田利軍

（西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安710065）

1 工程概況

某引水式電站引用流量33.74 m3/s，最大毛水頭274 m，裝機兩臺38 MW水輪機發(fā)電機組。水輪機型號為立軸混流式HLD336-LJ-193，發(fā)電機型號為立軸懸式三相同步發(fā)電機SF38-12/4250。工程主要任務(wù)是發(fā)電。

引水系統(tǒng)由引水明渠、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道等組成。引水明渠長1531.8 m，后段擴大加深為進水池。引水隧洞為馬蹄形，分別采用鋼筋混凝土、噴混凝土和原狀開挖巖石三種設(shè)計，其中鋼筋混凝土段長500 m，過水?dāng)嗝婷娣e19.67 m2，噴混凝土段長約4500 m，過水?dāng)嗝婷娣e23.56 m2，巖石洞段長1806.63 m，過水?dāng)嗝婷娣e26.31 m2。調(diào)壓井為阻抗式，井筒為圓形，高約70 m，內(nèi)徑10.0 m，連接管內(nèi)徑3.0 m。計算中取阻抗孔綜合流量系數(shù)φ入＝φ出＝0.65。調(diào)壓井后為壓力管道，壓力主管由埋管段和明管段組成，內(nèi)徑3.0 m，埋管段長250 m，明管1269.36 m。主、支管采用“卜”型岔管布置連接，支管內(nèi)徑1.6 m，分2條支管向2臺機單獨供水垂直進入地面廠房。

2 計算目的

長隧洞引水式電站在運行中可能會遇到由于各種事故而導(dǎo)致機組突然甩負荷的情況[1]。當(dāng)機組甩負荷時，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，機組流量急劇變化，壓力引水系統(tǒng)中會產(chǎn)生水擊，此時，最大水擊壓力對引水系統(tǒng)影響特別強烈，嚴重時會破壞引水系統(tǒng)并引發(fā)事故[2]，因此必須限制水擊壓力過高，同時，防止機組轉(zhuǎn)速過大，防止機組強度破壞振動和由于過速引起過電壓而造成發(fā)電機電氣絕緣的損壞[3]。

限制水擊壓力升高的方法主要有設(shè)置調(diào)壓室、改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、設(shè)調(diào)壓閥等。改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律在低水頭電站應(yīng)用較多。對于高水頭電站，宜首先考慮設(shè)置調(diào)壓室來調(diào)節(jié)水擊壓力[4-5]，但建造調(diào)壓室所受制約因素較多，尤其受地質(zhì)、地形條件限制。當(dāng)上游調(diào)壓室布置受限且改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律后調(diào)保計算仍不滿足要求的電站可考慮設(shè)置調(diào)壓閥[6]。相對調(diào)壓室來說，調(diào)壓閥價格僅為調(diào)壓室造價的1/10，與增設(shè)調(diào)壓室相比，調(diào)壓閥能有效節(jié)約投資。調(diào)壓閥的作用旨在：機組甩負荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時相應(yīng)開啟泄流，有效降低引水系統(tǒng)壓力上升；導(dǎo)葉全關(guān)以后，再緩慢關(guān)閉，確保引水系統(tǒng)壓力緩慢變化，防止壓力上升過高及機組飛車。

通過水力、機械系統(tǒng)的仿真計算進一步研究該電站調(diào)節(jié)保證特性，本文計算分析的主要目的是，通過調(diào)節(jié)保證計算，研究長引水式水電站壓力引水系統(tǒng)增設(shè)調(diào)壓閥的必要性與合理性。

3 計算要求

計算采用帶引水明渠和上游調(diào)壓井的水電站水力過渡過程通用程序計算，該程序已用于國內(nèi)數(shù)十個電站的工程設(shè)計，并有多個電站的實測對比，效果較好。程序?qū)㈦娬疽到y(tǒng)、機組、調(diào)速器和尾水系統(tǒng)作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體，聯(lián)合進行數(shù)字仿真計算。根據(jù)該電站的系統(tǒng)自身特性及《水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范》DL/T5186-2004、《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》SL279-2002、《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》SL281－2003相關(guān)規(guī)程，計算要求主要為：應(yīng)滿足蝸殼進口斷面最大壓力≤350 mH2O（ξmax≤30%）；在丟棄100%負荷時機組允許的最大轉(zhuǎn)速上升率βmax≤45%。

4 計算理論

該電站有壓系統(tǒng)包括壓力水道、蝸殼、尾水管，作為邊界還有水輪機、調(diào)壓井等，各部位主要數(shù)學(xué)模型簡述如下[3-6]：

1）壓力水道——特征線法；

2）調(diào)壓室——將上、下端面特征線方程代入連續(xù)方程，用龍格庫塔法求解微分方程；

3）水輪機——將水輪機特性曲線以數(shù)組形式輸入，用線性插值求當(dāng)前工作點的水輪機特性，將上、下端面特征線方程、機組轉(zhuǎn)動慣性方程、水輪機能量方程等聯(lián)立求解；

4）調(diào)速器——用龍格庫塔法求調(diào)速器的調(diào)節(jié)微分方程組。

4.1 非恒定流計算方法

有壓引水系統(tǒng)流經(jīng)封閉管道的瞬變流用運動方程和連續(xù)方程[1]進行描述。運動方程：

連續(xù)方程：

式中，D為管徑，A為斷面積，a為水擊波速，f為摩擦系數(shù)，g為重力加速度。方程（1）、（2）為偏微分方程，計算中轉(zhuǎn)化為便于計算機求解的特征線方程求解。

4.2 水輪機、調(diào)壓室結(jié)點的求解方法

1）水輪機

混流式水輪機作為邊界條件，利用單位流量－單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線和單位出力-單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，加上機組慣性方程，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，就可以求出機組甩負荷后，水輪機轉(zhuǎn)速、流量、蝸殼及尾水管壓力變化過程。

2）調(diào)壓室

設(shè)Qbp代表通過調(diào)壓室[2]底部的流量，Hbp為阻抗孔底部測壓管水頭，H3p為調(diào)壓室水面高程。

壓力主管特征線方程：

隧洞末端特征線方程：

調(diào)壓室連續(xù)方程：

用龍格庫塔法求解微分方程組，可以求得Q1p、Q2p。

4.3 調(diào)速器

調(diào)速器[2]的數(shù)學(xué)模型用四階龍格庫塔法求PID調(diào)速器微分方程組：

調(diào)速器各組成部分的輸出可能飽和，在較大負荷變化的分析中，必須考慮飽和限制條0≤yn≤1，0≤y≤1。

4.4 調(diào)壓閥

設(shè)機組與調(diào)壓閥[2]的流量均為線性變化，且兩者相互匹配，則引水管道內(nèi)的流量也按線性變化，其流量關(guān)系如下式：

調(diào)壓閥所需通過的最大流量，在機組一段關(guān)閉時：

在機組兩段關(guān)閉時：

式中，Qx為調(diào)壓閥所需通過的最大流量，m3/s；Qt為水輪機的最大流量，m3/s；Ts為導(dǎo)葉快關(guān)時間，s；Ts1為兩段關(guān)機時第一段關(guān)機時間，s；Ts2為兩段關(guān)機時第二段關(guān)機時間，s；Tss為調(diào)壓閥拒動時導(dǎo)葉慢關(guān)時間，s。

5 計算結(jié)果及分析

5.1 無調(diào)壓閥下調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果

經(jīng)計算，從調(diào)壓井到蝸殼進口處的∑LV為7530 m2/s，該電站水輪機開度調(diào)節(jié)時間Ts≈10 s>Tw=3.054 s（水流加速時間常數(shù)）為間接水擊，最大水擊發(fā)生在第一相與第二相之間。計算表明當(dāng)采用直線關(guān)閉規(guī)律時，若T′s＝10 s，最大水擊發(fā)生在3.957 s，導(dǎo)葉相對開度60.7%時刻。在壓力主管直徑為3.0 m，給定機組GD2值為360 t·m2時，水庫正常蓄水位下，2臺機同時甩額定負荷工況，蝸殼進口斷面最大壓力上升達Hmax＝386.89 m（ξmax＝50.037%），機組轉(zhuǎn)速上升率βmax＝61.055%。這兩個指標(biāo)遠超過本電站設(shè)計規(guī)定的Hmax≤350 m（ξmax≤30%），βmax≤45%的調(diào)節(jié)保證計算要求。無調(diào)壓閥時調(diào)節(jié)保證計算機組各參量變化過程見圖1。

圖1 無調(diào)壓閥下調(diào)節(jié)保證計算機組各參量變化過程

當(dāng)采用分段關(guān)閉規(guī)律時，水庫正常蓄水位下，2臺機同時甩額定負荷工況，蝸殼進口斷面最大壓力上升達Hmax＝358 m（ξmax＝33.1%），機組轉(zhuǎn)速上升率βmax＝65.2%，導(dǎo)葉第一段關(guān)閉時間為4.2 s，導(dǎo)葉第二段關(guān)閉時間為14 s，導(dǎo)葉拐點處開度為70%，但調(diào)保計算指標(biāo)均超過本電站設(shè)計規(guī)定值。

造成上述結(jié)果的主要原因是壓力管道的LV值過大，水流慣性時間常數(shù)Tw=3.054 s值偏大，機組加速時間常數(shù)Ta=6.458 s偏小，Tw/Ta=0.471＞0.4。為了滿足調(diào)節(jié)保證計算，考慮以下幾方面改善措施：

1）將調(diào)壓井位置向廠房方向后移，以縮短壓力鋼管長度，由于受實際地形地質(zhì)條件限制，后移山體不僅高度不夠且邊坡穩(wěn)定性差，因此后移可能性不存在。

2）增大主管直徑減小流速，在技術(shù)上是可行的，但從實際計算結(jié)果可以看出單純增大主管直徑，即使直徑由3.0 m增大到3.8 m，蝸殼進口斷面最大壓力上升達Hmax＝360.201 m，機組轉(zhuǎn)速上升率βmax＝52.867%，仍未達到調(diào)保計算要求。過多增大主管直徑，調(diào)保計算結(jié)果改變不大且很不經(jīng)濟，不宜采用。

3）考慮每臺機組增設(shè)一臺TFW400/320調(diào)壓閥，當(dāng)機組甩負荷后，導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，與此同時調(diào)壓閥同步開啟，等機組轉(zhuǎn)速從上升轉(zhuǎn)為下降至額定轉(zhuǎn)速附近后，再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥?？焖訇P(guān)閉導(dǎo)葉可使機組轉(zhuǎn)速上升不會過高，同步開啟調(diào)壓閥可使通過壓力鋼管的流量變化減緩，從而降低壓力上升。

綜上分析，擬選取每臺機組增設(shè)一臺TFW400/320調(diào)壓閥的改善措施。

5.2 有調(diào)壓閥下調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果

根據(jù)導(dǎo)葉接力器和調(diào)壓閥不同啟閉規(guī)律下調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果分析，導(dǎo)葉接力器采用兩段關(guān)閉方式較好，導(dǎo)葉接力器第1段關(guān)閉速率為0.1333，第2段慢關(guān)速率為0.02，拐點開度為35%，這一組關(guān)閉規(guī)律相對較優(yōu)。

裝設(shè)調(diào)壓閥后，導(dǎo)葉可以關(guān)閉較快，滿足甩負荷后轉(zhuǎn)速上升率≤45%。蝸殼最大壓力上升取決于導(dǎo)葉接力器和調(diào)壓閥關(guān)閉速率。關(guān)閉越慢則壓力上升越小，但泄水時間也越長。計算結(jié)果表明，設(shè)計工況：正常蓄水位下，2臺機組同時甩額定負荷，蝸殼進 口 最 大 壓 力 上 升 值 Hmax＝332.04 m H2O(ξmax=28.448%)，最大轉(zhuǎn)速上升率βmax＝44.318%，在設(shè)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)保證計算時機組各參量變化過程見圖2。

圖2 有調(diào)壓閥下調(diào)節(jié)保證計算機組各參量變化過程

同時，對校核情況下進行復(fù)核，校核工況1：設(shè)計洪水位下，2臺機同時甩全負荷，蝸殼進口最大壓力上升值Hmax＝335.06 mH2O。校核工況2：正常蓄水位下，由1臺增至2臺滿發(fā)，在調(diào)壓室水位較高時刻，2臺機同時甩負荷，Hmax＝336.00 mH2O。增設(shè)調(diào)壓閥后的調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果表明，主管直徑3.0 m，機組GD2＝360 t·m2，能滿足水擊壓力上升ξmax≤30%，轉(zhuǎn)速上升率βmax≤45%的調(diào)節(jié)保證計算要求，從根本上改善了壓力上升與轉(zhuǎn)速上升這一對矛盾。

5.3 小結(jié)

該電站壓力主管直徑為3.0 m，機組GD2＝360 t·m2，Tw＝3.054 s，Ta＝6.482 s，未設(shè)調(diào)壓閥時，機組甩額定負荷，蝸殼進口斷面最大壓力及機組轉(zhuǎn)速上升率，遠超過設(shè)計要求的調(diào)節(jié)保證指標(biāo)，主要原因是壓力管道的LV值過大。為滿足調(diào)節(jié)保證計算，解決壓力上升和轉(zhuǎn)速上升過高行之有效的辦法是每臺機組設(shè)一臺調(diào)壓閥。設(shè)調(diào)壓閥后，各工況下調(diào)節(jié)保證計算完全滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例對調(diào)節(jié)保證計算進行分析研究，當(dāng)機組在負荷變化時機組轉(zhuǎn)速和壓力引水系統(tǒng)中的壓力變化不能同時滿足時，可根據(jù)壓力引水系統(tǒng)和機組特性適當(dāng)增設(shè)調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施之一。設(shè)調(diào)壓閥后，在機組丟棄負荷時，水輪機導(dǎo)葉以機組轉(zhuǎn)速上升所允許的時間快速關(guān)閉，同時，受同一調(diào)速器控制的調(diào)壓閥逐漸開啟向下游泄放部分流量，以減小壓力管道中流速的變化梯度，待導(dǎo)葉關(guān)閉后，調(diào)壓閥在以水擊升壓所允許的速度緩慢關(guān)閉。選擇最佳的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)時間進行壓力和轉(zhuǎn)速的變化計算,既能保證電站安全、經(jīng)濟性又可以同時保證機組轉(zhuǎn)速上升和壓力上升都在允許范圍之內(nèi)。

[1] 王樹人，董毓新.水電站建筑物[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[2] 沈宗樹，張勇傳.水電站機組穩(wěn)定與控制[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5186—2004水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[4] 中華人民共和國水利部.SL 279—2002水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[5] 中華人民共和國水利部.SL 281—2003水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6] 中華人民共和國電力工業(yè)部.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，1997.

[7] 劉保華.三峽右岸地下電站水力過渡過程計算專題研究報告[R].2005.