辛軍社

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0引言

水電站水利過渡過程與其輸水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、水電站安全運行、供電效率等直接相關(guān)。水電站發(fā)電引水系統(tǒng)過渡問題必然面臨大量復(fù)雜的非線性問題，必須對其真實工況下實際運行過程進(jìn)行仿真模擬。以新疆提孜那甫河莫莫克水利樞紐工程為例，在MATLAB平臺SIMULINK模塊中構(gòu)建水利樞紐發(fā)電場引水系統(tǒng)一管多機(jī)工況下水力-機(jī)械過渡過程的仿真模型，從而進(jìn)行水電站大波動、水力干擾、小波動等工況下調(diào)壓室標(biāo)高、涌浪、機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力等參數(shù)變動特征的分析確定，為加強(qiáng)其發(fā)電引水系統(tǒng)的過渡管理提供依據(jù)。

1 引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程計算原理

一般情況下，通過彈性水擊基本方程組進(jìn)行水電站發(fā)電引水系統(tǒng)水力過渡過程的計算，所包括的運動公式和連續(xù)公式表示如下：

式（1）（2）中：g—重力加速度（m/s2），取9.8 m/s2；H—發(fā)電引水系統(tǒng)斷面測壓管實際水頭（m）；λ—發(fā)電引水系統(tǒng)沿程阻力系數(shù)；D—發(fā)電引水系統(tǒng)斷面測壓管道直徑（mm）；v—發(fā)電引水系統(tǒng)斷面流速均值（m/s）；s—順恒定流水流方向的長度（m）；α—水擊波波速（m/s）；t—時間（s）。

彈性水擊基本方程組具有明顯的擬線性雙曲偏微分方程組的特征求解過程復(fù)雜，為此，本研究將其轉(zhuǎn)化成全微分方程和一階有限差分方程，并通過求導(dǎo)近似解的方法求解。具體表示如下：

式（3）（4）中：θ—管軸線和水平線的夾角（°）；C—任意常數(shù)；其余參數(shù)含義同前。

經(jīng)過以上操作便順利將偏微分方程組求解轉(zhuǎn)化為常微分特征方程組求解，且常微分特征方程組求解過程中無需任何數(shù)學(xué)近似，其解即為原偏微分方程組的解，也就是所描述發(fā)電引水系統(tǒng)水擊問題的解。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

莫莫克水利樞紐在新疆喀什地區(qū)葉城縣柯克亞鄉(xiāng)境內(nèi)提孜那甫河的上游，主要發(fā)揮著防洪、灌溉、發(fā)電等功能作用。樞紐右岸為發(fā)電引水隧洞，主要按照一管四機(jī)結(jié)構(gòu)布置總長度446.12 m，其中洞身段長322.56 m，洞身為圓形斷面，包括漸變段、上平洞段、轉(zhuǎn)彎段、斜井段、下平洞段等組成，最大開挖直徑6.50 m，襯砌后最大斷面直徑5.20 m，其中發(fā)0+000～發(fā)0+010、發(fā)0+238.71～發(fā)0+0=248.71 兩段為漸變段。上平段洞身縱坡i=1/3 000，下平段縱坡i=0，斜井段角度為45°。

2.2 模型構(gòu)建

莫莫克水利樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)按照一洞一管四機(jī)布置，其節(jié)點設(shè)置情況具體見圖1，其中1#、2#、3#和4#均為130 MW發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑3.30 m，額定水頭193 m，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定流量78.62 m3/s，機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量4 000 t·m2。通過考察其引水系統(tǒng)節(jié)點的布置情形發(fā)現(xiàn)，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在單段直線關(guān)閉規(guī)律下完全具備發(fā)電引水系統(tǒng)平穩(wěn)過渡及安全運行的能力。

圖1 莫莫克水利樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程仿真模型圖

MATLAB 平臺SIMULINK 軟件包可進(jìn)行可視化動態(tài)仿真系統(tǒng)框圖構(gòu)建，在系統(tǒng)內(nèi)將傳遞函數(shù)輸入后就可以自動進(jìn)行非線性水力過渡過程的仿真模擬，故應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行莫莫克水利樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程的仿真分析。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 大波動工況

結(jié)合實踐經(jīng)驗，全部負(fù)荷突增或突減的劇變工況必然會對水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)及水輪發(fā)電機(jī)組安全運行造成巨大威脅。因為這種突變會引發(fā)導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，引水系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生大水錘壓力，使發(fā)電引水系統(tǒng)和水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇增大。為使水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組保持安全、穩(wěn)定運行狀態(tài)，必須根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范將機(jī)組轉(zhuǎn)速、壓力、真空度等參數(shù)值控制在允許范圍內(nèi)，具體而言，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動速度的上升速率必須控制在50%以內(nèi)，蝸殼末端最高壓力允許值應(yīng)不超過300 m水柱，尾水管進(jìn)口壓力最小值至少為-5 m水柱。當(dāng)莫莫克水利樞紐上游正常蓄水位為1 897 m、死水位1 870 m、下游水位1 867 m時，其發(fā)電機(jī)組會將額定負(fù)荷快速甩掉，使不同工況下導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律得到不同程度的優(yōu)化見表1。莫莫克水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉從達(dá)到額定開度至全關(guān)耗時8.40 s，所對應(yīng)的直線關(guān)閉時間為14 s，故該水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)導(dǎo)葉運行工況選D1-3。

表1 不同工況下導(dǎo)葉直線關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化結(jié)果表

該水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)D1-3工況下調(diào)壓室水位變動趨勢詳見圖2。由圖可知，發(fā)電機(jī)組甩掉負(fù)荷后210 s 時該發(fā)電引水系統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)壓室涌浪達(dá)到最大值，調(diào)壓室水位波動周期均不小于700 s，水位振幅在50 m以上。就設(shè)計角度而言，引起該樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)壓室水位過高的原因主要包括調(diào)壓室斷面尺寸過小以及調(diào)壓室底部阻抗過小兩個方面。由于受到地形地質(zhì)條件的影響和設(shè)計施工水平的制約，莫莫克水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)調(diào)壓室等水工建筑物實際規(guī)模和結(jié)構(gòu)型式均較為簡單。就機(jī)組運行安全角度而言，以上游調(diào)壓室最高水位為基礎(chǔ)確定壓力極值的做法缺乏科學(xué)性和合理性，很容易引發(fā)蝸殼末端超控制壓力極值的出現(xiàn)。綜合上述分析，長引水隧洞發(fā)電站D1-3工況下蝸殼末端壓力變動趨勢詳見圖3，根據(jù)莫莫克水利樞紐發(fā)電機(jī)組蝸殼末端壓力最大值出現(xiàn)時間推算，機(jī)組突然甩掉負(fù)荷后引起的導(dǎo)葉快速關(guān)閉是造成其壓力快速增大的主要原因。

圖2 調(diào)壓室水位變動趨勢圖

圖3 蝸殼末端壓力變動趨勢圖

2.3.2 水力干擾工況

在多臺發(fā)電機(jī)組公用輸水管道及調(diào)壓室系統(tǒng)的一管多機(jī)復(fù)雜工況下，其中任何一臺或多臺發(fā)電機(jī)組功率改變，均會導(dǎo)致導(dǎo)葉開度發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)輸水流量、壓力、調(diào)壓室水位等參數(shù)取值的劇烈變動，并對相同水力單元中其余發(fā)電機(jī)組的功率、頻率等情況造成水力干擾。在此種工況下，調(diào)壓室涌浪持續(xù)時間長、水位變動幅度大，其會對并網(wǎng)運行發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生比小波動工況更為嚴(yán)重的水力干擾。為分析受水力干擾情況下的運行結(jié)果，特擬定1臺發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷130 MW后緊急停機(jī)，其余三臺發(fā)電機(jī)組滿荷運行（工況X1）；2 臺發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷130 MW后緊急停機(jī)，其余兩臺發(fā)電機(jī)組滿荷運行（工況X2）；3臺發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷130 MW后緊急停機(jī)，其余一臺發(fā)電機(jī)組滿荷運行（工況X3）等工況，計算結(jié)果詳見表2。

表2 不同工況下水力干擾機(jī)組計算結(jié)果表

針對以上X2 工況，調(diào)壓井涌浪水位最高值和最低值分別為1 910.46 m和1 865.99 m，與初始水位相對的振幅最大值為41.53 m，而調(diào)壓井水位波動周期約704.10 s，這也表明調(diào)壓井水位波動會對發(fā)電機(jī)組運行造成長期影響，且從長期看呈現(xiàn)出明顯的收斂趨勢（圖4），該試驗結(jié)果也意味著在各種干擾因素的作用下莫莫克水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)水力-機(jī)械系統(tǒng)仍能穩(wěn)運行性。值得注意的是，此處分析所采用的仿真模型以孤網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但莫莫克水利樞紐發(fā)電機(jī)組實際為并網(wǎng)運行，故并網(wǎng)運行過程中發(fā)電機(jī)組的性能和工效均優(yōu)于計算結(jié)果。

圖4 調(diào)壓室水位變動趨勢圖

2.3.3 小波動工況

結(jié)合莫莫克水利樞紐工程實際，擬定的小波動工況具體為：2 臺機(jī)組同時甩10%額定負(fù)荷，另外兩臺機(jī)組停運（工況H1）；三臺機(jī)組同時甩10%額定負(fù)荷，另外一臺機(jī)組停運（工況H2）；四臺機(jī)組同時甩10%額定負(fù)荷（工況H3）。小波動工況下調(diào)壓室水位特征值及發(fā)電引水系統(tǒng)過渡仿真計算結(jié)果具體見表3 和表4。表3 中計算結(jié)果表明，小波動工況下調(diào)壓井水位振幅9.55 m，且其水位波動表現(xiàn)出明顯的收斂趨勢。

表3 小波動工況下調(diào)壓室水位特征值表

表4 計算結(jié)果表明，該水利樞紐水力-機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)并不理想，分析原因發(fā)現(xiàn)，該水利樞紐引水隧洞長度較長，進(jìn)而使調(diào)壓井水位波動周期也隨之延長，但在其水位達(dá)到首個波峰前，小波動工況機(jī)組卻已然進(jìn)入±0.20%轉(zhuǎn)速帶。表明當(dāng)前常規(guī)性調(diào)速器參數(shù)基本能夠滿足此類水利樞紐正常運行。

表4 發(fā)電引水系統(tǒng)過渡仿真計算結(jié)果表

3 結(jié)論

針對莫莫克水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)過渡過程仿真分析結(jié)果表明，該引水樞紐調(diào)壓室最低涌浪出現(xiàn)后振蕩時間延長，對引水系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性和安全性也造成不利影響；長距離引水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷后蝸殼末端壓力會因調(diào)壓室最高涌浪水位和導(dǎo)葉關(guān)閉而引發(fā)兩個波峰。水力干擾工況下調(diào)壓井水位波動對發(fā)電機(jī)組運行存在長時期影響；小波動工況下，受水力系統(tǒng)固有特性的影響，機(jī)組水力-機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)效果并不理想，而機(jī)組并網(wǎng)運行后動態(tài)性能及穩(wěn)定性均顯著改善。