塔林西水電站調節保證措施研究

張芷豪，于 奎，王經緯

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

電站調節保證工作是水電工程設計必不可少的一個重要環節，關系到電站運行安全與經濟效益。國內外學者開展過大量研究探討電站調節保證的理論方法。但以往研究多停留在理論框架層面，對具體電站進行實證分析研究較少。塔林西水電站是呼瑪河水力資源開發的重要電站。但由于其地處寒冷地區，勘測工作難度大，對電站調節保證設計提出了更高要求。國內學者相關論文主要關注傳統電站調節保證方法，而未針對寒區電站開展實際案例分析。本研究以塔林西水電站為例，結合該電站的具體工程地質條件及機組參數，對設置調壓室與不設置調壓室進行比較，進而選定最優調節保證措施方案。利用水錘模擬技術驗證計算結果，為塔林西水電站調節保證設計提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

塔林西水利樞紐是呼瑪河干流中游段水能梯級規劃中的控制工程，該工程的開發任務是發電、防洪，兼有保護生態環境等作用[1]。塔林西水電站引水建筑物布置在壩址左岸，采用一洞四機供水方式，由岸塔式進水口、壓力引水道組成。水庫設計洪水位為449.18m，正常蓄水位為447.00m，死水位為432.00m，設計發電流量為282.2m3/s。進水口采用岸塔式，進口底板高程為403.5m。引水隧洞布置在左岸副壩下部與溢洪道之間低山區，引水主洞為圓形，直徑12m，引水主洞長244.5m，引水隧洞最大引水流量282.2m3/s；隧洞縱坡為0.0327。在樁號0+052—0+108.7處設轉彎段，轉角50°，轉彎半徑65m。根據地形、地質條件及洞長，引水主洞全斷面采用鋼筋砼襯砌和鋼板襯砌，在樁號0+024—0+164.5處采用鋼筋砼襯砌，鋼筋砼襯砌厚為1.0m；在樁號0+164.5—0+244.5處，采用鋼板襯砌，外包鋼筋混凝土，鋼板采用16Mn鋼，厚22mm，外包鋼筋混凝土厚為0.8m。鋼板襯砌引水隧洞在樁號0+244.5處設發電分岔管。

分岔管采用為對稱Y型，分岔角為70°，分岔管后連接2條發電支管，管徑7m，采用內襯16mm厚鋼板，外包70cm厚鋼筋混凝土襯砌。每條發電支管再分岔管，各分出2條發電支管，管徑4m，采用內襯14mm厚鋼板，外包50cm厚鋼筋混凝土襯砌。蝸殼進水管中心線高程401.5m，分岔支管總長44.56m。

1.2 電站基本參數

水電站地處大興安嶺地區，裝機容量占整個電網總容量的50%，在大興安嶺電網中為主導電站。該電站為混合式電站，廠房布置在呼瑪河左岸壩下游166m處的山坡處。廠房安裝4臺HLA551-LJ-300立式混流水輪機組，單機容量25MW，總裝機容量為100MW。機組安裝高程為401.50m，尾水管底高程391.92m。電站基本參數見表1。

表1 電站基本參數表

2 電站調節保證措施對比分析

2.1 設置上游調壓室的初步判別

2.1.1基于水道特性的初步判別

根據SL 655—2014《水電站調壓室設計規范》，設置上游調壓室的條件[2]，可按下式做初步判別：

Tw>[Tw]

(1)

(2)

式中，Tw—壓力管道中水流慣性時間常數，s；Li—壓力管道及蝸殼各段長度，m；vi—個管段內相應的平均流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Hp—設計水頭，m；[Tw]—Tw的允許值，一般取2～4s。

[Tw]的取值隨電站在電力系統中的作用而異。當水電站作孤立電網運行，或機組容量在電力系統中所占比例超過50%時，Tw宜用小值，而本電站在大興安嶺獨立運行時，占該電網比重超過50%，因此本次設計Tw暫取2.5s。經計算，在確定引水系統布置條件下，基礎資料及洞長相同，各洞徑Tw初步計算值見表2。

表2 Tw值計算表

由表2可知，當洞徑大于或等于12m時，Tw<2.5s，可初步判定不設置上游調壓室。而具體設不設置上游調壓室還需進一步分析判別。

2.1.2基于機組特性的初步判別

根據SL 655—2014，電站運行穩定性與水流慣性時間常數Tw1、機組加速時間常數Ta等密切相關，不設置上游調壓室的初步判別條件應滿足以下條件：

(3)

(4)

式中，Tw1—上、下游自由水面間壓力水道中水流慣性時間常數，s；Ta—機組加速時間常數，s；GD2—機組飛輪力矩，kg·m2；n—機組的額定轉速，r/min；P—機組的額定出力，w。

水流慣性時間常數Tw1按照公式(2)計算。代入數據，得Ta=9.06s，由此可計算得出，當洞徑為11m和12m時，滿足公式(3)條件；當洞徑為9m和10m時，不滿足公式(3)條件，可按圖1所示關系圖進一步判別；當處在①區時，可不設置上游調壓室；當處在③區時，應設置上游調壓室；當處在②區時，應詳細研究設置上游調壓室的必要性。根據圖示關系，當洞徑為9m和10m時，處于②區，因此具體設不設置上游調壓室需進行洞徑經濟比較確定。

圖1 Tw1、Ta與調速性能關系圖

2.1.3洞徑比較

水電站總裝機容量為100MW，機組4臺，引水隧洞最大引水流量282.2m3/s。減小壓力管道中的流速可以減小其中單位水體的動量，因此，在同樣調節時間內，可以減小動量的變化梯度，從而減小水錘壓強[3]。在流量一定的情況下，減小流速意味著加大管徑。用減小流速的辦法降低水錘壓強，往往是不經濟的，一般并不采用。但在一定條件下，例如在適當地加大管徑可以免設調壓室時，采用這一措施可能是合理的。本次選用了9、10、11、12、13m五個洞徑(D)均設置上游調壓室進行經濟比較。比較出較優的方案與12m洞徑不設置上游調壓室的方案再進行經濟比較，確定最優方案[4]。根據地形及地質條件，各洞徑方案調壓室均設在樁號0+194.5處，采用圓形斷面阻抗式調壓室，壓力管道布置方式均相同。各洞徑主要技術經濟指標比較見表3—4。

表3 塔林西電站洞徑比較成果表

表4 是否設置上游調壓室經濟對比表

從3—4表中可以看出，設置上游調壓室時，洞徑10m和11m之間差額內部收益率為15.6%，而洞徑11m和12m之間差額內部收益率為8.66%，小于10%的基礎折現率，所以洞徑為11m是經濟合理的。而不設置上游調壓室洞徑為12m的方案，比設置上游調壓室洞徑為11m的方案，投資減少148萬元，因此不設置上游調壓室洞徑為12m的方案優于設置上游調壓室洞徑為11m的方案，故推薦使用不設置上游調壓室洞徑為12m的方案[5]。不設置上游調壓室洞徑為12m的方案還需調節保證計算初步分析看是否滿足要求。

2.2 是否需設置下游調壓室判別

根據SL 655—2014規定，設置下游調壓室的條件，以尾水管內不產生液柱分離為前提。由表3—4可知，在不設置上游調壓室洞徑為12m的工況下，尾水管的最小壓力遠小于規定的調節保證設計值-0.08MPa。

在尾水管滿足條件的前提下，常規水電站滿足下式時應設置下游調壓室。

(5)

經計算，不設置上游調壓室洞徑為12m的方案滿足條件，因此不需設置下游調壓室。

3 電站調節保證計算

3.1 不設置調壓室方案的調節保證計算

根據NB/T 10878—2021《水力發電廠機電設計規范》的規定[6]，機組為混流式機組，該電站裝機占系統容量比重較大，且擔負調頻任務，機組的轉速上升率宜小于50%。本電站額定水頭為40.75m，機組甩負荷時蝸殼的最大壓力升高率保證值應在30%～60%之間。尾水管最小壓力調節保證設計值應該小于-0.08MPa。

引水系統設計推薦方案為洞徑12m不設置調壓室方案，經計算引水系統∑LV=988.49m2/s。調節保證計算成果見表5。

表5 調節保證計算成果表

由表5看出，調速器導葉關閉時間在7.4～11s時，可以同時滿足蝸殼壓力上升、水輪機轉速上升和蝸殼尾水管最小壓力的設計要求。調節保證要求，在將水輪機轉速上升率控制在合理范圍內的前提下，盡量減小蝸殼壓力[7]。初步設計暫取調速器導葉關閉時間選擇11s。此時蝸殼壓力上升為31.4%，水輪機轉速速率上升47.6%。

3.2 調節保證模擬計算

Bengtley Hammer水錘模擬軟件做調節保證計算來進一步驗證，如圖2所示。在推薦方案為洞徑12m不設置調壓室的工況下，模擬計算得出在在不同導葉關閉時間的情況下，水輪機蝸殼壓力與轉速的變化情況。由圖2可知，當導水葉關閉時間減少時，蝸殼處的壓力逐漸增大；反之，當導水葉關閉時間延長，輪機機組轉速為之不斷上升[8]。

圖2 模擬計算圖

可以看出蝸殼壓力和水輪機導水葉關閉時長程負相關，水輪機轉速與導水葉關閉時長呈正相關。因此，我們可以找到一個時間區域，在這個區域內可以同時滿足蝸殼壓力和水輪機轉速均處于規定范圍內。由圖2出當調速器導葉關閉時間在5.8～13s時，可以滿足規范。當調速器導葉關閉時間為初步設計的11s時，再次用水錘軟件模擬[9]，得出整個塔林西水電站引水系統管道的壓力水頭包絡線和管道內的空氣容積圖，如圖3所示。

圖3 引水系統壓力水頭包絡線和管道空氣容積圖

當水輪機導葉突然關閉時，將引起水錘效應，管道內的壓力將急劇變化，在此過程中，整個系統內最高水頭456.92m，最低水頭436.37m。NB/T 10878—2021規定，有壓輸水系統全線各斷面最小壓力不應小于0.02MPa，模擬得出輸水系統斷面最小壓力為0.34MPa，符合要求。而且從圖3可以看出整個管道系統沒有出現負壓，管道內統沒有出的空氣容積始終為0，這就避免出現斷流彌合水錘[10]，防止對管道產生巨大的破壞。然后根據Hammer擬計算得出水輪機蝸殼處的壓力，此時蝸殼處的壓力達到55.25m，增幅達到38.13%，處于合理范圍內，通過水輪機的流量也逐漸減小為零，如圖4所示。此外，也同樣模擬出了在導水葉關以后水輪機轉速的變化曲線，如圖5所示?？芍啓C轉速在此過程中不斷上升，到達最高轉速后緩慢下降，最高轉速為275.5r/min，轉速上升率46.9%，滿足規范要求。因此不設置調壓室洞徑為12m方案的調節保證設計滿足要求，機組調速穩定初步判定符合要求[11]，但需待有資料時進一步研究。初步擬定每臺機組裝設一套WT-100/40型微機調速器，同時每臺機組蝸殼前壓力鋼管各裝設一臺φ4000mm的液壓蝶閥，用于機組檢修時截斷水流，當調速器或導葉發生故障時緊急切斷水流。為防止機組過速和飛逸事故，設置過速限制器。

圖4 蝸殼處的壓力與流量變化過程圖

圖5 水輪機轉速變化圖

4 結論

基于塔林西水電站的工程總體概況及機組參數，結合電站實際情況，先是對比分析了設置調壓室和不設置調壓室方案，根據規范要求及經濟性比較，最終選擇了不設置調壓室洞徑為12m的方案。接著對此方案進行了調節保證計算，并用Bengtley Hammer水錘模擬軟件模擬計算來進一步驗證方案是否滿足要求[12]。

經過綜合分析與比較，此電站的調節保證措施中不需要專門設置上游調壓室或下游調壓室，反而將引水隧洞的洞徑增大到12m是更經濟合理的措施。而在此基礎上，相比于其他調節保證措施，調整導水葉關閉規律是最經濟有效的措施，比如將導水葉勻速一段直線關閉規律變成兩段或者多段直線關閉規律[11]，在此就不繼續探討。另外類如設置調壓閥、增大水輪機的飛輪力矩GD2等措施[13]，在此電站中應用是否經濟合理還需之后進一步研究討論。