发电供水工程输水系统过渡过程数值模拟方法研究

熊 俊 华

(广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510635)

0 引 言

随着可饮用水资源的日益减少与人们对饮用水水质要求的不断提高，一些原来距离城镇较远，只承担灌溉、发电任务且水质较好的中小型水库也被纳入供水水源的考虑范围[1]。从水电站引水隧洞或压力管道直接引出取水管道从节省取水口工程投资的角度是较为理想的方案[2]。但由于供水工程与发电工程共用引水隧洞或压力管道，引用流量的加大势必造成水头损失的增加，进而减小机组发电水头、出力以及管道沿线的初始压力。另外，由于两者在取水点处存在水力联系，无论哪一方在过渡过程中产生的水击波都会通过该点投射入对方，继而引起对方输水系统的压力波动，对发电系统而言还将造成机组的出力摆动。因此，在进行发电供水工程改造设计时，应对整个输水系统在发电、供水以及发电+供水等工况下的过渡过程进行模拟分析计算，以保证整个输水系统的安全性与稳定性。

本文以南水水库发电供水工程为依托，首先提出此类输水系统过渡过程的模拟计算分析思路；然后对整个输水系统在发电、供水以及发电+供水三种工况下，恒定流计算初始参数的调整方法及对比；最后分析发电与供水两输水系统在非恒定流过渡过程中的相互影响机理。

1 模拟计算分析思路

由于发电供水工程中同时包含了供水系统与发电系统，为了更为全面地对其在过渡过程中的安全性和运行稳定性进行评价分析，拟按如下思路进行水力-机械过渡过程计算分析：

(1)供水工程输水系统未向下游供水时，发电系统过渡过程计算分析。此部分内容主要复核原发电系统自身是否满足控制要求。如果不能满足要求，则需首先从其自身角度提出工程措施。

具体分析内容为：①发电系统恒定流复核计算，即在上下游特征水位组合下发满出力(或限制出力)时，复核机组的导叶开度、水头、流量等参数以及电站输水系统的水头损失；②发电系统非恒定流复核计算，即对大波动、小波动以及水力干扰过渡过程进行复核计算，获得关键参数的变化过程与极值。

(2)电站停机，供水系统过渡过程计算分析。此部分内容主要分析供水系统设计能否满足控制要求。同样地，如果不能满足要求，则需首先从其自身角度提出工程措施。

具体分析内容为：①供水系统恒定流计算分析。即在上下游特征水位组合下，调整减压阀及末端调流阀的开度，使供水流量满足设计要求，并复核供水系统的水头损失、初始沿线压力分布等；②供水系统非恒定流计算分析。即分析末端调节阀启闭产生的水锤压力对供水系统沿线压力分布的影响。

(3)供水系统与发电系统均正常运行时的过渡过程计算分析。此部分内容主要分析发电与供水系统在各自发生过渡过程时，对彼此的相互影响，以及评估整个工程设计能否满足控制要求，如果不能满足要求，则需从整个工程角度提出工程措施。

具体分析内容为：①恒定流计算分析，即同时调整供水阀门与导叶开度，使供水系统与发电系统均按设计要求正常运行，并分析此时整个系统的水头损失、初始沿线压力分布等；②非恒定流计算分析，此部分既包含供水系统阀门启闭产生的水锤压力对其自身参数以及电站参数的影响又包含发电系统在大波动过渡过程中对机组自身调保参数以及供水系统沿线压力的影响。

本文对输水系统的计算主要依据一维有压管道非恒定流基本方程，并结合各种边界条件。在发电工程中涉及的边界条件有水库、岔管、调压室、机组等；在供水工程中涉及的边界条件有分水点、减压阀、末端调流阀、水厂配水池等。由于文章篇幅原因，此处不对边界方程进行详细描述，具体参见文献[3]。

2 实例分析

2.1 工程概况

南水水电站，是南水河上第一座大型电站。20世纪60年代工程初建时，安装有3台25 MW的混流式水轮发电机组，后于2000年进行增容扩机改造，3台机组总容量达到100 MW，且在引水隧洞靠近调压井的4#施工支洞内铺设一条引水钢管进入南源电站，并增设了2台4 MW卧轴式机组。

南水水库供水工程由水电站引水隧洞的4号施工支洞从南水水库取水，以自流供水的方式向韶关市供水，输水管线总长约37.95 km。主管设计取水流量为7.8 m3/s；输水系统在K0+505桩号处分水进入乳源水厂，分水设计流量为1.2 m3/s；在K25+967桩号处分水进入二狮岭水厂，分水设计流量为3.3 m3/s；其余输送至西河二水厂，分水设计流量为3.3 m3/s。发电及供水输水系统布置示意图如图1所示，机组主要参数如表1所示。

图1 南水水库发电供水工程输水系统示意图(单位：m)Fig.1 Sketch map of the south water reservoir project

在进行过渡过程计算分析时，取如下特征水位组合：

(1)D1(最大高差)：水库校核洪水位226.644 m，西河二水厂配水池设计水位128.00 m，二狮岭水厂配水池设计水位138.00 m，电站厂房校核洪水位89.944 m；

(2)D2(设计高差)：水库正常蓄水位220.744 m，西河二水厂配水池设计水位128.00 m，二狮岭水厂配水池设计水位138.00 m，电站厂房5台机组尾水位88.454 m；

(3)D3(最小高差)：水库发电极限水位197.744 m，西河二水厂配水池设计水位128.00 m，二狮岭水厂配水池设计水位138.00 m，对应电站下游尾水位88.104 m。

另外，为了讨论整个系统不同的运行方式，作如下规定：以代码F表示未供水，电站机组正常运行；代码G表示电站停机，供水系统正常运行；代码F+G表示发电与供水系统同时运行。

2.2 恒定流计算及结果对比

当输水系统中只有发电系统运行时(运行方式F)，恒定流计算内容为调整机组的导叶开度，使机组的出力满足要求。

当输水系统中只有供水系统运行时(运行方式G)，恒定流计算内容为调整减压阀与末端调流阀的开度，以减压阀的开度控制其后管线的压力分布，再配合以末端调流阀的开度调节管线内的取水流量，在流量满足设计要求的同时，对压力留有适当裕度，使其在非恒定流时依然满足要求。减压阀的调整原则为：对于管线内最大压力可能的控制工况，减压阀宜选择较小的开度；对管线内最小压力的控制工况则宜选择较大的开度。对于本工程在水位组合D1和D3的关阀工况，图2与图3分别显示了这两组水位组合下，减压阀与末端调流阀取不同初始开度时，两个水厂恒定流沿线压力分布线。由于管线内流量相等，压力分布线在减压阀之后为一组平行线。由于两水厂在K25+967桩号之前共用管线，此桩号前两者的压力分布一致，在K25+967桩号之后，由于二狮岭水厂配水池设计水位(138.00 m)高出西河二水厂配水池设计水位(128.00 m)10 m，最小压力控制工况减压阀的初始开度由二狮岭水厂末端调流阀处的压力决定。其他水位组合下的关阀工况或开阀工况也按此方法确定初始开度。

图3 二狮岭水厂恒定流沿线初始压力变化过程Fig.3 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant

当供水系统与发电系统同时运行时(运行方式F+G)，由于隧洞内流量增大，水头损失增大，机组初始水头减小，机组的导叶开度应相应增大，以增加过机流量及机组出力；对于供水系统输水管道，减压阀与末端调流阀的调整方法同前，本节取减压阀开度与供水系统单独运行时一致，在满足供水设计流量时适当增加末端调流阀的开度。于是两种运行条件下供水系统管道内压力分布线平行，对应位置的水头损失之差仅取决于增加的机组流量在分水点之前的引水隧洞段的水头损失。各水位组合与运行方式下减压阀与末端调流阀的初始开度、机组导叶初始开度的对比结果如表2与表3所示。供水工程输水系统沿线初始压力对比如图4与图5所示。

2.3 非恒定流计算及结果对比

在本工程非恒定流过渡过程的计算中，减压阀始终保持在初始开度；末端调流阀采用由100%开度至全关的时间为1 298.42 s的直线关闭规律，以及由全关至100%开度为580.79 s直线开启规律(各工况按初始开度折算相应的启闭时间，两水厂阀门同时动作)；机组采用8 s直线导叶关闭规律。供水工程输水系统沿线压力极值结果、电站机组调保参数极值结果及超出力结果如表4与表5所示。

从发电与供水两输水系统相互影响机理角度分析，对于供水工程输水系统而言，末端调流阀与导叶的动作都可引起其压力变化，前者的影响机理为在其启闭的过程中，水击波在阀门处反射并向上游传播，并在调压室及分

水点处发生反射，继而引起供水系统管道内的压力上升和下降，因此从压力分布线来看也有末端调流阀处压力波动幅值最大，并向上游逐渐减小的现象；后者的影响机理为在其关闭过程中，水击波在导叶处反射，沿电站输水系统进行传播，并在分水点处向主管和供水管道发生透射，透射入供水管道内的水击波(首波)以及调压室的水位波动(尾波)共同影响供水管道内压力波动，因此从压力分布线来看在分水点处压力波动幅值最大，并向下游逐渐减小。对于发电系统，上述影响过程相反。并且从表中可以看出调流阀或导叶启闭对自身参数的影响要远远大于对对方系统的影响。

表2 初始运行条件G与F+G，恒定流条件下减压阀与调流阀初始开度及水头损失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 初始运行条件F与F+G，恒定流条件下机组初始参数Tab.3 The initial parameters of the unit in the steady case under F and F+G operation mode

图4 G与F+G两种运行方式下西河二水厂恒定流沿线初始压力Fig.4 The initial pressure distribution along the pipeline system for Xihe Water Plant under G and F+G operation mode

图5 G与F+G两种运行方式下二狮岭水厂恒定流沿线初始压力Fig.5 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant under G and F+G operation mode

表4 初始运行条件G与F+G，非恒定流条件下供水系统沿线压力极值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 初始运行条件F与F+G，非恒定流条件下机组甩负荷机组参数极值Tab.5 The extreme values of the parameters of the units in the transient process under F and F+G operation mode

从不同运行方式角度对比，供水工程与电站同时运行与单独运行相比，一方面由于引水隧洞段水头损失的增加，造成初始压力降低，使得最大压力与最小压力均有下降的趋势，且下降程度取决于引水隧洞内流量的增加量；另一方面由于水击波在分水点处向另一管道系统发生透射，使得压力在该点没有发生全反射，即另一管道系统起到了一定程度的平压作用，影响结果为最大压力下降而最小压力上升。因此，在上述两方面原因的综合作用之下，供水系统内沿线最大压力明显减小，最小压力则较为接近。机组调保参数极值也存在类似结果。

图6 F+G运行方式下桩号K23+112处压力波动过程Fig.6 The pressure curve at K23+112 under F+G operation mode

图7 F+G运行方式下西河二水厂非恒定沿线压力分布线Fig.7 The maximum and minimum pressure envelopes for Xihe Water Plant in the transient process under F+G operation mode

3 结 论

本文以南水水库供水工程为例，针对发电与供水共用引水隧洞这一类工程建立了数学模型，并分析了该系统在仅发电、仅供水以及二者同时运行模式下恒定流参数的确定方法，以及两系统在过渡过程中的相互影响，计算结果表明：阀门与导叶动作产生的水击波沿其自身管道向上游传播，在取水点处向对方管道发生透射从而导致其压力波动与机组的出力摆动，但当管道较长时，相互影响较小并且不会产生有害的波动叠加。最后归纳得到此类发电供水工程输水系统过渡过程模拟计算分析思路和方法，为此类发电供水工程改造设计提供了借鉴和依据。

□