長引水式水電站小波動影響因素分析

謝 輝 張 健 俞曉東

(河海大學 水利水電學院， 南京 210098)

長引水式水電站小波動影響因素分析

謝 輝 張 健 俞曉東

(河海大學 水利水電學院， 南京 210098)

基于一維瞬變流理論，采用考慮水體彈性的特征線法對長引水式水電站小波動過渡過程的影響因素進行了數值模擬．結合某一具體的工程算例，分析了調壓室面積、阻抗孔面積、電網負荷自調節系數以及調速器參數對小波動特性的影響．相應的計算結果表明：對于長引水式水電站，調壓室面積越大，小波動穩定性越好，滿足小波動穩定性所需調壓室斷面積應大于托馬臨界穩定斷面；阻抗口面積越小，越有利于改善小波動的調節品質；電網負荷特性能顯著改善小波動穩定性及調節品質；在滿足小波動穩定性的前提下，調速器參數取值越小，小波動調節品質越好．

長引水式水電站； 小波動； 數值模擬

隨著我國水電事業的大力發展，建成了一批具有超長引水隧洞的水電站．此類電站由于受到地形地質條件的限制，不得不修建很長的引水隧洞．對于此類長引水式水電站，其水流慣性時間常數Tw比較大，往往需要設置斷面積很大的上游調壓室才能滿足小波動穩定性的要求[1]．一般來說，調壓室面積不應小于托馬臨界穩定斷面．在負荷發生小擾動時，電站小波動問題十分突出，容易出現調壓室水位波動振幅大、周期長以及衰減慢、機組轉速變化很難在相應的調節時間內進入并網所要求帶寬等特點[2-3]，嚴重影響了此類電站的正常運行與控制．因此，有必要對長引水式水電站小波動影響因素進行研究，為此類型的水電站的設計和運行控制提供相應的依據．

本文通過有壓管道水流基本方程，結合調壓室基本方程、機組運動方程以及調速器方程，考慮水流彈性的影響，采用特征線法對長引水式水電站小波動影響因素進行了數值計算[4-6]．研究了調壓室面積、阻抗孔面積、電網負荷自調節系數以及調速器參數對小波動特性的影響，得出了相應的結論，給類似電站提供了工程經驗．

1 工程實例

某長引水式水電站由引水隧洞、上游阻抗式調壓室以及壓力管道組成，一個水力單元采用“一洞兩機”的布置型式，其布置簡圖如圖1所示．水輪機額定水頭為43 m，額定流量為121.2 m3/s，額定出力為47.2 kW，額定轉速為142.9 r/min，其中引水隧洞(從進水口至上游阻抗式調壓室)總長為8 302 m，直徑為9.4 m，調壓室后65 m處采用壓力鋼管，直徑8 m，各管段參數見表1．

圖1 簡化后的電站布置示意圖

管段管道特性參數長度Li/m 面積Ai/m2 水頭損失系數αi引水隧洞段8302.0069.400.000115上游調壓室至岔管107.5050.270.000005岔管至1#機組55.2223.590.0000371#機組至下庫25.6514.650.000025岔管至2#機組55.2223.590.0000372#機組至下庫25.6514.650.000025

注：水頭損失系數包括沿程和局部水頭損失，對應計算公式為ΔH=αQ2．

2 數學模型

有壓管道水流基本方程為：

式中，H為測壓管水頭；V=Q/A為管道平均流速，其中Q為管道流量，A為管道橫截面積；a為水錘波速；D為管道直徑；x為沿管道軸線的距離；t為時間；α為管道軸線與水平面之間的夾角；f為摩阻系數；g為重力加速度．

上述式(1)和式(2)可以簡化為標準的雙曲型偏微分方程，可以利用特征線法將其轉化為同解的管道水錘計算特征相容方程：

式中，HA(t)、HB(t)為長度為L的管道A-B，其兩端點A，B邊界在t時刻的瞬態水頭；QA(t)、QB(t)為瞬態流量．(3)式和(4)式均只有兩個未知參數，將其分別與A，B節點的邊界條件聯立計算，即可求得A，B節點的瞬態參數．

上游調壓室基本方程：

連續方程

動量方程

式中，Fu為上游調壓室有效截面積；Zu為調壓室水位；Q1、Q2為1、2管段對應流量；hw為水體進出調壓室的摩阻損失．

機組運動方程：

PID型調速器方程：

式中，bti，bpi，Tdi，Tni(i=1～2)分別為各PID型調速器的暫態轉差系數、永態轉差系數、緩沖時間常數以及微分時間常數；μi為各機組的開度變化相對值．

聯立方程(3)～(8)式即可利用特征線法對長引水式水電站小波動過渡過程進行數值模擬計算．

3 數值模擬

一般情況下，機組運行水頭越低，其水力-機械小波動穩定性往往越差．故選取最低水頭：上庫死水位784.00 m，下庫校核洪水位743.777 m，兩臺機組部分出力運行，每臺機組給予5%的減負荷擾動作為計算工況，研究不同參數對小波動特性的影響．

小波動評價指標主要以調壓室水位波動和機組轉速波動是否衰減以及衰減程度快慢為主．機組轉速波動分為主波和尾波：主波為周期短、衰減快的第一波轉速變化；尾波是由調壓室水位波動引起的波動時間長、衰減慢的低頻振蕩波，是影響小波動調節品質好壞的主要因素．

3.1 調壓室斷面積的影響

經計算知：此電站小波動穩定所需要的托馬穩定斷面面積為1 331.84 m2[7]．由于此電站引水隧洞特別長，水體慣性很大，而托馬穩定斷面的推導未考慮水體彈性，故僅僅以托馬穩定斷面作為此類電站小波動是否穩定的臨界斷面是不合適的，需要研究不同調壓室斷面積下小波動的穩定性情況．取調壓室面積為F=KFth，其中Fth為托馬穩定斷面面積，K為比例系數，調速器參數經優化后取Td=10.0 s，Bt=1.0，Tn=1.5 s．圖2為相同工況和相同參數條件下，不同調壓室面積對應的機組轉速以及調壓室水位波動變化過程線的計算結果．

圖2 小波動過渡過程主要參數變化過程線

由計算結果可知:當調壓室斷面積為托馬穩定斷面的0.8、0.9及1.0倍時，調壓室水位和機組相對轉速均發散，系統小波動不能穩定；當調壓室面積為托馬穩定斷面的1.1及1.2倍時，調壓室水位和機組相對轉速均收斂，系統小波動穩定．且調壓室斷面積越大，調壓室水位波動周期越大，波動從發散至收斂，衰減加快；機組轉速主波部分無明顯變化，尾波波動周期變大，衰減加快，能更快的進入電站并網所需要的頻率帶寬內，小波動穩定性及調節品質越好．

對于長引水式水電站，不能以托馬臨界斷面來判斷系統小波動是否穩定，應該結合電站的布置形式具體分析．本例中調壓室面積取為托馬斷面時，調壓室水位和機組相對轉速均發散，系統水力-機械小波動不能穩定．且調壓室面積越大，系統小波動穩定性和調節品質越好．但過大的調壓室面積造價太大，不經濟，因此，此類電站調壓室斷面積的選取應該在滿足系統小波動穩定性和調節品質的要求下，結合大波動過渡過程綜合考慮，選取最為經濟的斷面積．

3.2 阻抗孔面積的的影響

一般來說，阻抗的存在往往有利于系統小波動的穩定性．不同的阻抗孔面積影響著進出調壓室的流量，從而影響機組的引用流量，當負荷發生小擾動時，會對系統小波動造成一定的影響．選取調壓室面積F=1.1Fth，調速器參數經優化后取值為Td=10.0 s，Bt=1.0，Tn=1.5 s，針對不同的阻抗孔面積，在相同工況和相同的參數下，研究阻抗孔面積對于小波動的影響，具體計算結果見表2．

表2 不同阻抗孔面積計算結果

由計算結果可知：隨著阻抗孔面積的增大，機組轉速最大上升值變小，最大轉速偏差相應的變小，且變化幅度均很小，說明阻抗孔面積的變化對主波部分影響不是很大；但尾波變化周期和調節時間均變長；調壓室涌浪波動振幅和波動周期增大，調節品質在逐漸變差．可見，當調壓室斷面積一定時，阻抗孔面積越小，水力-機械小波動調節品質越好．但考慮到大波動過渡過程中，阻抗式調壓室不能完全反射水錘波，過小的阻抗孔面積容易導致“水擊穿室”，使得大波動主要調保參數逐漸惡化．因此，在分析阻抗孔面積對小波動特性的影響時，首先應滿足大波動過渡過程主要調保參數的要求，在此基礎上，選取越小的阻抗孔面積，有利于小波動的穩定性以及系統的調節品質．

3.3 電網負荷自調節系數的影響

大部分水電站正常運行時是并入電網運行．當電站并網時，電網負荷特性會對水力-機械小波動穩定性和調節品質造成一定的影響．選取調壓室斷面積為F=1.1Fth，調速器參數取較大數值Td=19.0 s，Bt=1.8，Tn=1.5 s，針對不同的電網負荷自調節系數Ep，研究其對小波動調節品質的影響．具體的數值計算結果如圖3所示．

圖3 小波動過渡過程主要參數變化過程線

由計算結果可知：隨著電網負荷自調節系數取值的增大，調壓室水位衰減明顯變快，但波動周期變大；機組轉速變化主波部分最大轉速偏差變小，尾波部分調節時間變短，波動周期變長，機組轉速逐漸進入±0.2%帶寬，機組小波動調節品質得到明顯改善．這說明電網負荷自調節系數是有利于系統小波動穩定性的，小波動過渡過程中按孤網考慮(即電網負荷自調節系數Ep=0)是偏安全的．

實際上，對于長引水式水電站，由于水體慣性大，所需要的調壓室斷面積往往很大，調壓室水位和機組轉速波動周期時間長，衰減慢，小波動調節品質往往很差，但當此類電站并入電網運行后，調節品質能得到明顯改善．

3.4 不同調速器參數取值的影響

調速器參數的取值影響著水力-機械小波動的穩定性和調節品質．取調壓室面積為F=1.1Fth，在滿足系統小波動穩定性條件下，針對不同的Td、Bt值，在相同工況和相同參數的條件下，改變調速器參數的取值，具體計算結果見圖4及表3．

圖4 小波動過渡過程主要參數變化過程線

由計算結果可知：在系統小波動穩定的情況下，隨著Td、Bt值的增大，調壓室水位波動和機組相對轉速變化呈現不同的變化規律：調壓室水位波動衰減速度加快，最高水位逐漸降低，最低水位逐漸上升，但變化幅度均不是很大；機組相對轉速變化主波部分轉速最大偏差值增大，尾波部分調節時間明顯增大，以致不能進入并網所要求的帶寬之內，調節品質逐漸惡化．

對于長引水式水電站，在滿足小波動穩定性的情況下，選取較小的調速器參數可以改善系統小波動的調節品質，使電站更快的并網．

表3 不同調速器參數計算結果

4 結 論

影響長引水式水電站水力-機械小波動的因素有很多，本文著重分析了調壓室參數、調速器參數特性以及電網特性對小波動穩定性和調節品質的影響．得出以下主要結論：此類電站滿足小波動穩定性的調壓室斷面積應大于托馬穩定斷面，且調壓室面積越大，小波動穩定性越好，調節品質越好；在保證大波動調保參數控制標準的要求下，越小的阻抗孔面積越有利于改善小波動的調節品質；電網負荷自調節系數是一個有利于小波動穩定的因素，長引水式水電站并入電網運行后，小波動調節品質能得到明顯改善；在滿足小波動穩定的前提下，調速器參數取值越小，小波動調節品質越好．

對于長引水式水電站，滿足小波動穩定性所需要的調壓室面積往往比較大，如何選擇具體的調壓室面積，兼顧小波動穩定性與降低工程造價值得進一步深入研究．

[1] 鄭 源，張 健．水力機組過渡過程[M]．北京：北京大學出版社，2008．

[2] 付 亮，楊建東，李進平，等．帶調壓室水電站調節品質的分析[J]．水力發電學報，2009,28(2):115-120．

[3] 焦云喬，江春波，孔慶榮，等．長引水隧洞水電站小波動過渡過程影響因素研究[J]．水力發電學報，2009，28(3):157-163．

[4] 俞曉東，李高會，盧偉華．基于兩種數學模型的水力-機械小波動穩定分析[J]．水電能源科學，2009，27(5):172-175．

[5] 俞曉東，張 健，陳 勝．尾水采用室后交匯布置的水電站過渡過程研究[J]．水力發電學報，2014,33(6):142-148．

[6] 李路明，張 健，陳 勝．負荷擾動及工作水頭對水電站小波動過渡過程的影響[J]．水電能源科學，2009,28(2):166-168．

[7] 國家能源局．水電站調壓室設計規范(NB/T 35021-2014)[S]．北京：中國電力出版社，2014．

[責任編輯 王康平]

Analysis of Influence Factors on Small Fluctuation of Long Diversion Type Hydropower Station

Xie Hui Zhang Jian Yu Xiaodong

(College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Based on the one-dimensional transient flow theory, a numerical simulation of the influence factors of the small fluctuation of long diversion hydropower stations is conducted by using the characteristic line method which considers the water elasticity. The effects of the area of surge chamber, the area of impedance hole, the self regulating coefficient of power network load and the parameters of the governor on the small fluctuation are analyzed by using a specific engineering case study. The corresponding calculation results show that the larger the area of surge chamber, the better the stability of small fluctuations; The area of surge chamber meeting the stability of small fluctuations should be larger than Thomas stability section The smaller the impedance hole area is, the more conducive to improving the quality of small fluctuations. The grid load properties can improve the stability and the regulation quality of small fluctuation notablely. The smaller governor parameteris, the better regulation quality of small fluctuation under the premise of satisfying the small fluctuation stability.

long diversion type hydropower station; small fluctuation; numerical simulation

2016-12-12

國家自然科學基金(51379064)

謝 輝(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為水電站、泵站過渡過程．E-mail：xhui1993@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.002

TV745

A

1672-948X(2017)04-0005-05