曹春建，方 杰，陳順義，黃靖乾

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310014）

0 引 言

水力過渡過程是指水流受某種擾動由一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的過程［1］。當(dāng)水電站機(jī)組正常開停機(jī)、事故甩負(fù)荷、進(jìn)水閥非正常啟閉時(shí)，均會引起引水發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生水力過渡過程，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中管道壓力及流量、調(diào)壓室水位或者機(jī)組轉(zhuǎn)速等發(fā)生劇烈變化。特別是當(dāng)機(jī)組處于異常飛逸或制動工況時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大動負(fù)荷，并引起系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)烈壓力脈動、振動及水擊，嚴(yán)重影響到電站安全穩(wěn)定運(yùn)行［2-4］。

錦屏二級水電站總裝機(jī)容量4 800 MW，單機(jī)容量600 MW，其利用雅礱江150 km 大河彎的天然落差，通過長約16.67 km 的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。該電站有4 個(gè)水力單元，每個(gè)水力單元采用一洞兩機(jī)布置，引水系統(tǒng)由電站進(jìn)水口、進(jìn)水口事故閘門、引水隧洞、差動式調(diào)壓室、壓力管道、尾水出口事故閘門室及尾水隧洞等建筑物組成［5，6］。由于錦屏二級水電站總裝機(jī)規(guī)模、單機(jī)容量及引用流量均較大，并且其設(shè)置的超長大直徑引水隧洞、巨型差動式調(diào)壓室及大型水輪發(fā)電機(jī)組等具有水力學(xué)條件極為復(fù)雜的特點(diǎn)，因此能否準(zhǔn)確評估各種水力過渡過程工況下引水發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性是制約錦屏二級水電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一［7-9］。

由于采用物理試驗(yàn)的方法對引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程研究費(fèi)用非常昂貴，并且有時(shí)受到實(shí)際工程條件的制約而無法模擬和實(shí)現(xiàn)，因此作為對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的重要手段之一，數(shù)字仿真憑借其成本低、不受外部環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、運(yùn)行、設(shè)計(jì)等各個(gè)方面不可或缺的工具［10，11］。鑒此，本文以錦屏二級水電站為研究對象，利用復(fù)雜系統(tǒng)水力過渡過程仿真計(jì)算軟件HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，建立了完整的超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型。基于上述模型，對機(jī)組雙機(jī)同甩負(fù)荷及筒形閥動水關(guān)閉等兩種典型試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，以期為復(fù)核超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)極端控制性工況以及探討長期穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理提供可靠的仿真平臺。

1 水力過渡過程仿真模型的建立

復(fù)雜系統(tǒng)水力過渡過程仿真計(jì)算軟件HYSIM 由中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院開發(fā)，該軟件已通過第三方軟件評測，并已成功用于多個(gè)大、中型水電站［12］。在HYSIM 軟件仿真環(huán)境下，根據(jù)超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理及錦屏二級水電站實(shí)際參數(shù)，利用HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，構(gòu)建出水庫、彈性管道、差動式調(diào)壓室、混流式水輪機(jī)，筒形閥、水輪發(fā)電機(jī)等主要元素的仿真模塊，最終搭建出如圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型。

2 雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)及仿真對比分析

2.1 混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線修正

在進(jìn)行錦屏二級水電站單機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)及仿真對比研究后發(fā)現(xiàn)，機(jī)組實(shí)測轉(zhuǎn)速與計(jì)算轉(zhuǎn)速在機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線的前半段較為吻合，而在后半段則區(qū)別較大，主要表現(xiàn)在計(jì)算轉(zhuǎn)速明顯低于實(shí)測轉(zhuǎn)速。分析原因可知，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線后半段的導(dǎo)葉開度已降至為零并且處于水輪機(jī)制動區(qū)域（該區(qū)域下水輪機(jī)單位力矩為負(fù)值），當(dāng)零開度下的水輪機(jī)單位力矩計(jì)算值小于實(shí)測值時(shí)，將導(dǎo)致機(jī)組計(jì)算轉(zhuǎn)速較實(shí)測轉(zhuǎn)速更為快速地恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。鑒此，需對錦屏二級水電站混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線進(jìn)行適當(dāng)修正，修正前、后的混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線對比情況如圖2所示。

以錦屏二級水電站某單機(jī)甩負(fù)荷工況為例，混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線修正前、后的機(jī)組計(jì)算轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速變化曲線的對比情況如圖3所示。由圖3可知，修正后的機(jī)組計(jì)算轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速吻合度要明顯高于修正前，由此表明上述曲線修正的有效性。此外，由圖3還可看出，曲線修正前、后的機(jī)組最高計(jì)算轉(zhuǎn)速基本一致，由此表明混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線僅對機(jī)組轉(zhuǎn)速下降速率存在一定的影響，而對機(jī)組最高計(jì)算轉(zhuǎn)速則基本無影響。

2.2 試驗(yàn)工況

錦屏二級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)由于采用一洞兩機(jī)的布置方式，因此存在兩臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行同甩負(fù)荷的情況。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電前需完成雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)能否滿足調(diào)節(jié)保證控制要求。錦屏二級水電站7號、8號機(jī)組雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)工況表Tab.1 The double load rejection test conditions

2.3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

針對S1 工況，利用圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型，對錦屏二級水電站7 號、8 號機(jī)組進(jìn)行雙機(jī)同甩負(fù)荷仿真計(jì)算，得到的調(diào)節(jié)保證計(jì)算值與實(shí)測值的對比情況如表2所示。S1 工況下的7 號機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力及尾水管進(jìn)口壓力變化對比曲線如圖4～圖6所示。S1 工況下差動式調(diào)壓室水位變化對比曲線如圖7所示。

表2 雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果表Tab.2 The calculated values and test values of the double load rejection test

由圖4～圖7可知，計(jì)算得到的機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力以及差動式調(diào)壓室水位變化曲線與實(shí)測曲線基本吻合，并且極值發(fā)生時(shí)間基本一致。此外，由表2可知：計(jì)算得到的7 號、8 號機(jī)組最高相對轉(zhuǎn)速與實(shí)測值基本相同，最大偏差相對值分別僅為1.7%、0.5%；計(jì)算得到的7 號、8 號機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力與實(shí)測值十分接近，最大偏差相對值分別僅為0.4%、0.3%；計(jì)算得到的7 號、8 號機(jī)組尾水管進(jìn)口最小壓力與實(shí)測值略有偏差，二者偏差僅分別為2.43、3.27 m；計(jì)算得到的差動式調(diào)壓室最高、最低涌浪與實(shí)測值基本接近，二者偏差僅分別為2.99、1.1 m。由此可見，本文建立的水力過渡過程仿真模型能準(zhǔn)確反映機(jī)組雙機(jī)同甩負(fù)荷的動態(tài)響應(yīng)特性。

3 筒形閥動水關(guān)閉試驗(yàn)及仿真對比分析

3.1 筒形閥過流特性參數(shù)率定

錦屏二級水電站的每臺機(jī)組均裝設(shè)有1套筒形閥作為機(jī)組的防飛逸保護(hù)措施，筒形閥的外徑為8.6 m，是世界上應(yīng)用水頭最高、綜合難度系數(shù)最大的筒形閥。由于機(jī)組制造廠家并未給出筒形閥不同開度下的過流特性曲線，故只能在球閥、蝶閥等類似閥門過流特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，進(jìn)而使得筒形閥過流特性實(shí)測值與計(jì)算值相匹配。根據(jù)某工況下錦屏二級水電站筒形閥動水關(guān)閉時(shí)的機(jī)組流量、筒形閥前后壓力等實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合仿真計(jì)算，最終得到了錦屏二級水電站筒形閥過流特性曲線，具體如圖8所示。由圖8可知，筒形閥阻抗系數(shù)與筒形閥開度變化呈明顯的非線性特性，10%～100%開度范圍內(nèi)，筒形閥阻抗系數(shù)隨著開度減小而緩慢增長；但在0%～10%開度范圍內(nèi)，筒形閥阻抗系數(shù)隨著開度減小則急劇增加。

3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，錦屏二級水電站機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電前需完成筒形閥動水關(guān)閉試驗(yàn)，以檢驗(yàn)筒形閥水力特性及安全性指標(biāo)能否滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。錦屏二級水電站5號機(jī)組筒形閥動水關(guān)閉試驗(yàn)工況如表3所示。

表3 筒形閥動水關(guān)閉試驗(yàn)工況表Tab.3 The shun-down process test conditions of the cylinder valve

3.3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

針對TF1、TF2 工況，利用圖1所示的超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型，對錦屏二級水電站5 號機(jī)組進(jìn)行筒閥動水關(guān)閉仿真計(jì)算，得到的調(diào)節(jié)保證計(jì)算值與實(shí)測值的對比情況如表4所示。TF1、TF2工況下的5號機(jī)組過機(jī)流量、蝸殼進(jìn)口壓力及差動式調(diào)壓室水位變化對比曲線如圖9～圖14所示。

表4 筒形閥動水關(guān)閉試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果表 mTab.4 The calculated values and test values of the shun-down process test conditions for cylinder valve

由圖9～圖14可知，計(jì)算得到的機(jī)組過機(jī)流量、蝸殼進(jìn)口壓力及差動式調(diào)壓室水位變化曲線與實(shí)測曲線基本吻合。同時(shí)，還可看出筒形閥關(guān)閉下的機(jī)組流量特性與導(dǎo)葉關(guān)閉下的機(jī)組流量特性存在較大差異。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，機(jī)組過機(jī)流量與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律基本一致；而當(dāng)筒形閥關(guān)閉時(shí)，機(jī)組過流特性則類似于進(jìn)水球閥，即小開度時(shí)流量變化速率急劇升高并且大于導(dǎo)葉關(guān)閉速率，進(jìn)而導(dǎo)致蝸殼進(jìn)口壓力迅速增大。此外，由表4可知，計(jì)算得到的TF1、TF2 工況下蝸殼進(jìn)口壓力與實(shí)測值均基本相符，最大偏差相對值僅分別為1.12%、0.78%；計(jì)算得到的TF1、TF2工況下的差動式調(diào)壓室最高涌浪水位與實(shí)測值基本接近，二者偏差僅分別為3.23、2.72 m；計(jì)算得到的TF1、TF2 工況下的差動式調(diào)壓室最低涌浪水位與實(shí)測值基本接近，二者偏差僅分別為0.84、1.12 m。由此可見，本文建立的水力過渡過程仿真模型能準(zhǔn)確反映筒形閥動水關(guān)閉下的引水發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性。

4 結(jié) 論

本文利用復(fù)雜系統(tǒng)水力過渡過程仿真計(jì)算軟件HYSIM 軟件提供的用戶自定義建模功能，搭建出完整的超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型，并據(jù)此提出了混流式水輪機(jī)零開度單位力矩曲線修正方法及筒形閥過流特性的參數(shù)率定方法。根據(jù)仿真計(jì)算及實(shí)測數(shù)據(jù)的對比情況，驗(yàn)證了上述方法的有效性。同時(shí)，基于超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程仿真模型對兩種典型試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，主要包括機(jī)組雙機(jī)同甩負(fù)荷及筒形閥動水關(guān)閉等，并將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，所建立的仿真模型能準(zhǔn)確描述超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，從而為復(fù)核超長大容量引水發(fā)電系統(tǒng)極端控制性工況以及探討長期穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理提供了可靠的仿真平臺。