黃正財，鄭錄艷，楊 超，張建勛

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 概述

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程為大型(Ⅰ)等工程，由水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)骨干輸水工程等組成，其開發(fā)任務(wù)以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。夾巖水庫壩址位于畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)與納雍縣界河六沖河中游潘家?guī)r處，水庫壩后設(shè)有水電站一座，布置于大壩右岸下游沖溝出口，采用地面式廠房，一管三機布置型式，總裝機為90MW，保證出力為10.3MW，多年平均發(fā)電量為2.198億kW·h。電站采用“無人值班，少人值守”的計算機監(jiān)控運行方式，投產(chǎn)后并入貴州主網(wǎng)，無近區(qū)供電，在電力系統(tǒng)中主要擔任腰荷、調(diào)峰作用。夾巖壩后電站水文參數(shù)見表1。

表1 壩后電站水文參數(shù)表

2 計算方法與指標

2.1 計算理論及方法

水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要是有壓管道非恒定流的計算，機組是主要的邊界條件，其它邊界條件主要為水庫、岔管和調(diào)壓室等。其計算通常采用特征線法，是有壓管道非恒定流計算的主流方法，便于編程計算。有壓管道非恒定流基本方程為：

連續(xù)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；V—管道斷面的平均流速；A—管道斷面面積；Ax—管道斷面面積隨x軸線的變化率，θ—管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角；S—濕周；f—Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；α—水擊波傳播速度。

本電站大波動算法采用基于特征線法的計算機模擬仿真計算方法，其計算成果可為電站動態(tài)調(diào)試提供重要依據(jù)。

2.2 技術(shù)指標

本電站大波度計算根據(jù)DL/T 5186—2004《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》及本電站的實際情況確定設(shè)計準則如下：

因本站機組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮螅也粨握{(diào)頻，因此機組甩全負荷的最大轉(zhuǎn)速升高率小于60%。

機組甩全負荷的，最大蝸殼壓力升高率保證值小于30%。

機組甩全負荷時，尾水管內(nèi)的最大真空度不大于8m水柱。

3 基本參數(shù)

夾巖壩后電站為引水式電站，引水隧洞洞徑為6.8m，長為314.332m，后接壓力鋼管主管段，管徑為5.1m，長為289.203m，后接1#岔管，1#岔管后接2#岔管和3#支管(小機)，3#支管管徑為2.2m，長約為22.7m，2#岔管后接1#支管(大機)和2#支管大機，1#支管管徑為2.9m，長為15.1m)，2#支管管徑為2.9m，長為9.7m。壩后電站發(fā)電引水系統(tǒng)平面布置見圖1，引水系統(tǒng)參數(shù)見表2，機組參數(shù)見表3。

表2 引水系統(tǒng)基本參數(shù)表

表3 水輪發(fā)電機組主要參數(shù)表

圖1 壩后電站發(fā)電引水系統(tǒng)平面示意圖

4 計算工況

根據(jù)電站的運行條件和研究目的要求，本電站大波動過渡過程計算工況如下。

C1：上游水庫處于正常蓄水位1323.00m，機組在額定水頭下運行時，3臺機組同時甩滿負荷。

C2：上游水庫處于正常蓄水位1323.00m，下游處于正常尾水位1209.65m時，3臺機組同時甩滿負荷。

C3：上游處于校核洪水位1326.01m，機組處于最大水頭下運行時，3臺機甩滿負荷。

C4：在最小水頭下，3臺機甩最大負荷。

在以上所述工況下，可計算得本電站3臺機組穩(wěn)態(tài)運行的起始工況數(shù)據(jù)文件，見表4。

表4 大波動初始工況計算表

5 大波動仿真計算

依據(jù)各初始工況的機組甩負荷前參數(shù)，按導葉直線關(guān)閉時間14、15、16s進行仿真模擬計算，接力器不動時間為0.15s，其大波動計算成果見表5。

表5 導葉直線關(guān)閉(14～16s)大波動仿真計算成果

從上表大波動計算成果分析：3臺機組在4種工況下，分別采用3種導葉直線關(guān)閉規(guī)律(14、15、16s)方式，從蝸殼壓力上升、機組轉(zhuǎn)速上升和尾水真空度進行分析：

(續(xù)表4)

(1)隨著導葉直線關(guān)閉時間增加，同一工況下，機組蝸殼壓力成下降趨勢，但機組轉(zhuǎn)速上升率增加，技術(shù)指標變化趨勢合理。

(2)導葉直線關(guān)閉時間為14s時，最大蝸殼壓力升高率為30%(工況C1)，等于30%的控制性指標，無裕度。

(3)導葉直線關(guān)閉時間為16s時，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為57.4%(工況C1)，接近60%的控制性指標，裕度不大。

(4)導葉直線關(guān)閉時間為15s時，最大蝸殼壓力升高率為28.2%(工況C2)，機組最大轉(zhuǎn)速上升率為56.7%(工況C1)，滿足控制指標要求，但裕度不大。

(5)在導葉直線關(guān)閉時間為14～16s，所有工況下，機組尾水管內(nèi)最小壓力為1.78m水頭，滿足指標要求。

綜上所述，若采用導葉直線關(guān)閉方式，則推薦直線關(guān)閉時間為15s，此時大波動計算成果滿足要求，但裕度不大，為保證本電站運行更加安全可靠，應(yīng)進行導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化。

6 導葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

機組除采用導葉直線關(guān)閉方式外，還可采用導葉折線關(guān)閉方式，通常考慮兩段關(guān)閉，在調(diào)速器與導葉接力器之間增設(shè)分段關(guān)閉裝置來實現(xiàn)。結(jié)合導葉直線關(guān)閉規(guī)律下機組大波動計算成果，以及進行初算可知，導葉關(guān)閉開度折點70%以下時，對機組轉(zhuǎn)速上升率有比較大的改善，但是使機組蝸殼壓力有所上升，故考慮75%和80%兩個開度折點，第一段關(guān)閉時間為8s，第二段關(guān)閉時間為20s進行模擬計算，其成果如下：

從表6成果得出，若機組采用分段關(guān)閉方式，則機組蝸殼壓力上升率和轉(zhuǎn)速上升率均得以改善，相對裕度較大，導葉分段關(guān)閉規(guī)律推薦分段開度拐點75%，第一段關(guān)閉時間8s，第二段關(guān)閉時間為20s的關(guān)閉組合。

表6 導葉折線關(guān)閉規(guī)律計算結(jié)果表

7 成果分析

本電站運用仿真模擬對機組導葉直線關(guān)閉和折線關(guān)閉方式進行了大波動過渡過程計算，各工況下兩種關(guān)閉方式計算成果對比見表7。

表7 兩種導葉關(guān)閉方式下計算成果表

從表7分析，雖然在機組導葉直線關(guān)閉15s規(guī)律下，3臺機組計算成果滿足計算指標及規(guī)范要求，但裕度不大。經(jīng)過計算研究，考慮機組增加分段關(guān)閉裝置，設(shè)開度分段拐點為75%，第一段關(guān)閉時間為8s，第二段關(guān)閉時間為20s時，3臺機組大波動計算成果滿足指標要求，且裕度較大(指標均有5%～6%裕度)，有效改善水擊波對機組及引水系統(tǒng)的影響，機組運行更安全可靠，故推薦此分段關(guān)閉組合為本站的機組關(guān)閉規(guī)律。

在上游水庫處于正常蓄水位1323.00m，機組在額定水頭下運行時，3臺機組同時甩滿負荷的工況下(C1工況)，3臺機組在推薦導葉分段關(guān)閉組合下大波動計算成果圖如圖2—4所示。

圖2 1#機組(工況C1)推薦導葉分段關(guān)閉規(guī)律大波動計算成果圖

8 結(jié)語

水電站機組常經(jīng)歷各種動態(tài)過渡過程，如開機、停機、增負荷、減負荷、甩負荷等，其中以所有機組同時甩負荷所引起的大波動過渡過程對系統(tǒng)安全威脅最大。本電站大波動計算采用基于特征線法的計算機仿真手段，先建立引水系統(tǒng)數(shù)學模型、水輪機特性數(shù)據(jù)模型，以及機組和調(diào)速器參數(shù)等邊界條件，后給定穩(wěn)態(tài)起始條件、動態(tài)組合工況和關(guān)閉規(guī)律進行計算。夾巖壩后電站機組在導葉直線關(guān)閉方式下，計算成果接近控制指標，裕度不大，在導葉分段關(guān)閉方式下，其大波動計算成果對比控制指標有5%～6%的裕度，該導葉關(guān)閉規(guī)律最優(yōu)，此成果為機組調(diào)試運行提供重要依據(jù)。

圖3 2#機組(工況C1)推薦導葉分段關(guān)閉規(guī)律大波動計算成果圖

圖4 3#機組(工況C1)推薦導葉分段關(guān)閉規(guī)律大波動計算成果圖

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