張芷豪，于 奎，王經(jīng)緯

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

電站調(diào)節(jié)保證工作是水電工程設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到電站運(yùn)行安全與經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展過(guò)大量研究探討電站調(diào)節(jié)保證的理論方法。但以往研究多停留在理論框架層面，對(duì)具體電站進(jìn)行實(shí)證分析研究較少。塔林西水電站是呼瑪河水力資源開(kāi)發(fā)的重要電站。但由于其地處寒冷地區(qū)，勘測(cè)工作難度大，對(duì)電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)提出了更高要求。國(guó)內(nèi)學(xué)者相關(guān)論文主要關(guān)注傳統(tǒng)電站調(diào)節(jié)保證方法，而未針對(duì)寒區(qū)電站開(kāi)展實(shí)際案例分析。本研究以塔林西水電站為例，結(jié)合該電站的具體工程地質(zhì)條件及機(jī)組參數(shù)，對(duì)設(shè)置調(diào)壓室與不設(shè)置調(diào)壓室進(jìn)行比較，進(jìn)而選定最優(yōu)調(diào)節(jié)保證措施方案。利用水錘模擬技術(shù)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，為塔林西水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)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(jí)規(guī)劃中的控制工程，該工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是發(fā)電、防洪，兼有保護(hù)生態(tài)環(huán)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(jī)供水方式，由岸塔式進(jìn)水口、壓力引水道組成。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位為449.18m，正常蓄水位為447.00m，死水位為432.00m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量為282.2m3/s。進(jìn)水口采用岸塔式，進(jìn)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(qū)，引水主洞為圓形，直徑12m，引水主洞長(zhǎng)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(hào)0+052—0+108.7處設(shè)轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)角50°，轉(zhuǎn)彎半徑65m。根據(jù)地形、地質(zhì)條件及洞長(zhǎng)，引水主洞全斷面采用鋼筋砼襯砌和鋼板襯砌，在樁號(hào)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(hào)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(hào)0+244.5處設(shè)發(fā)電分岔管。

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

1.2 電站基本參數(shù)

水電站地處大興安嶺地區(qū)，裝機(jī)容量占整個(gè)電網(wǎng)總?cè)萘康?0%，在大興安嶺電網(wǎng)中為主導(dǎo)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(tái)HLA551-LJ-300立式混流水輪機(jī)組，單機(jī)容量25MW，總裝機(jī)容量為100MW。機(jī)組安裝高程為401.50m，尾水管底高程391.92m。電站基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電站基本參數(shù)表

2 電站調(diào)節(jié)保證措施對(duì)比分析

2.1 設(shè)置上游調(diào)壓室的初步判別

2.1.1基于水道特性的初步判別

根據(jù)SL 655—2014《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)置上游調(diào)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(shí)間常數(shù)，s；Li—壓力管道及蝸殼各段長(zhǎng)度，m；vi—個(gè)管段內(nèi)相應(yīng)的平均流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Hp—設(shè)計(jì)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(tǒng)中的作用而異。當(dāng)水電站作孤立電網(wǎng)運(yùn)行，或機(jī)組容量在電力系統(tǒng)中所占比例超過(guò)50%時(shí)，Tw宜用小值，而本電站在大興安嶺獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，占該電網(wǎng)比重超過(guò)50%，因此本次設(shè)計(jì)Tw暫取2.5s。經(jīng)計(jì)算，在確定引水系統(tǒng)布置條件下，基礎(chǔ)資料及洞長(zhǎng)相同，各洞徑Tw初步計(jì)算值見(jiàn)表2。

表2 Tw值計(jì)算表

由表2可知，當(dāng)洞徑大于或等于12m時(shí)，Tw<2.5s，可初步判定不設(shè)置上游調(diào)壓室。而具體設(shè)不設(shè)置上游調(diào)壓室還需進(jìn)一步分析判別。

2.1.2基于機(jī)組特性的初步判別

根據(jù)SL 655—2014，電站運(yùn)行穩(wěn)定性與水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw1、機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)Ta等密切相關(guān)，不設(shè)置上游調(diào)壓室的初步判別條件應(yīng)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(shí)間常數(shù)，s；Ta—機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)，s；GD2—機(jī)組飛輪力矩，kg·m2；n—機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，r/min；P—機(jī)組的額定出力，w。

水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw1按照公式(2)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)，得Ta=9.06s，由此可計(jì)算得出，當(dāng)洞徑為11m和12m時(shí)，滿足公式(3)條件；當(dāng)洞徑為9m和10m時(shí)，不滿足公式(3)條件，可按圖1所示關(guān)系圖進(jìn)一步判別；當(dāng)處在①區(qū)時(shí)，可不設(shè)置上游調(diào)壓室；當(dāng)處在③區(qū)時(shí)，應(yīng)設(shè)置上游調(diào)壓室；當(dāng)處在②區(qū)時(shí)，應(yīng)詳細(xì)研究設(shè)置上游調(diào)壓室的必要性。根據(jù)圖示關(guān)系，當(dāng)洞徑為9m和10m時(shí)，處于②區(qū)，因此具體設(shè)不設(shè)置上游調(diào)壓室需進(jìn)行洞徑經(jīng)濟(jì)比較確定。

圖1 Tw1、Ta與調(diào)速性能關(guān)系圖

2.1.3洞徑比較

水電站總裝機(jī)容量為100MW，機(jī)組4臺(tái)，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(dòng)量，因此，在同樣調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，可以減小動(dòng)量的變化梯度，從而減小水錘壓強(qiáng)[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(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，一般并不采用。但在一定條件下，例如在適當(dāng)?shù)丶哟蠊軓娇梢悦庠O(shè)調(diào)壓室時(shí)，采用這一措施可能是合理的。本次選用了9、10、11、12、13m五個(gè)洞徑(D)均設(shè)置上游調(diào)壓室進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。比較出較優(yōu)的方案與12m洞徑不設(shè)置上游調(diào)壓室的方案再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，確定最優(yōu)方案[4]。根據(jù)地形及地質(zhì)條件，各洞徑方案調(diào)壓室均設(shè)在樁號(hào)0+194.5處，采用圓形斷面阻抗式調(diào)壓室，壓力管道布置方式均相同。各洞徑主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見(jiàn)表3—4。

表3 塔林西電站洞徑比較成果表

表4 是否設(shè)置上游調(diào)壓室經(jīng)濟(jì)對(duì)比表

從3—4表中可以看出，設(shè)置上游調(diào)壓室時(shí)，洞徑10m和11m之間差額內(nèi)部收益率為15.6%，而洞徑11m和12m之間差額內(nèi)部收益率為8.66%，小于10%的基礎(chǔ)折現(xiàn)率，所以洞徑為11m是經(jīng)濟(jì)合理的。而不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的方案，比設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為11m的方案，投資減少148萬(wàn)元，因此不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的方案優(yōu)于設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為11m的方案，故推薦使用不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的方案[5]。不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的方案還需調(diào)節(jié)保證計(jì)算初步分析看是否滿足要求。

2.2 是否需設(shè)置下游調(diào)壓室判別

根據(jù)SL 655—2014規(guī)定，設(shè)置下游調(diào)壓室的條件，以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提。由表3—4可知，在不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的工況下，尾水管的最小壓力遠(yuǎn)小于規(guī)定的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值-0.08MPa。

在尾水管滿足條件的前提下，常規(guī)水電站滿足下式時(shí)應(yīng)設(shè)置下游調(diào)壓室。

(5)

經(jīng)計(jì)算，不設(shè)置上游調(diào)壓室洞徑為12m的方案滿足條件，因此不需設(shè)置下游調(diào)壓室。

3 電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算

3.1 不設(shè)置調(diào)壓室方案的調(diào)節(jié)保證計(jì)算

根據(jù)NB/T 10878—2021《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定[6]，機(jī)組為混流式機(jī)組，該電站裝機(jī)占系統(tǒng)容量比重較大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率宜小于50%。本電站額定水頭為40.75m，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)蝸殼的最大壓力升高率保證值應(yīng)在30%～60%之間。尾水管最小壓力調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值應(yīng)該小于-0.08MPa。

引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)推薦方案為洞徑12m不設(shè)置調(diào)壓室方案，經(jīng)計(jì)算引水系統(tǒng)∑LV=988.49m2/s。調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表

由表5看出，調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間在7.4～11s時(shí)，可以同時(shí)滿足蝸殼壓力上升、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升和蝸殼尾水管最小壓力的設(shè)計(jì)要求。調(diào)節(jié)保證要求，在將水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升率控制在合理范圍內(nèi)的前提下，盡量減小蝸殼壓力[7]。初步設(shè)計(jì)暫取調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間選擇11s。此時(shí)蝸殼壓力上升為31.4%，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速速率上升47.6%。

3.2 調(diào)節(jié)保證模擬計(jì)算

Bengtley Hammer水錘模擬軟件做調(diào)節(jié)保證計(jì)算來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證，如圖2所示。在推薦方案為洞徑12m不設(shè)置調(diào)壓室的工況下，模擬計(jì)算得出在在不同導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的情況下，水輪機(jī)蝸殼壓力與轉(zhuǎn)速的變化情況。由圖2可知，當(dāng)導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)間減少時(shí)，蝸殼處的壓力逐漸增大；反之，當(dāng)導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)，輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速為之不斷上升[8]。

圖2 模擬計(jì)算圖

可以看出蝸殼壓力和水輪機(jī)導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)程負(fù)相關(guān)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)呈正相關(guān)。因此，我們可以找到一個(gè)時(shí)間區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)滿足蝸殼壓力和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速均處于規(guī)定范圍內(nèi)。由圖2出當(dāng)調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間在5.8～13s時(shí)，可以滿足規(guī)范。當(dāng)調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為初步設(shè)計(jì)的11s時(shí)，再次用水錘軟件模擬[9]，得出整個(gè)塔林西水電站引水系統(tǒng)管道的壓力水頭包絡(luò)線和管道內(nèi)的空氣容積圖，如圖3所示。

圖3 引水系統(tǒng)壓力水頭包絡(luò)線和管道空氣容積圖

當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉突然關(guān)閉時(shí)，將引起水錘效應(yīng)，管道內(nèi)的壓力將急劇變化，在此過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最高水頭456.92m，最低水頭436.37m。NB/T 10878—2021規(guī)定，有壓輸水系統(tǒng)全線各斷面最小壓力不應(yīng)小于0.02MPa，模擬得出輸水系統(tǒng)斷面最小壓力為0.34MPa，符合要求。而且從圖3可以看出整個(gè)管道系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓，管道內(nèi)統(tǒng)沒(méi)有出的空氣容積始終為0，這就避免出現(xiàn)斷流彌合水錘[10]，防止對(duì)管道產(chǎn)生巨大的破壞。然后根據(jù)Hammer擬計(jì)算得出水輪機(jī)蝸殼處的壓力，此時(shí)蝸殼處的壓力達(dá)到55.25m，增幅達(dá)到38.13%，處于合理范圍內(nèi)，通過(guò)水輪機(jī)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(dǎo)水葉關(guān)以后水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖5所示。可知水輪機(jī)轉(zhuǎn)速在此過(guò)程中不斷上升，到達(dá)最高轉(zhuǎn)速后緩慢下降，最高轉(zhuǎn)速為275.5r/min，轉(zhuǎn)速上升率46.9%，滿足規(guī)范要求。因此不設(shè)置調(diào)壓室洞徑為12m方案的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)滿足要求，機(jī)組調(diào)速穩(wěn)定初步判定符合要求[11]，但需待有資料時(shí)進(jìn)一步研究。初步擬定每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)一套WT-100/40型微機(jī)調(diào)速器，同時(shí)每臺(tái)機(jī)組蝸殼前壓力鋼管各裝設(shè)一臺(tái)φ4000mm的液壓蝶閥，用于機(jī)組檢修時(shí)截?cái)嗨鳎?dāng)調(diào)速器或?qū)~發(fā)生故障時(shí)緊急切斷水流。為防止機(jī)組過(guò)速和飛逸事故，設(shè)置過(guò)速限制器。

圖4 蝸殼處的壓力與流量變化過(guò)程圖

圖5 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖

4 結(jié)論

基于塔林西水電站的工程總體概況及機(jī)組參數(shù)，結(jié)合電站實(shí)際情況，先是對(duì)比分析了設(shè)置調(diào)壓室和不設(shè)置調(diào)壓室方案，根據(jù)規(guī)范要求及經(jīng)濟(jì)性比較，最終選擇了不設(shè)置調(diào)壓室洞徑為12m的方案。接著對(duì)此方案進(jìn)行了調(diào)節(jié)保證計(jì)算，并用Bengtley Hammer水錘模擬軟件模擬計(jì)算來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證方案是否滿足要求[12]。

經(jīng)過(guò)綜合分析與比較，此電站的調(diào)節(jié)保證措施中不需要專門(mén)設(shè)置上游調(diào)壓室或下游調(diào)壓室，反而將引水隧洞的洞徑增大到12m是更經(jīng)濟(jì)合理的措施。而在此基礎(chǔ)上，相比于其他調(diào)節(jié)保證措施，調(diào)整導(dǎo)水葉關(guān)閉規(guī)律是最經(jīng)濟(jì)有效的措施，比如將導(dǎo)水葉勻速一段直線關(guān)閉規(guī)律變成兩段或者多段直線關(guān)閉規(guī)律[11]，在此就不繼續(xù)探討。另外類如設(shè)置調(diào)壓閥、增大水輪機(jī)的飛輪力矩GD2等措施[13]，在此電站中應(yīng)用是否經(jīng)濟(jì)合理還需之后進(jìn)一步研究討論。