设调压井的长距离有压引水电站机组调保计算仿真研究分析

杨 超，龙 斌

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 概述

1.1 工程概况

格闹河水电站建设工程地处云南省与贵州省两省河界洛泽河中上游河段上，工程区距离云南省彝良县城约73km，距贵州省威宁县城约79km。洛泽河流域梯级电站共分为三级电站，其中格闹河水电站位于贵州省，为洛泽河流域第二级电站。

格闹河水电站工程规模为中型，采用一管两机布置型式，电站装机容量为2×32MW，保证出力9.19MW，年利用小时数为3870h。水库总库容182万m3，正常蓄水位1470m，引水隧洞采用有压引水方式，全长10178.0m。电站按“无人值班，少人值守”原则设计，采用计算机监控系统[1]。电站投产后在电力系统中主要担任腰荷、调峰作用。格闹河水电站水文参数见表1。

1.2 计算方法

对于水电站引水发电系统，水力过渡过程的计算主要是有压管道非恒定流的计算，主要的边界条件有电站机组、水库、岔管和调压室等。为便于计算机编程计算仿真分析，通常有压管道非恒定流计算的主流方法是采用特征线法[2]。有压管道非恒定流基本方程为：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中，H—以某一水平面为基准的测压管水头，m；V—管道断面的平均流速，m/s；A—管道断面面积，m2；Ax—管道断面面积随x轴线的变化率，m；θ—管道各断面形心的连线与水平面所成的夹角，(°)；S—湿周，m；f—Darcy-Weisbach摩阻系数，N/m；α—水击波传播速度，m/s。

本电站机组调节保证计算方法采用基于特征线法的计算机模拟仿真计算方法，其计算成果可为水电站动态调试提供重要依据[3]。

1.3 计算准则

根据本电站的实际情况与NB/T 10878—2021《水力发电厂机电设计规范》确定设计准则[4]如下：

(1)因本站机组容量占系统工作总容量的比重不大，且不担任调频，因此机组甩全负荷的最大转速升高率小于60%。

(2)机组甩全负荷的，最大蜗壳压力升高率保证值小于30%，即最大蜗壳压力值213.2m(H2O)。

(3)机组甩全负荷时，尾水管内的最大真空度不大于8m(H2O)。

(4)压力输水系统断面最高点处的最小压力不低于0.02MPa。

(5)校核调压井最高、最低涌波是否满足NB/T 35021—2014《水电站调压井设计规范》的要求。

1.4 计算基本参数

本工程总体布置为：大坝+溢洪道+底孔+引水系统+发电厂房+升压站。发电厂房采用地面式厂房，厂区主要建筑物有主厂房、副厂房、升压站及尾水渠等。

电站引水隧洞采用有压引水方式，全长10178.0m，采用马蹄形断面，开挖洞径6.2m，坡降i=2.5/1000；调压井为阻抗式，调压井有效面积为109.5m2，调压井阻抗孔系数为0.0105391，调压井通过高压埋管及叉管连接进入厂房。压力钢管为地下埋管，为一管两机布置型式，设有对称“Y”型月牙肋式钢岔管与主支管相接，主管长度277.6m，管径3.6m，支管长度10.8m，管径2.5m，支管后采用锥形管接发电机进水管，锥管长度2.5m，管径直径由2.5m渐变到2.2m。本电站引水系统布置示意图如图1所示，水轮发电机主要参数见表2。

图1 格闹河水电站引水系统布置示意图

表2 水轮发电机组主要参数表

2 机组调节保证计算分析

2.1 计算工况

计算工况需结合电站的运行特点，考虑到电站运行过程中可能出现的工况及电站运行过程中可能出现的不可避免的组合工况[5]；通过分析，选择以下几个控制工况进行计：

(1)额定水头运行时，两台机组甩额定负荷；

(2)水轮机在上游为校核库水位时，两台机组甩额定负荷；

(3)水轮机在上游为死水位时，1#机处于满发状态，2#机从空载状态增加满负荷；

(4)水轮机在上游为死水位时，两台机组满负荷运行时甩额定负荷；

(5)两台机组在最大水头情况下甩额定负荷；

(6)上游为死水位时，1#机处于满发状态，2#机从空载状态增加负荷；180秒之后，两台水轮机同时丢弃额定负荷；

(7)上游为死水位时，两台水轮机带额定负荷运行，一台机甩负荷340秒之后再增至满负荷；

(8)上游为死水位时，两台机组满负荷运行时甩额定负荷；350秒一台机增负荷到满负荷；

(9)上游为死水位时，两台机组甩额定负荷；350秒两台机同时增负荷到满负荷；

(10)上游为死水位时、最小水头，机组处于空载状态，两台机同时增至额定负荷；

(11)上游为死水位时、最小水头，机组处于空载状态，一台机机增至额定负荷，另外一台机410秒再增负荷。

2.2 计算结果

计算出格闹河水电站2台机组稳态运行的起始工况水力特性参数，如表3所示。

表3 初始工况计算结果表

在施工图阶段通过用初设(扩机)阶段推荐的关闭时间(9s)进行复核计算，计算结果见表4。

表4 各种工况计算结果表(关闭时间为9s)

由以上数据可知，当关闭时间取9s计算结果表明，机组最大转速上升值40.3%，蜗壳最大压力207.0m，调压井最高涌波1481.8m，最低涌波1446.3m，最低尾水管压力-1.37m，以上数据满足设计规范的要求，但是节点4最低压力1460.3m和节点5最低压力1454.9m，不能满足设计规范要求压力输水隧洞断面最高点处的最小压力不低于0.02MPa；通过分析，机组转速上升率和蜗壳压力上升值尚有一定的裕度，导叶关闭时间调整和优化的空间[6]，通过试算，导叶关闭时间为16s，较为合理，所以推荐格闹河水电站水轮机导叶关闭时间为一段直线关闭，关闭时间为16s。关闭时间为16s计算结果见表5，优化后极端值对比表见表6。

表5 各种工况计算结果表(关闭时间为16s)

表6 极端值对比表

通过关闭时间16s复核计算结果表明，机组最大转速上升值55.8%，蜗壳最大压力194.2m；调压井最高涌波1482.3m，最低涌波1445.1m；最低尾水管压力-2.07m；上游最低发电水位1468.0m时两台机组同时增加负荷(工况9)，节点4和5断面最高点处的最小压力不低于0.02MPa，不能满足设计规范要求，其余调保计算指标满足设计规范的要求。工况9节点4和5压力波动图如图2所示。

图2 工况9，引水系统3/4/5/6/9节点压力波动图

3 结论

鉴于设调压井的长距离有压引水系统布置的复杂性，如何准确的计算机组进水阀门的关闭时间和避免对机组安全运行极为不利的组合工况是该类工程设计时急需考虑的问题[7]。对格闹河水电站机组调节保证可能出现的各工况计算结果分析，得出以下结论。

(1)上游处于最低发电水位，电站机组甩负荷后，两台机组不应同时增负荷，应一台机组增负荷到稳定运行之后再给另一台机组增加负荷。

(2)由于电站引水隧洞较长，为了电站安全运行，不建议电站超出力运行。

此外，对于格闹河水电站还有一些特殊工况需要进一步研究，如“两台机组在最大水头情况下甩110%额定负荷(相当于工况5的超负荷工况，校核最大蜗壳压力)”等。