老撾懷博萊水電站工程調(diào)節(jié)保證計(jì)算

溫澤貴

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣州 510611)

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老撾懷博萊水電站工程調(diào)節(jié)保證計(jì)算

溫澤貴

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣州 510611)

調(diào)節(jié)保證計(jì)算是研究機(jī)組突然改變較大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性，計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性、機(jī)組慣性力矩和調(diào)整特性三者之間的矛盾，使水工建筑物和機(jī)組既經(jīng)濟(jì)合理，又安全可靠。文章對老撾懷博萊水電站工程調(diào)節(jié)保證的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了介紹。

老撾懷博萊水電站；調(diào)節(jié)保證計(jì)算；沖擊式水輪機(jī)；輸水系統(tǒng)

1 工程概況

懷博萊(Houay palai)水電站位于houay palai河上，站址位于老撾南部Champassak省巴色市東北部約45km處，是houay palai河發(fā)源地。水庫位置高程在900m左右，位于16號公路38km處。地理位置為E15°19′5.19″，N106°02′34.12″。houay palai河是Xedon河最重要的支流之一,整個(gè)流域介于E106°30′、N15°21′，屬老撾南部Champassak省。河流發(fā)源于海拔高程1200 m的phouphiang高原，沿paksong山西坡順流而下16km到水電站廠址，廠址高程約在260m左右，水位落差達(dá)680m,此后河道坡度變緩,進(jìn)一步向下42km,高程降至約140masl,匯入Xedon河，匯入Xedon河后，向下游30km匯入眉公河。

懷博萊(Houay palai)水電站總裝機(jī)30MW裝機(jī)2臺,每年為電網(wǎng)提供0.9688億kWh的電量。建設(shè)一座調(diào)節(jié)水庫，總庫容為1307.2萬m3，調(diào)節(jié)庫容為855.7萬m3，電站尾水位于灌溉引水渠道上游，電站發(fā)電后水量供灌溉農(nóng)田。電站水庫的調(diào)節(jié)庫容作用，提高下游灌溉用水保證率。項(xiàng)目的建設(shè)，開發(fā)了懷博萊的水電資源，增加了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)性能，對于繁榮地區(qū)經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能有力的促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

工程由水庫、引水渠、輸水系統(tǒng)和廠房系統(tǒng)組成。水庫由一座主壩和一座副壩及溢洪道組成。在Houay Palai河上游及其支流修建四座水陂，并通過引水渠將水流引向水庫。輸水系統(tǒng)采用1管2機(jī)的布置型式，由進(jìn)水口、引水隧洞和壓力鋼管等組成。地面廠房位于河道右岸、引水鋼管的末端，廠房內(nèi)布置2臺15MW的沖擊式機(jī)組。

2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算目的及輸水系統(tǒng)介紹

調(diào)節(jié)保證計(jì)算是研究機(jī)組突然改變較大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的特性，計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性、機(jī)組慣性力矩和調(diào)整特性三者之間的矛盾，使水工建筑物和機(jī)組既經(jīng)濟(jì)合理，又安全可靠。計(jì)算的目的就是根據(jù)水電站壓力輸水系統(tǒng)特性和機(jī)組飛輪力矩，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，保證在選定的調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過標(biāo)準(zhǔn)允許值[1]。

輸水系統(tǒng)采用1管2機(jī)的布置型式，由進(jìn)水口、引水隧洞和壓力鋼管等組成，具體的電站設(shè)計(jì)參數(shù)及輸水系統(tǒng)參數(shù)見表1。

3 計(jì)算方法

為方便計(jì)算說明，將機(jī)組選型基本參數(shù)列見表2。

表1 電站設(shè)計(jì)參數(shù)及輸水系統(tǒng)參數(shù)

3.1 水錘壓力計(jì)算

3.1.1 壓力波傳播速度

壓力輸水系統(tǒng)發(fā)生水錘時(shí)，水錘壓力波以速度a沿管道傳播，可按下式計(jì)算：

(1)

式中：E0為水的彈性系數(shù)，取2.1×104kg/cm2；E為管壁材料的彈性系數(shù)，對于鋼：E=2.1×106kg/cm2，生鐵：E=1.0×106kg/cm2，鋼筋混凝土：E=2.1×105kg/cm2；D為管道直徑，cm；δ為管壁計(jì)算厚度，cm。

按壓力管道采用隧洞漸變+鋼管漸變形式，則壓力波a的結(jié)果見表3。

表2 機(jī)組基本技術(shù)參數(shù)

表3 壓力波a的計(jì)算列表

一般估算直接取apj=1000m/s。

3.1.2 管道特性系數(shù)

為了判別水錘的形式，需要計(jì)算管道特性系數(shù)，反映管道特性的2個(gè)參數(shù)分別為：

(2)

(3)

各管段參數(shù)計(jì)算見表4。

表4 各管段參數(shù)計(jì)算表

靜水頭H0=600m，取算導(dǎo)葉(噴嘴)直線關(guān)閉時(shí)間=40s，代入計(jì)算得：

hw=0.53

σ=0.04

判別直接水錘和間接水錘的因子是導(dǎo)葉(噴嘴)直線關(guān)閉的時(shí)間和水管反射時(shí)間的比較。

水管反射時(shí)間Tr，即彈性波在壓力水管內(nèi)往返一次所經(jīng)理的時(shí)間，即水錘相：

(4)

系統(tǒng)發(fā)生的是間接水錘。

3.1.3 直線關(guān)閉間接水錘壓力計(jì)算

在假定導(dǎo)葉相對開度τ與時(shí)間t及水輪機(jī)相對流量q成線性關(guān)系的條件下，間接水錘的壓力變化可用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)hwτ0>1.5時(shí)，最大水錘壓力變化發(fā)生在末相：

(5)

當(dāng)hwτ0<1時(shí)，最大水錘壓力變化發(fā)生在第一相：

(6)

式中：σ、hw為管道特性系數(shù)；ξm為末相水錘相對壓力升高或降低；ξ1為第一相水錘壓力升高或降低；τ0為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)(噴嘴)的初始相對開度；τ1第一相末導(dǎo)水機(jī)構(gòu)(噴嘴)的相對開度。

取導(dǎo)水機(jī)構(gòu)(噴嘴)的初始相對開度0.8，取導(dǎo)水機(jī)構(gòu)(噴嘴)的第一相末的相對開度0.2，代入就算的τ0=0.424<1，則最大水錘壓力變化發(fā)生在第一相：

(7)

解方程得ξ1=12.7%。

根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)水頭大于100m的電站，其蝸殼允許的最大壓力升高值ξmax是小于30%，故計(jì)算設(shè)定參數(shù)合理。

3.2 轉(zhuǎn)速變化算

目前我過各單位提出的轉(zhuǎn)速變化計(jì)算公式大多是以暫態(tài)運(yùn)動(dòng)方式為基礎(chǔ)導(dǎo)出的，并都采用了負(fù)荷實(shí)際邊界條件的計(jì)算時(shí)間——升速時(shí)間，所不同者是采取了不同的假定和修正系數(shù)。

甩全負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速變化計(jì)算公式：

甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升值β：

(8)

式中：n0為初始速度，即甩負(fù)荷前機(jī)組的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；nmax為甩負(fù)荷過程中機(jī)組所達(dá)到的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

初步設(shè)計(jì)階段一般參考下列公式計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升值β：

(9)

(10)

式中：GD2為機(jī)組的飛輪力矩，t·m2，1500 t·m2；n0為甩負(fù)荷初始轉(zhuǎn)速，rpm，600rpm；N0為甩負(fù)荷錢水輪機(jī)軸功率，kW，15000kW；f2為水錘修正系數(shù)，1.0；τn為相對升速時(shí)間，0.85。

代入上式計(jì)算得：

β=20.59%

根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高允許值是<30%，故計(jì)算設(shè)定參數(shù)合理。

4 結(jié) 論

調(diào)節(jié)保證計(jì)算的重要性不言而喻，它是一個(gè)電站機(jī)組、引水管道以及廠房建筑物安全的判別要素之一，正確的調(diào)節(jié)保證計(jì)算在電站設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。但是調(diào)節(jié)保證計(jì)算的過程卻是復(fù)雜的，調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)就是按照水電站過水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組的特性，合理選擇開度的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律，進(jìn)行水錘和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化計(jì)算，使二者的數(shù)值限制在允許范圍內(nèi)，并力求使水錘壓強(qiáng)最小。

[1]張樹邦，高海軍.瑞麗匯水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2009(04)：17-19.

1007-7596(2017)05-0100-03

2017-04-17

溫澤貴(1984-)，男，廣東茂名人，工程師，從事水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

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