發電供水工程輸水系統過渡過程數值模擬方法研究

熊 俊 華

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510635)

0 引 言

隨著可飲用水資源的日益減少與人們對飲用水水質要求的不斷提高，一些原來距離城鎮較遠，只承擔灌溉、發電任務且水質較好的中小型水庫也被納入供水水源的考慮范圍[1]。從水電站引水隧洞或壓力管道直接引出取水管道從節省取水口工程投資的角度是較為理想的方案[2]。但由于供水工程與發電工程共用引水隧洞或壓力管道，引用流量的加大勢必造成水頭損失的增加，進而減小機組發電水頭、出力以及管道沿線的初始壓力。另外，由于兩者在取水點處存在水力聯系，無論哪一方在過渡過程中產生的水擊波都會通過該點投射入對方，繼而引起對方輸水系統的壓力波動，對發電系統而言還將造成機組的出力擺動。因此，在進行發電供水工程改造設計時，應對整個輸水系統在發電、供水以及發電+供水等工況下的過渡過程進行模擬分析計算，以保證整個輸水系統的安全性與穩定性。

本文以南水水庫發電供水工程為依托，首先提出此類輸水系統過渡過程的模擬計算分析思路；然后對整個輸水系統在發電、供水以及發電+供水三種工況下，恒定流計算初始參數的調整方法及對比；最后分析發電與供水兩輸水系統在非恒定流過渡過程中的相互影響機理。

1 模擬計算分析思路

由于發電供水工程中同時包含了供水系統與發電系統，為了更為全面地對其在過渡過程中的安全性和運行穩定性進行評價分析，擬按如下思路進行水力-機械過渡過程計算分析：

(1)供水工程輸水系統未向下游供水時，發電系統過渡過程計算分析。此部分內容主要復核原發電系統自身是否滿足控制要求。如果不能滿足要求，則需首先從其自身角度提出工程措施。

具體分析內容為：①發電系統恒定流復核計算，即在上下游特征水位組合下發滿出力(或限制出力)時，復核機組的導葉開度、水頭、流量等參數以及電站輸水系統的水頭損失；②發電系統非恒定流復核計算，即對大波動、小波動以及水力干擾過渡過程進行復核計算，獲得關鍵參數的變化過程與極值。

(2)電站停機，供水系統過渡過程計算分析。此部分內容主要分析供水系統設計能否滿足控制要求。同樣地，如果不能滿足要求，則需首先從其自身角度提出工程措施。

具體分析內容為：①供水系統恒定流計算分析。即在上下游特征水位組合下，調整減壓閥及末端調流閥的開度，使供水流量滿足設計要求，并復核供水系統的水頭損失、初始沿線壓力分布等；②供水系統非恒定流計算分析。即分析末端調節閥啟閉產生的水錘壓力對供水系統沿線壓力分布的影響。

(3)供水系統與發電系統均正常運行時的過渡過程計算分析。此部分內容主要分析發電與供水系統在各自發生過渡過程時，對彼此的相互影響，以及評估整個工程設計能否滿足控制要求，如果不能滿足要求，則需從整個工程角度提出工程措施。

具體分析內容為：①恒定流計算分析，即同時調整供水閥門與導葉開度，使供水系統與發電系統均按設計要求正常運行，并分析此時整個系統的水頭損失、初始沿線壓力分布等；②非恒定流計算分析，此部分既包含供水系統閥門啟閉產生的水錘壓力對其自身參數以及電站參數的影響又包含發電系統在大波動過渡過程中對機組自身調保參數以及供水系統沿線壓力的影響。

本文對輸水系統的計算主要依據一維有壓管道非恒定流基本方程，并結合各種邊界條件。在發電工程中涉及的邊界條件有水庫、岔管、調壓室、機組等；在供水工程中涉及的邊界條件有分水點、減壓閥、末端調流閥、水廠配水池等。由于文章篇幅原因，此處不對邊界方程進行詳細描述，具體參見文獻[3]。

2 實例分析

2.1 工程概況

南水水電站，是南水河上第一座大型電站。20世紀60年代工程初建時，安裝有3臺25 MW的混流式水輪發電機組，后于2000年進行增容擴機改造，3臺機組總容量達到100 MW，且在引水隧洞靠近調壓井的4#施工支洞內鋪設一條引水鋼管進入南源電站，并增設了2臺4 MW臥軸式機組。

南水水庫供水工程由水電站引水隧洞的4號施工支洞從南水水庫取水，以自流供水的方式向韶關市供水，輸水管線總長約37.95 km。主管設計取水流量為7.8 m3/s；輸水系統在K0+505樁號處分水進入乳源水廠，分水設計流量為1.2 m3/s；在K25+967樁號處分水進入二獅嶺水廠，分水設計流量為3.3 m3/s；其余輸送至西河二水廠，分水設計流量為3.3 m3/s。發電及供水輸水系統布置示意圖如圖1所示，機組主要參數如表1所示。

圖1 南水水庫發電供水工程輸水系統示意圖(單位：m)Fig.1 Sketch map of the south water reservoir project

在進行過渡過程計算分析時，取如下特征水位組合：

(1)D1(最大高差)：水庫校核洪水位226.644 m，西河二水廠配水池設計水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設計水位138.00 m，電站廠房校核洪水位89.944 m；

(2)D2(設計高差)：水庫正常蓄水位220.744 m，西河二水廠配水池設計水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設計水位138.00 m，電站廠房5臺機組尾水位88.454 m；

(3)D3(最小高差)：水庫發電極限水位197.744 m，西河二水廠配水池設計水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設計水位138.00 m，對應電站下游尾水位88.104 m。

另外，為了討論整個系統不同的運行方式，作如下規定：以代碼F表示未供水，電站機組正常運行；代碼G表示電站停機，供水系統正常運行；代碼F+G表示發電與供水系統同時運行。

2.2 恒定流計算及結果對比

當輸水系統中只有發電系統運行時(運行方式F)，恒定流計算內容為調整機組的導葉開度，使機組的出力滿足要求。

當輸水系統中只有供水系統運行時(運行方式G)，恒定流計算內容為調整減壓閥與末端調流閥的開度，以減壓閥的開度控制其后管線的壓力分布，再配合以末端調流閥的開度調節管線內的取水流量，在流量滿足設計要求的同時，對壓力留有適當裕度，使其在非恒定流時依然滿足要求。減壓閥的調整原則為：對于管線內最大壓力可能的控制工況，減壓閥宜選擇較小的開度；對管線內最小壓力的控制工況則宜選擇較大的開度。對于本工程在水位組合D1和D3的關閥工況，圖2與圖3分別顯示了這兩組水位組合下，減壓閥與末端調流閥取不同初始開度時，兩個水廠恒定流沿線壓力分布線。由于管線內流量相等，壓力分布線在減壓閥之后為一組平行線。由于兩水廠在K25+967樁號之前共用管線，此樁號前兩者的壓力分布一致，在K25+967樁號之后，由于二獅嶺水廠配水池設計水位(138.00 m)高出西河二水廠配水池設計水位(128.00 m)10 m，最小壓力控制工況減壓閥的初始開度由二獅嶺水廠末端調流閥處的壓力決定。其他水位組合下的關閥工況或開閥工況也按此方法確定初始開度。

圖3 二獅嶺水廠恒定流沿線初始壓力變化過程Fig.3 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant

當供水系統與發電系統同時運行時(運行方式F+G)，由于隧洞內流量增大，水頭損失增大，機組初始水頭減小，機組的導葉開度應相應增大，以增加過機流量及機組出力；對于供水系統輸水管道，減壓閥與末端調流閥的調整方法同前，本節取減壓閥開度與供水系統單獨運行時一致，在滿足供水設計流量時適當增加末端調流閥的開度。于是兩種運行條件下供水系統管道內壓力分布線平行，對應位置的水頭損失之差僅取決于增加的機組流量在分水點之前的引水隧洞段的水頭損失。各水位組合與運行方式下減壓閥與末端調流閥的初始開度、機組導葉初始開度的對比結果如表2與表3所示。供水工程輸水系統沿線初始壓力對比如圖4與圖5所示。

2.3 非恒定流計算及結果對比

在本工程非恒定流過渡過程的計算中，減壓閥始終保持在初始開度；末端調流閥采用由100%開度至全關的時間為1 298.42 s的直線關閉規律，以及由全關至100%開度為580.79 s直線開啟規律(各工況按初始開度折算相應的啟閉時間，兩水廠閥門同時動作)；機組采用8 s直線導葉關閉規律。供水工程輸水系統沿線壓力極值結果、電站機組調保參數極值結果及超出力結果如表4與表5所示。

從發電與供水兩輸水系統相互影響機理角度分析，對于供水工程輸水系統而言，末端調流閥與導葉的動作都可引起其壓力變化，前者的影響機理為在其啟閉的過程中，水擊波在閥門處反射并向上游傳播，并在調壓室及分

水點處發生反射，繼而引起供水系統管道內的壓力上升和下降，因此從壓力分布線來看也有末端調流閥處壓力波動幅值最大，并向上游逐漸減小的現象；后者的影響機理為在其關閉過程中，水擊波在導葉處反射，沿電站輸水系統進行傳播，并在分水點處向主管和供水管道發生透射，透射入供水管道內的水擊波(首波)以及調壓室的水位波動(尾波)共同影響供水管道內壓力波動，因此從壓力分布線來看在分水點處壓力波動幅值最大，并向下游逐漸減小。對于發電系統，上述影響過程相反。并且從表中可以看出調流閥或導葉啟閉對自身參數的影響要遠遠大于對對方系統的影響。

表2 初始運行條件G與F+G，恒定流條件下減壓閥與調流閥初始開度及水頭損失Tab.2 The initial opening and head loss of the pressure reducing valve and regulating valve in the steady case under G and F+G operation mode

表3 初始運行條件F與F+G，恒定流條件下機組初始參數Tab.3 The initial parameters of the unit in the steady case under F and F+G operation mode

圖4 G與F+G兩種運行方式下西河二水廠恒定流沿線初始壓力Fig.4 The initial pressure distribution along the pipeline system for Xihe Water Plant under G and F+G operation mode

圖5 G與F+G兩種運行方式下二獅嶺水廠恒定流沿線初始壓力Fig.5 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant under G and F+G operation mode

表4 初始運行條件G與F+G，非恒定流條件下供水系統沿線壓力極值Tab.4 The extreme values of the pressure along the pipeline system in the transient process under G and F+G operation mode

表5 初始運行條件F與F+G，非恒定流條件下機組甩負荷機組參數極值Tab.5 The extreme values of the parameters of the units in the transient process under F and F+G operation mode

從不同運行方式角度對比，供水工程與電站同時運行與單獨運行相比，一方面由于引水隧洞段水頭損失的增加，造成初始壓力降低，使得最大壓力與最小壓力均有下降的趨勢，且下降程度取決于引水隧洞內流量的增加量；另一方面由于水擊波在分水點處向另一管道系統發生透射，使得壓力在該點沒有發生全反射，即另一管道系統起到了一定程度的平壓作用，影響結果為最大壓力下降而最小壓力上升。因此，在上述兩方面原因的綜合作用之下，供水系統內沿線最大壓力明顯減小，最小壓力則較為接近。機組調保參數極值也存在類似結果。

圖6 F+G運行方式下樁號K23+112處壓力波動過程Fig.6 The pressure curve at K23+112 under F+G operation mode

圖7 F+G運行方式下西河二水廠非恒定沿線壓力分布線Fig.7 The maximum and minimum pressure envelopes for Xihe Water Plant in the transient process under F+G operation mode

3 結 論

本文以南水水庫供水工程為例，針對發電與供水共用引水隧洞這一類工程建立了數學模型，并分析了該系統在僅發電、僅供水以及二者同時運行模式下恒定流參數的確定方法，以及兩系統在過渡過程中的相互影響，計算結果表明：閥門與導葉動作產生的水擊波沿其自身管道向上游傳播，在取水點處向對方管道發生透射從而導致其壓力波動與機組的出力擺動，但當管道較長時，相互影響較小并且不會產生有害的波動疊加。最后歸納得到此類發電供水工程輸水系統過渡過程模擬計算分析思路和方法，為此類發電供水工程改造設計提供了借鑒和依據。

□