機組模型綜合特性曲線對大波動過渡過程計算的影響

馬 朵，劉 君，張軍智，劉建華，王子瑞

（中國電建集團西北勘測設計研究院設計有限公司，陜西 710065）

機組模型綜合特性曲線對大波動過渡過程計算的影響

馬 朵，劉 君，張軍智，劉建華，王子瑞

（中國電建集團西北勘測設計研究院設計有限公司，陜西 710065）

水電站在設計初期需要選擇相似模型綜合特性曲線進行過渡過程計算，以初步確定調節保證設計目標參數。本文以國內黃河上游某大型混流式水電站在設計之初選擇的模型綜合特性曲線為例，對比了機組招標之后為本電站開發的模型綜合特性曲線A和設計初期選用的模型綜合特性曲線B過渡過程計算結果的偏差，分析采用不同模型綜合特性曲線對機組過渡過程計算幾個主要控制特征值的影響。

水電站；過渡過程；模型綜合特性曲線

0 前言

水電站過渡過程計算是水電站過渡過程研究的主要途徑之一，包括大波動、小波動和水力干擾過渡過程計算[1]。水電站大波動過渡過程計算的目的是：經機組調節保證計算分析，優化選擇導葉關閉規律，以使得蝸殼進口水錘壓力和機組轉速的上升值均能滿足設計要求并盡可能地小，同時根據水力過渡過程計算分析，預測輸水系統沿線的最大、最小動水壓力，確定調壓室以及閘門井的最高、最低涌波水位等[2,3]。

在水電站初期設計時會選用相近水頭段的轉輪進行過渡過程計算，以初步確定調節保證設計目標參數。

1 水輪機特性曲線

水輪機的特性曲線用于表達水輪機不同工況下對水流能量的轉化、空化等方面的水力性能、力學特性及其他性能[4]。根據水輪機相似理論，同系列水輪機在相似工況下其單位流量Q11及單位轉速n11分別相等，一定的Q11、n11值就決定了一個相似的工況。

由水輪機相似律可知：

以單位轉速n11、單位流量Q11為縱、橫坐標，通過一系列等值線來表示同類型水輪機的各種主要性能，包括等效率曲線、等開度曲線、等空化系數曲線與出力限制線，稱之為水輪機模型綜合特性曲線。由公式（1）、（2）、（3）求解可將模型綜合特性曲線換算為水輪機特性曲線[5,6]。

在研究水電站過渡過程時，比較方便的是使用流量關系曲線和力矩關系曲線。流量特性影響到壓力管道內的水錘，而力矩特性則對甩負荷時的轉速變化起決定作用。在電網運行中力矩特性又決定著有功功率的變化速度，以及機組投入發電工況所需要的啟動時間。所以在水電站初步設計階段，為確定輸水發電系統技術經濟合理性，水輪機特性曲線的選取對過渡過程計算顯得尤為重要[7]。

本文以黃河上游某大型電站的過渡過程計算為例，研究采用不同機組模型特性曲線對過渡過程計算結果的影響，A模型特性曲線為我國內某大型廠家專為本電站開發的模型轉輪特性曲線，B為電站設計初期進行過渡過程計算選取與該電站水頭段接近的模型轉輪特性曲線。

2 非恒定流數學模型和特征線法

有壓管道非恒定流基本方程為：連續方程：

動量方程：

其中，H為以某一水平面為基準的測壓管水頭；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；θ為管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角；S為濕周；f為Darcy-Weisbach的摩阻系數；a為水擊波傳播的速度[8]。

方程（4）和方程（5）是一組擬線性雙曲型偏微分方程，可采用特征線法將其轉化為兩個在特征線上的常微分方程：

將上述方程沿特征線C+和C－積分，其中摩阻損失項采取二階精度數值積分，并用流量代替斷面流速，經整理得：

式（8）和式（9）為二元一次方程組，十分便于求解管道內點的QP和HP。計算中時間步長和空間步長的選取，需滿足庫朗穩定條件否則計算結果不能收斂[9]。

3 采用不同特性曲線對大波動過渡過程的影響

3.1 電站概況

黃河上游某電站為地下廠房布置，安裝4臺單機容量520MW和1臺單機容量120MW的水輪發電機組（主要機組參數見表1）。引水隧洞采用“一機一洞”的布置方式，尾水隧洞采用“兩機一洞”、“三機一洞”的布置型式，其中1號小機和2號、3號機共用1號尾水洞，4號和5號機共用2號尾水洞，尾水洞為有壓洞，每條尾水洞分別引至下游河道。此外因尾水洞布置有閘門井可部分起到調壓室反射水擊波的作用，1號～3號機組段間尾水閘門井上室檢修平臺互相連接貫通即共用一個尾水閘門井上室，4號、5號機組段間檢修平臺互相連接貫通即共用一個尾水閘門井上室，輸水發電系統布置簡圖如圖1所示。

表1 機組資料

圖1 輸水發電系統布置簡圖

3.2 模型轉輪的主要參數

表2為機組招標后為本電站設計的模型轉輪A和電站設計初期進行過渡過程計算選取的模型轉輪B主要參數對比表。

表2 模型轉輪主要參數表

3.3 選用不同模型綜合特性曲線大波動過渡過程計算結果

此電站一號水力單元有一臺小機+兩臺大機，二號水力單元為兩臺大機，一號水力單元引用流量較大，輸水系統布置比二號水力單元復雜，故以一號水力單元作為研究對象。

根據《水電站調壓室設計規范》（NB/T 35021-2014）中規定，輸水系統糙率取平均糙率（鋼板襯砌糙率：0.012、砼襯砌糙率：0.014），關閉規律大機取11s一段直線關閉規律，小機取9s。具體計算結果見表3。典型工況描述如下：

工況1：下游一臺小機+兩臺大機水位，2號、3號機組正常運行，1號機組增負荷，在最不利時刻，1號、2號、3號機組同時突甩全負荷。

工況2：下游一臺小機+兩臺大機水位，額定水頭182.0m，2號機組增負荷，在最不利時刻，1號、2號、3號機組同時突甩全負荷；

工況3：上游正常蓄水位，2號、3號機組額定水頭182.0m，1～3號機組同時突甩全負荷[10]。

圖2為工況3中1號機蝸殼末端壓力動態變化曲線，從該曲線中可以看出A、B兩條不同模型綜合特性曲線計算出來的蝸殼末端壓力具有相似的動態變化規律，在突甩全負荷的過程中壓力先上升后下降，隨后趨于規律的振蕩。但是采用模型綜合特性曲線A計算出來的蝸殼末端壓力極值略大于曲線B。在引水系統及導葉關閉規律一定的情況下，不同的模型綜合特性曲線對應同一工況點的流量特性不一致，故引起有壓管道的水擊變化不一樣[11]。

表3 不同模型轉輪特性曲線的計算結果

以A曲線計算結果作為基準，那么B曲線相對于A曲線計算結果偏差見表4。

表4 動態偏差對比表

圖3為工況1中2號機轉速上升率動態變化曲線，從該曲線中可以看出A、B兩條不同模型綜合特性曲線計算出來的轉速最大上升率具有相似的動態變化規律，隨著機組甩負荷過程中轉速升高率先增后降。采用模型綜合特性曲線A比采用曲線B轉速升高率的極值發生略早，且極值略大。在相同邊界條件下機組轉速升高率主要受機組力矩特性影響，在同一工況下模型綜合特性曲線A較曲線B對應的轉輪力矩略高[12,13]。

圖2 蝸殼末端最大壓力對應工況動態變化曲線

圖3 轉速最大上升率對應工況動態變化曲線

尾水管進口最小壓力與水輪機的流道參數和轉輪的空化特性相關，尾水管進口壓力過小會導致尾水管進口處發生鋼襯失穩和水柱分離，使機組不能正常運行[14]。選用不同水輪機模型綜合特性曲線，對應轉輪流道參數和空化特性必然不同，通過表3及表4可以看出計算結果存在一定偏差，但是反映到圖4尾水管進口最小壓力動態變化曲線并不明顯。

圖4 尾水管進口最小壓力對應工況動態變化曲線

圖5 為工況1中3號機尾水閘門井涌浪動態變化曲線，圖6為工況3中1號機尾水閘門井涌浪動態變化曲線，從表4及圖中可看出，采用這兩種不同轉輪特性曲線對尾水閘門井最低涌浪和尾水閘門井最高涌浪影響較小，動態偏差值很小，工況動態變化曲線幾乎重合[15]。

圖5 最低涌浪對應工況動態變化曲線

圖6 最高涌浪對應工況動態變化曲線

4 結論

從結果可看出A曲線與B曲線的計算結果相近，相同工況具有相似的變化規律，這對于在水電站設計初期進行調節保證計算具有指導意義。根據相近水頭段選取模型轉輪的綜合特性曲線，可作為水電站初期設計過程中調節保證設計目標參數的依據。但是由于選擇的模型轉輪與實際招標后的模型轉輪具有一定的差異，對蝸殼末端最大壓力、最大轉速上升率及尾水管進口最小壓力的極值會產生不同程度的影響，這需要針對電站及其選擇的模型轉輪進行具體分析，故在水電站設計初期選取模型綜合特性曲線進行過渡過程計算時應進行轉輪敏感性分析計算，并且計算結果應留有安全裕量，才能保證水電站運行的安全可靠。

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馬朵（1988-），2013年4月畢業于西安理工大學水利水電工程，現從事水力機械設計工作，碩士研究生，助理工程師。

審稿人：宮讓勤

[作者簡介]

岳彩旭（1982-），2013年博士畢業于哈爾濱理工大學，副教授，碩士生導師，主要從事硬態切削理論、切削過程建模及硬態加工工藝優化等方面的研究。

審稿人：王波

The Impact of Model Comprehensive Characteristic Curve on Large Fluctuation Transient Process

MA Duo,LIU Jun,ZHANG Junzhi,LIU Jianhua,WANG Zirui
(Power China Northwest Engineering Corporation Liminted,Shanxi 710065,China)

At the early period of designing a power station,it is requied to choose the similar model comprehensive characteristic curve calculations to determine the adjustment and ensure the preliminary design target parameters for transient process.This article compares the deviation of the calculations results between a model comprehensive characteristic curve A developed for this power station which is the upstream of the Yellow River after the units’tender and comprehensive model characteristic curve B chosed at the early stage of the design,and analyse the effect to adopt the diffrent models comprehensive characteristic curve control characteristic values of the transient process unit.

power station;hydraulic transient process;models comprehensive characteristic curve

TM622

A

1000-3983(2017)01-0055-05

2016-03-30