水電站水力過(guò)渡過(guò)程研究

摘要：為確保水電站安全運(yùn)行， 開(kāi)展水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析至關(guān)重要． 采用特征線法建立水力瞬變模型， 分析了有壓引水系統(tǒng)水壓、 調(diào)壓井水位、 導(dǎo)葉開(kāi)度、 機(jī)組轉(zhuǎn)速的水力過(guò)渡過(guò)程． 研究結(jié)果表明： ① 3臺(tái)機(jī)組同時(shí)在甩負(fù)荷條件下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速升高率最大為0.40， 蝸殼水壓升高率最大為0.28； 機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在水庫(kù)死水位工況， 蝸殼最大水頭為99.5 m， 調(diào)壓井最高水位為1 116.3 m， 發(fā)生在水庫(kù)校核洪水位． ② 3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增至滿(mǎn)負(fù)荷， 蝸殼水壓降低率大于-0.19， 蝸殼最小水頭為57.2 m， 調(diào)壓井最低水位為1 076.3 m； 水輪機(jī)上游引水系統(tǒng)中最小水頭均大于15 m， 調(diào)壓井最低水位高于隧洞頂7 m以上， 不會(huì)將空氣帶入隧洞和壓力鋼管中． ③ 水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉及開(kāi)啟情況下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速、 管道水壓、 調(diào)壓井水位波動(dòng)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

關(guān) 鍵 詞：水電站； 特征線法； 瞬變模型； 水力過(guò)渡； 調(diào)壓井

中圖分類(lèi)號(hào)：

TV732.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16739868（2024）07016410

Study on Hydraulic Transient Process of Hydropower Station

HONG Zhenguo， PAN Zhonghua， LI Jianwei

Yunnan Institute of Water amp; Hydropower Engineering Investigation， Design and Research， Kunming 65002 China

Abstract： In order to ensure the safe operation of hydropower station， it is necessary to carry out calculation and analysis of the hydraulic transition process of hydropower station． The characteristic line method was used to establish a hydraulic transient model， analyzing the hydraulic transition process of the water pressure in pressurized water diversion system， the water level of the surge shaft， the opening of the guide vanes， and the unit speed． The results show that： ① Under the condition of simultaneous load shedding of three units， the max runaway speed increase rate of the unit is 0.40， and the max water pressure increase rate of the volute is 0.28． The maximum runaway speed of the unit occurs at the dead water level of the reservoir， with the maximum water head of the volute being 99.5 m， and the highest water level of the surge shaft being 1 116.3 m， which occurs at the check flood level of the reservoir． ② Under the condition of three units simultaneously increasing from no-load to full load， the reduction rate of water pressure in the volute is more than -0.19， the minimum water head of the volute is 57.2 m， and the minimum water level in the surge shaft is 1 076.3 m． The minimum water head in the upstream water diversion system of the hydraulic turbine is greater than 15 m， and the minimum water level in the surge shaft is more than 7 m above the top of the tunnel， which will not bring air into the tunnel and pressure steel pipe． ③ When the guide vanes of the hydraulic turbine are closed and opened， the runaway speed of the unit， pipeline water pressure， and surge shaft water level fluctuation all meet the design specification requirements．

Key words： hydropower station； characteristic line method； transient model； hydraulic transition； surge shaft

隨著國(guó)內(nèi)外一系列高水頭、 大容量水電站的建設(shè)， 如何有效保證發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性是該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題［1-4］． 水力過(guò)渡過(guò)程是指水電站發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中， 水流從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)的過(guò)程， 是水電站重要的運(yùn)行控制機(jī)制， 在保證水電站滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷需求的同時(shí)， 還能保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性［5］． 目前水電站水力過(guò)渡過(guò)程研究取得一定成果， 但由于水力過(guò)渡過(guò)程的復(fù)雜性， 其理論有待進(jìn)一步研究和完善［6］．

水電站水力過(guò)渡計(jì)算常采用解析法， 該方法雖直觀簡(jiǎn)便， 但只能求出調(diào)壓井最高、 最低涌浪水位， 不能完整描述波動(dòng)的全過(guò)程［7］． 因此對(duì)水電站水力過(guò)渡全過(guò)程進(jìn)行詳盡的分析尤為重要． 通過(guò)研究不同控制工況下水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程， 確定調(diào)壓井最高、 最低涌浪水位及波動(dòng)衰減周期； 進(jìn)而優(yōu)化調(diào)壓井井筒的設(shè)計(jì)尺寸， 確定引水隧洞、 阻抗孔口及壓力鋼管的最大、 最小壓力， 并計(jì)算水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高值［8］； 確定機(jī)組最優(yōu)關(guān)機(jī)時(shí)間和導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律， 以及增負(fù)荷時(shí)機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)間間隔； 確定機(jī)組所需的最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值， 從而為引水發(fā)電系統(tǒng)布置、 機(jī)組參數(shù)選取及水電站機(jī)組安全可靠運(yùn)行提供技術(shù)參考［9-10］．

本文以臘寨水電站為例， 采用特征線法建立水力瞬變模型， 分析該水電站有壓引水系統(tǒng)水壓、 調(diào)壓井的涌浪水位波動(dòng)、 導(dǎo)葉開(kāi)度、 水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、 電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算、 小波動(dòng)穩(wěn)定性等水力過(guò)渡過(guò)程， 旨在驗(yàn)證現(xiàn)有水電站設(shè)計(jì)參數(shù)和導(dǎo)葉關(guān)閉及開(kāi)啟規(guī)律下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速、 管道水壓、 調(diào)壓井水位波動(dòng)等指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和調(diào)保計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)．

1 工程概況

臘寨水電站位于云南省保山市龍江下游河段， 正常蓄水位1 102.5 m， 設(shè)計(jì)壩高68 m， 總庫(kù)容613.4×104 m3， 電站總裝機(jī)容量120 MW， 年發(fā)電量6.07×10 8 kW·h， 年利用時(shí)間 5 058 h． 水電站引水系統(tǒng)由隧洞、 調(diào)壓井、 壓力鋼管、 電站廠房（水輪機(jī)）、 尾水管等組成［11-14］， 水電站引水系統(tǒng)如圖1所示．

阻抗式調(diào)壓井的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 阻抗孔直徑為5.2 m， 主井直徑為24 m， 調(diào)壓井底板高程為1 061 m， 調(diào)壓井頂高程為1 120.21 m． 廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組， 水輪機(jī)型號(hào)為HLA743-LJ-312． 機(jī)組特征參數(shù)如下： 設(shè)計(jì)水頭為59 m， 最大水頭為80.5 m， 額定效率為92.32%， 額定流量為76.92 m3/s， 轉(zhuǎn)輪直徑為3 120 mm， 額定容量為41 MW， 額定轉(zhuǎn)速為200 r/min， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3 100 t·m2． 水庫(kù)校核洪水位為1 103.67 m， 設(shè)計(jì)洪水位為1 103.42 m， 正常蓄水位為1 102.5 m， 死水位為1 090.0 m． 隧洞全長(zhǎng)2.06 km， 斷面呈圓形， 襯砌后洞徑為8 m， 噴混凝土支護(hù)的平均糙率為0.028．

2 瞬變模型

瞬變模型由邊界條件和管道水擊方程2部分組成． 在該模型中， 管道水擊的計(jì)算采用了精度較高的特征線方法． 邊界條件涵蓋了水庫(kù)、 隧洞、 管道分叉， 調(diào)壓井， 水輪機(jī)機(jī)組等多個(gè)方面［15-18］． 通過(guò)瞬變模型可深入分析導(dǎo)葉開(kāi)啟及關(guān)閉規(guī)律， 并在機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程中， 計(jì)算調(diào)壓井的水位變化、 管道水壓力分布、 水力過(guò)渡過(guò)程等．

2.1 計(jì)算準(zhǔn)則

瞬變模型計(jì)算按照《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35021—2014）［5］與《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10878—2021）［10］中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行．

2.1.1 上游調(diào)壓井最高涌波水位

在上游水庫(kù)處于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)， 共用同一調(diào)壓井的全部機(jī)組滿(mǎn)載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷作為設(shè)計(jì)工況［19］； 在上游水庫(kù)處于校核洪水位時(shí)， 相應(yīng)工況作為校核標(biāo)準(zhǔn)．

2.1.2 上游調(diào)壓井最低涌波水位

在上游水庫(kù)處于死水位時(shí)， 共用同一調(diào)壓井的全部n臺(tái)機(jī)組由n-1臺(tái)增至n臺(tái)運(yùn)行或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷突增至滿(mǎn)載作為設(shè)計(jì)工況［20］， 并復(fù)核上游死水位時(shí)共用同一調(diào)壓井的全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷時(shí)的第二振幅．

2.1.3 調(diào)壓井涌波水位

計(jì)算調(diào)壓井涌波水位， 丟棄負(fù)荷時(shí)引水道的糙率取小值， 增加負(fù)荷時(shí)引水道的糙率取大值． 調(diào)壓井最高涌波水位以上的安全超高應(yīng)不小于1.0 m， 上游調(diào)壓井最低涌波水位與調(diào)壓井處壓力引水道頂部之間的安全高度應(yīng)不小于2～3 m， 調(diào)壓井底板應(yīng)留有不小于1.0 m的安全水深．

2.1.4 機(jī)組甩負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率

當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大， 且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)， 甩負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于45%； 當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮螅?或擔(dān)負(fù)基荷時(shí)， 甩負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于55%．

2.2 管道水擊方程

管道的水力瞬變計(jì)算公式為：

Hx+AgQt+f｜Q｜Q2gdA2=0（1）

Ht+a2AgQx=0（2）

式中： t為時(shí)間（s）； H為測(cè)壓管水頭（m）； g為重力加速度（m/s2）； Q為管道流量（m3/s）； d為管道直徑（m）； A為管道斷面面積（m2）； x為從管道左端起算的距離（m）； f為達(dá)西沿程水力損失系數(shù)； a為水擊波速（m/s）．

管道的水擊波速計(jì)算公式為：

a=K/ρ1+c1（K/E）（D/e）（3）

式中： K為水的體積彈性模量， 一般取K=2.2×109 N/m2； ρ為水的密度， 大約為1 000 kg/m3； E為管材彈性模量（N/m2）； D為管道內(nèi)徑（m）； e為管壁厚度（m）； c1為系數(shù)．

管道的水力瞬變運(yùn)動(dòng)方程可轉(zhuǎn)化為下式：

Hpi=Cp-BpQpi（4）

管道的水力瞬變連續(xù)方程可轉(zhuǎn)化為下式：

Hpi=Cm+BmQpi（5）

式中： Bm， Cp， Bp， Cm為t-Δt時(shí)刻的已知量； Hpi為計(jì)算斷面的水頭（m）； Qpi為計(jì)算斷面的流量（m3/s）．

2.3 邊界條件

瞬變模型的邊界條件包括上游水庫(kù)、 分叉管道、 調(diào)壓井、 水輪機(jī)等． 邊界條件的計(jì)算方法如下．

2.3.1 上游水庫(kù)

由于水電站調(diào)速系統(tǒng)瞬間變化率比水庫(kù)水位的變化率大， 水庫(kù)水位的變化率可以忽略不計(jì)， 因此可以認(rèn)為上游水庫(kù)水位為常數(shù)， 則由式（5）可得相容性方程t時(shí)刻的隧洞進(jìn)口流量：

Qp1=Hres-CmBm（6）

式中： Hres為上游水庫(kù)水位（m）； Qp1為隧洞進(jìn)口流量（m3/s）．

2.3.2 分叉管道

對(duì)于分叉連接管道， 連接處沒(méi)有儲(chǔ)存容積， 在任一瞬間滿(mǎn)足連續(xù)方程， 當(dāng)局部水力損失忽略不計(jì)時(shí)， 每根管子的相容性方程具有以下形式：

Hp=Hp1=Hp2=Hp3（7）

Qp1=-HpBp1+Cp1Bp1（8）

Qp2=-HpBp2+Cp2Bp2（9）

-Qp3=-HpBp3+Cp3Bp3（10）

式中： Hp為公共水頭（m）； Hp Hp2， Hp3分別為管道 2， 3的水頭（m）； Qp Qp2， Qp3分別為管道 2， 3的流量（m3/s）．

2.3.3 調(diào)壓井

調(diào)壓井中的水流慣性和水力損失與壓力隧洞中相比可忽略不計(jì)， 因此可以近似假設(shè)調(diào)壓井底部測(cè)壓管水頭等于調(diào)壓井水位與阻抗孔口水頭損失之和， 流量與調(diào)壓井水位的關(guān)系由相容性方程表示為：

QT=-HpBpT+CpTBpT（11）

Q=HpBm-CmBm（12）

式中： QT為隧洞出口流量（m3/s）； BpT， CpT分別為隧洞出口t-Δt時(shí)刻的已知量．

2.3.4 水輪機(jī)

1） 水輪機(jī)流量特性和力矩特性

根據(jù)水輪機(jī)綜合特性曲線， 可以得到水輪機(jī)流量特性曲線和效率特性曲線［21-22］， 水輪機(jī)單位力矩M′1、 單位轉(zhuǎn)速N′1、 單位流量Q′1與效率η的關(guān)系為：

M′1=974g2Q′1η/N′1（13）

2） 水輪機(jī)特性的變換

在水輪機(jī)的數(shù)值計(jì)算過(guò)程中， 為簡(jiǎn)化模型與提高計(jì)算效率， 通常采用下式對(duì)水輪機(jī)特性進(jìn)行變換處理：

WH（x， y）=1（q′1+q′1B）2+n′21（14）

WB（x， y）=m′1（15）

x=π+tan-1q′1+q′1Bn′1（16）

式中： WH為流量函數(shù)； WB為力矩函數(shù)； y=α/αr為導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值； q′1=Q′1/Q′1r為單位流量相對(duì)值； q′1B=Q′1B/Q′1r為常數(shù)； n′1=N′1/N′1r為單位轉(zhuǎn)速相對(duì)值； m′1=M′1/M′1r為單位力矩相對(duì)值； 下標(biāo)r表示基準(zhǔn)值或參考值， 在一般情況下取水輪機(jī)額定參數(shù)．

3） 水輪機(jī)邊界條件

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：

Jdωdt=M-Mg（17）

式中： M為水輪機(jī)的軸力矩（kN·m）； J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分和水體附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（t·m2）； Mg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（kN·m）； dω/dt為角加速度（rad/s）．

式（17）可以寫(xiě)為下述形式：

Tadndt=m-mg（18）

式中： n為轉(zhuǎn)速相對(duì)值； m為水輪機(jī)的力矩相對(duì)值； mg為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)值； Ta為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)， s． 則Ta可以寫(xiě)為：

Ta=GD2N2r365Pr（19）

式中： GD2為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（t·m2）； Nr為額定轉(zhuǎn)速（r/min）； Pr為額定功率（kW）．

水輪機(jī)水頭H與蝸殼進(jìn)口測(cè)壓管水頭H1和尾水管出口測(cè)壓管水頭H2的關(guān)系為：

H=H1+｜Q｜Q2gA21-H2+｜Q｜Q2gA22（20）

式中： A1為蝸殼進(jìn)口面積（m2）； A2為尾水管出口面積（m2）．

通過(guò)對(duì)機(jī)組突然甩負(fù)荷的水力過(guò)渡過(guò)程研究， 確定導(dǎo)葉的合理關(guān)閉規(guī)律［23］． 在此基礎(chǔ)上， 通過(guò)計(jì)算得到機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速最大值、 管道最大/最小水壓分布規(guī)律以及調(diào)壓井的最高水位， 為水電站的設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

3 機(jī)組甩負(fù)荷

3.1 計(jì)算條件

機(jī)組甩負(fù)荷的計(jì)算條件包括： 襯砌隧洞糙率為0.014， 噴錨隧洞糙率為0.024． 選擇的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為2段線性關(guān)閉． 假設(shè)調(diào)速器死區(qū)為0.2 s， 則2段線性關(guān)閉規(guī)律為： ① 第1段為0.2～3.2 s， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0.4； ② 第2段為3.2～15.2 s， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=0.4線性關(guān)閉到y(tǒng)=0（完全關(guān)閉）．

在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷條件下， 計(jì)算了以下工況的水力瞬變．

工況1： Hu=10 900 m， Hd=10 205 m（死水位）

工況2： Hu=11 025 m， Hd=1 021.75 m（設(shè)計(jì)水位）

工況3： Hu=1 103.67 m， Hd=1 028.01 m（校核洪水位）

其中： Hu為上游水庫(kù)水位； Hd為下游尾水位．

3.2 計(jì)算結(jié)果

在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷條件下， 對(duì)3種工況突甩負(fù)荷進(jìn)行水力計(jì)算， 得到機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度、 轉(zhuǎn)速、 蝸殼水壓和轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值、 調(diào)壓井水位瞬變值， 以及管道最大、 最小、 初始測(cè)壓管水頭， 并繪制相應(yīng)曲線， 如圖2～圖8所示． 其中Nr為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速， H0為管道初始測(cè)壓管水頭．

由圖2可知， 在工況1下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值迅速增大至1.40 Nr， 隨后機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值由1.40 Nr緩慢減小至0.64 Nr； 蝸殼水壓相對(duì)值迅速增大至1.28 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由1.28 H0緩慢減小至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖3可知， 當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速增大至1 104.9 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上下振動(dòng)衰減， 調(diào)壓井最低水位為1 081.8 m， 最后調(diào)壓井水位衰減至1 089.0 m．

由圖4可知， 在工況2下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值迅速增大至1.36 Nr， 隨后機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值由1.36 Nr緩慢減小至0.64 Nr； 蝸殼水壓相對(duì)值迅速增大至1.22 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由1.22 H0緩慢減小至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖5可知， 當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速增大至1 115.1 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上下振動(dòng)衰減， 調(diào)壓井最低水位為1 095.1 m， 最后調(diào)壓井水位衰減至1 102.0 m．

由圖6可知， 在工況3下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值迅速增大至1.35 Nr， 隨后機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值由1.35 Nr緩慢減小至0.64 Nr； 蝸殼水壓相對(duì)值迅速增大至1.22 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由1.22 H0緩慢減小至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖7可知， 當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速增大至1 116.3 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上下振動(dòng)衰減， 調(diào)壓井最低水位為1 096.2 m， 最后調(diào)壓井水位衰減至1 102.0 m．

由圖8可知， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從全開(kāi)y=1.0線性關(guān)閉到y(tǒng)=0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速增大至1 116.3 m， 管道測(cè)壓管水頭增大至1 119.0 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上下振動(dòng)衰減， 調(diào)壓井最低水位為1 096.2 m， 管道測(cè)壓管水頭衰減至1 098.0 m．

在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷條件下， 根據(jù)圖2～圖8可得甩負(fù)荷水力瞬變機(jī)組特征參數(shù)， 如表1所示．

由表1可得以下結(jié)論：

1） 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速升高率N-NrNr≤0.40． 機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在水庫(kù)死水位工況．

2） 蝸殼水壓升高率H-H0H0≤0.28． 最大水頭為99.5 m， 發(fā)生在水庫(kù)校核洪水位．

3） 調(diào)壓井最高水位為1 116.3 m， 發(fā)生在水庫(kù)校核洪水位．

4） 隨著襯砌隧洞糙率的減小， 調(diào)壓井最高水位隨著減?。?/p>

5） 在水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉及開(kāi)啟情況下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速、 管道水壓、 調(diào)壓井水位波動(dòng)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

4 機(jī)組增負(fù)荷

研究機(jī)組增負(fù)荷工況的目的是： ① 計(jì)算調(diào)壓井的最低水位是否在調(diào)壓井底板高程以上2～3 m； ② 計(jì)算引水線路最低水位是否大于大氣壓．

4.1 計(jì)算條件

對(duì)于調(diào)壓井而言， 最低水位發(fā)生工況一般在水庫(kù)死水位和最低尾水位工況． 考慮隧洞糙率的不確定性， 隨著糙率的增加， 調(diào)壓井最低水位將減小［24］． 因此機(jī)組增負(fù)荷的計(jì)算條件包括： 襯砌隧洞糙率為0.016， 噴錨隧洞糙率為0.028， 上游水庫(kù)死水位Hu=10 900 m， 尾水位最低水位Hd=10 205 m．

選擇的導(dǎo)葉開(kāi)啟規(guī)律是線性開(kāi)啟， 在假設(shè)空載工況及機(jī)組并網(wǎng)的條件下， 計(jì)算了以下工況機(jī)組的增負(fù)荷水力瞬變．

工況1： 2臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉全開(kāi)運(yùn)行， 第3臺(tái)機(jī)組從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷．

工況2： 1臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉全開(kāi)運(yùn)行， 第2， 3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷．

工況3： 3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷．

4.2 計(jì)算結(jié)果

在機(jī)組增負(fù)荷條件下， 對(duì)3種工況增負(fù)荷進(jìn)行水力計(jì)算， 得到機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度、 轉(zhuǎn)速、 蝸殼水壓和轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值、 調(diào)壓井水位瞬變值， 并繪制相應(yīng)曲線．

由圖9可知， 在工況1下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值變化不大， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值在0.90 Nr附近； 蝸殼水壓相對(duì)值由0.98 H0減小至0.92 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由0.92 H0緩慢增加至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖10可知， 當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速減小至最低水位1 083 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上升， 最后調(diào)壓井水位處于1 087.0 m穩(wěn)定狀態(tài)．

由圖11可知， 在工況2下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值變化不大， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值在1.00 Nr附近； 蝸殼水壓相對(duì)值由0.98 H0減小至0.82 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由0.82 H0緩慢增加至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖12可知， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速減小至最低水位1 080 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上升， 最后調(diào)壓井水位處于1 087.0 m穩(wěn)定狀態(tài)．

由圖13可知， 在工況3下， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值變化不大， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速相對(duì)值在1.10 Nr附近； 蝸殼水壓相對(duì)值由0.98 H0減小至0.80 H0， 隨后蝸殼水壓相對(duì)值由0.80 H0緩慢增加至0.98 H0； 轉(zhuǎn)輪出口水壓相對(duì)值變化不大．

由圖14可知， 導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)值從y=0.2線性開(kāi)啟到全開(kāi)y=1.0時(shí)， 調(diào)壓井水位迅速減小至最低水位1 077 m， 隨后調(diào)壓井水位不斷上升， 最后調(diào)壓井水位處于1 087.0 m穩(wěn)定狀態(tài)．

在機(jī)組增負(fù)荷條件下， 根據(jù)圖9～圖14可得增負(fù)荷水力瞬變機(jī)組特征參數(shù)， 如表2所示．

表2給出了3種工況下增負(fù)荷瞬變特征參數(shù)， 得到結(jié)論如下：

1） 蝸殼水壓降低率H-H0H0＞-0.19， 發(fā)生在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)， 蝸殼最小水頭為57.2 m．

2） 調(diào)壓井最低水位為1 076.3 m， 發(fā)生在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)． 由于調(diào)壓井底板高程為1 061 m， 所以調(diào)壓井最低水位與調(diào)壓井底板高程之差大于15 m， 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

3） 水輪機(jī)上游引水系統(tǒng)中最小水頭均大于15 m， 調(diào)壓井最低水位均高于隧洞頂7 m以上， 不會(huì)把空氣帶入隧洞和壓力鋼管中， 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

4） 在水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)啟情況下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速、 管道水壓、 調(diào)壓井水位波動(dòng)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

5 計(jì)算結(jié)果討論

機(jī)組丟棄負(fù)荷后， 導(dǎo)葉接力器按照設(shè)定的關(guān)閉速度關(guān)閉導(dǎo)葉， 隨著導(dǎo)葉的關(guān)閉水輪機(jī)蝸殼壓力迅速升高． 在導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時(shí)， 引水系統(tǒng)中的調(diào)壓井水位仍處于上升階段， 由于調(diào)壓井水位波動(dòng)過(guò)程緩慢， 其波動(dòng)周期遠(yuǎn)大于水錘壓力的變化周期． 當(dāng)調(diào)壓井水位達(dá)到最大值時(shí)， 水錘壓力基本消失， 此時(shí)的蝸殼壓力變化隨調(diào)壓井水位的波動(dòng)而波動(dòng)． 因此， 實(shí)際蝸殼承受的最大壓力需要在導(dǎo)葉關(guān)閉引起的最大水錘壓力和調(diào)壓井最大涌波水位引起的壓力之間選擇大者， 從設(shè)計(jì)壓力鋼管和蝸殼最經(jīng)濟(jì)合理的原則出發(fā)， 最好將蝸殼最大水錘壓力升高值控制在調(diào)壓井最大涌波水位附近．

機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性主要針對(duì)孤立運(yùn)行的電站才有意義， 對(duì)于電站容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘枯^小的機(jī)組， 由于機(jī)組并網(wǎng)后的頻率由電網(wǎng)確定， 并不存在運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題． 孤立運(yùn)行的機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行， 并網(wǎng)后則一定可以穩(wěn)定運(yùn)行．

6 結(jié)論

1） 在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷條件下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速升高率N-NrNr≤0.40， 機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在水庫(kù)死水位工況； 蝸殼水壓升高率H-H0H0≤0.28， 最大水頭為99.5 m， 調(diào)壓井最高水位為1 116.3 m， 發(fā)生在水庫(kù)校核洪水位．

2） 在機(jī)組增負(fù)荷的情況下， 蝸殼水壓降低率H-H0H0＞-0.19， 發(fā)生在3臺(tái)機(jī)組同時(shí)從空載增加至滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)， 最小水頭為57.2 m． 調(diào)壓井最低水位為1 076.3 m， 由于調(diào)壓井底板高程為1 061 m， 水輪機(jī)上游引水系統(tǒng)中最小水頭均大于15 m， 調(diào)壓井最低水位均高于隧洞頂7 m以上， 不會(huì)把空氣帶入隧洞和壓力鋼管中， 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

3） 在水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉及開(kāi)啟情況下， 機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速、 管道水壓、 調(diào)壓井水位波動(dòng)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求．

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責(zé)任編輯 柳劍