設(shè)調(diào)壓井的長(zhǎng)距離有壓引水電站機(jī)組調(diào)保計(jì)算仿真研究分析

楊 超，龍 斌

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概述

1.1 工程概況

格鬧河水電站建設(shè)工程地處云南省與貴州省兩省河界洛澤河中上游河段上，工程區(qū)距離云南省彝良縣城約73km，距貴州省威寧縣城約79km。洛澤河流域梯級(jí)電站共分為三級(jí)電站，其中格鬧河水電站位于貴州省，為洛澤河流域第二級(jí)電站。

格鬧河水電站工程規(guī)模為中型，采用一管兩機(jī)布置型式，電站裝機(jī)容量為2×32MW，保證出力9.19MW，年利用小時(shí)數(shù)為3870h。水庫(kù)總庫(kù)容182萬(wàn)m3，正常蓄水位1470m，引水隧洞采用有壓引水方式，全長(zhǎng)10178.0m。電站按“無(wú)人值班，少人值守”原則設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。電站投產(chǎn)后在電力系統(tǒng)中主要擔(dān)任腰荷、調(diào)峰作用。格鬧河水電站水文參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 計(jì)算方法

對(duì)于水電站引水發(fā)電系統(tǒng)，水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算主要是有壓管道非恒定流的計(jì)算，主要的邊界條件有電站機(jī)組、水庫(kù)、岔管和調(diào)壓室等。為便于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算仿真分析，通常有壓管道非恒定流計(jì)算的主流方法是采用特征線法[2]。有壓管道非恒定流基本方程為：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中，H—以某一水平面為基準(zhǔn)的測(cè)壓管水頭，m；V—管道斷面的平均流速，m/s；A—管道斷面面積，m2；Ax—管道斷面面積隨x軸線的變化率，m；θ—管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角，(°)；S—濕周，m；f—Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)，N/m；α—水擊波傳播速度，m/s。

本電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法采用基于特征線法的計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算方法，其計(jì)算成果可為水電站動(dòng)態(tài)調(diào)試提供重要依據(jù)[3]。

1.3 計(jì)算準(zhǔn)則

根據(jù)本電站的實(shí)際情況與NB/T 10878—2021《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4]如下：

(1)因本站機(jī)組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮螅也粨?dān)任調(diào)頻，因此機(jī)組甩全負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率小于60%。

(2)機(jī)組甩全負(fù)荷的，最大蝸殼壓力升高率保證值小于30%，即最大蝸殼壓力值213.2m(H2O)。

(3)機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)的最大真空度不大于8m(H2O)。

(4)壓力輸水系統(tǒng)斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不低于0.02MPa。

(5)校核調(diào)壓井最高、最低涌波是否滿足NB/T 35021—2014《水電站調(diào)壓井設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

1.4 計(jì)算基本參數(shù)

本工程總體布置為：大壩+溢洪道+底孔+引水系統(tǒng)+發(fā)電廠房+升壓站。發(fā)電廠房采用地面式廠房，廠區(qū)主要建筑物有主廠房、副廠房、升壓站及尾水渠等。

電站引水隧洞采用有壓引水方式，全長(zhǎng)10178.0m，采用馬蹄形斷面，開挖洞徑6.2m，坡降i=2.5/1000；調(diào)壓井為阻抗式，調(diào)壓井有效面積為109.5m2，調(diào)壓井阻抗孔系數(shù)為0.0105391，調(diào)壓井通過(guò)高壓埋管及叉管連接進(jìn)入廠房。壓力鋼管為地下埋管，為一管兩機(jī)布置型式，設(shè)有對(duì)稱“Y”型月牙肋式鋼岔管與主支管相接，主管長(zhǎng)度277.6m，管徑3.6m，支管長(zhǎng)度10.8m，管徑2.5m，支管后采用錐形管接發(fā)電機(jī)進(jìn)水管，錐管長(zhǎng)度2.5m，管徑直徑由2.5m漸變到2.2m。本電站引水系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示，水輪發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 格鬧河水電站引水系統(tǒng)布置示意圖

表2 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)表

2 機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算分析

2.1 計(jì)算工況

計(jì)算工況需結(jié)合電站的運(yùn)行特點(diǎn)，考慮到電站運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的工況及電站運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的不可避免的組合工況[5]；通過(guò)分析，選擇以下幾個(gè)控制工況進(jìn)行計(jì)：

(1)額定水頭運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組甩額定負(fù)荷；

(2)水輪機(jī)在上游為校核庫(kù)水位時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組甩額定負(fù)荷；

(3)水輪機(jī)在上游為死水位時(shí)，1#機(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)，2#機(jī)從空載狀態(tài)增加滿負(fù)荷；

(4)水輪機(jī)在上游為死水位時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩額定負(fù)荷；

(5)兩臺(tái)機(jī)組在最大水頭情況下甩額定負(fù)荷；

(6)上游為死水位時(shí)，1#機(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)，2#機(jī)從空載狀態(tài)增加負(fù)荷；180秒之后，兩臺(tái)水輪機(jī)同時(shí)丟棄額定負(fù)荷；

(7)上游為死水位時(shí)，兩臺(tái)水輪機(jī)帶額定負(fù)荷運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷340秒之后再增至滿負(fù)荷；

(8)上游為死水位時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩額定負(fù)荷；350秒一臺(tái)機(jī)增負(fù)荷到滿負(fù)荷；

(9)上游為死水位時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組甩額定負(fù)荷；350秒兩臺(tái)機(jī)同時(shí)增負(fù)荷到滿負(fù)荷；

(10)上游為死水位時(shí)、最小水頭，機(jī)組處于空載狀態(tài)，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)增至額定負(fù)荷；

(11)上游為死水位時(shí)、最小水頭，機(jī)組處于空載狀態(tài)，一臺(tái)機(jī)機(jī)增至額定負(fù)荷，另外一臺(tái)機(jī)410秒再增負(fù)荷。

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算出格鬧河水電站2臺(tái)機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的起始工況水力特性參數(shù)，如表3所示。

表3 初始工況計(jì)算結(jié)果表

在施工圖階段通過(guò)用初設(shè)(擴(kuò)機(jī))階段推薦的關(guān)閉時(shí)間(9s)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各種工況計(jì)算結(jié)果表(關(guān)閉時(shí)間為9s)

由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)關(guān)閉時(shí)間取9s計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值40.3%，蝸殼最大壓力207.0m，調(diào)壓井最高涌波1481.8m，最低涌波1446.3m，最低尾水管壓力-1.37m，以上數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，但是節(jié)點(diǎn)4最低壓力1460.3m和節(jié)點(diǎn)5最低壓力1454.9m，不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求壓力輸水隧洞斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不低于0.02MPa；通過(guò)分析，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率和蝸殼壓力上升值尚有一定的裕度，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間調(diào)整和優(yōu)化的空間[6]，通過(guò)試算，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為16s，較為合理，所以推薦格鬧河水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為一段直線關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間為16s。關(guān)閉時(shí)間為16s計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，優(yōu)化后極端值對(duì)比表見(jiàn)表6。

表5 各種工況計(jì)算結(jié)果表(關(guān)閉時(shí)間為16s)

表6 極端值對(duì)比表

通過(guò)關(guān)閉時(shí)間16s復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值55.8%，蝸殼最大壓力194.2m；調(diào)壓井最高涌波1482.3m，最低涌波1445.1m；最低尾水管壓力-2.07m；上游最低發(fā)電水位1468.0m時(shí)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)增加負(fù)荷(工況9)，節(jié)點(diǎn)4和5斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不低于0.02MPa，不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其余調(diào)保計(jì)算指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。工況9節(jié)點(diǎn)4和5壓力波動(dòng)圖如圖2所示。

圖2 工況9，引水系統(tǒng)3/4/5/6/9節(jié)點(diǎn)壓力波動(dòng)圖

3 結(jié)論

鑒于設(shè)調(diào)壓井的長(zhǎng)距離有壓引水系統(tǒng)布置的復(fù)雜性，如何準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)組進(jìn)水閥門的關(guān)閉時(shí)間和避免對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行極為不利的組合工況是該類工程設(shè)計(jì)時(shí)急需考慮的問(wèn)題[7]。對(duì)格鬧河水電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證可能出現(xiàn)的各工況計(jì)算結(jié)果分析，得出以下結(jié)論。

(1)上游處于最低發(fā)電水位，電站機(jī)組甩負(fù)荷后，兩臺(tái)機(jī)組不應(yīng)同時(shí)增負(fù)荷，應(yīng)一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷到穩(wěn)定運(yùn)行之后再給另一臺(tái)機(jī)組增加負(fù)荷。

(2)由于電站引水隧洞較長(zhǎng)，為了電站安全運(yùn)行，不建議電站超出力運(yùn)行。

此外，對(duì)于格鬧河水電站還有一些特殊工況需要進(jìn)一步研究，如“兩臺(tái)機(jī)組在最大水頭情況下甩110%額定負(fù)荷(相當(dāng)于工況5的超負(fù)荷工況，校核最大蝸殼壓力)”等。