組壓力脈動將會較大，故將來的機組招標(biāo)選型時，需對壓力脈動指標(biāo)要有一定控制。

6 結(jié)語

通過大量計算，對于大河沿渠首水電站，可得出如下結(jié)論:

(1)為保證渠首水電站運行安全，必須設(shè)置調(diào)保措施。

(2)通過對各種控制工況下機組-調(diào)壓閥不同的啟閉規(guī)律計算后可以看出，蝸殼末端最大壓力發(fā)生在調(diào)壓閥關(guān)閥時間結(jié)束時刻，另外考慮到超壓泄壓閥工作壓力的整定，對于推薦采用的閥徑0．3m的調(diào)壓閥方案，建議機組-調(diào)壓閥9s以一段直線聯(lián)動啟閉，調(diào)壓閥保持最大開度10s后再以180s一段直線關(guān)閉。

(3)推薦超壓泄壓閥閥徑為0．35m，開啟時間5s。此時超壓泄壓閥過流量約3．55m3/s，流速水頭較大，因此，管道中會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)壓。推薦將聯(lián)接超壓泄壓閥管道的直徑至少增至0．7m。

［1］DL/T 5058—1996．水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，1996．

［2］DL/T 5186—2004．水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，2004．