長引水系統(tǒng)水電站水力過渡過程仿真分析

耿新春

(新疆新華水電投資股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆境內(nèi)的水電開發(fā)加快，眾多水利發(fā)電樞紐開工建設(shè)，有力促進(jìn)了新疆的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。新疆地區(qū)的水電站多為高水頭引水式水電站，發(fā)電引水隧洞大部分長度超過5 km，部分引水隧洞甚至接近15 km。這種具有長引水隧洞的水電站引水系統(tǒng)，水流的慣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過短引水系統(tǒng)水電站，調(diào)壓室的波動(dòng)周期長、振幅大、衰減慢[1]，蝸殼進(jìn)口最大壓力受管道水擊壓力與調(diào)壓室涌浪壓力兩方面的控制[2]，這給水電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理帶來了很大的問題。

水電站的水力過渡過程，涉及到水力學(xué)、水輪機(jī)、電氣系統(tǒng)的相互影響以及相互制約的聯(lián)合過渡過程，直接關(guān)系到輸水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和水電站的安全運(yùn)行以及供電的品質(zhì)[3]。當(dāng)水電站的工況發(fā)生變化時(shí)，引水系統(tǒng)的水流、高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的水輪發(fā)電機(jī)組、配套的調(diào)速輔助設(shè)備、電氣設(shè)備乃至整個(gè)電力系統(tǒng)都處于過渡過程之中，研究計(jì)算水電站過渡過程，面臨著大量非線性的復(fù)雜問題[4]，要想真實(shí)模擬不同工況下水電站的運(yùn)行過程，得到精確的仿真結(jié)果，傳統(tǒng)的數(shù)解法和圖解法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代水電站運(yùn)行的精度要求。本文以木扎提三級(jí)水電站為例，基于有壓管道非恒定流數(shù)學(xué)模型和特征線法，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真解法，采用MATLAB作為計(jì)算平臺(tái)，建立基于SIMULINK的水力過渡過程仿真模型，深入研究超長引水系統(tǒng)水電站過渡過程特性，對(duì)水電站的運(yùn)行安全進(jìn)行分析。

1 過渡過程數(shù)值模擬理論

1.1 引水發(fā)電系統(tǒng)過渡過程計(jì)算原理

目前引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算基本采用彈性水擊基本方程[5]。其中，運(yùn)動(dòng)方程見式(1)：

(1)

連續(xù)方程見式(2)：

(2)

式中，g為重力加速度；H為引水系統(tǒng)的斷面測壓管水頭；D為管道直徑；λ為沿程阻力系數(shù)；v為斷面的平均流速；s為沿水流方向的長度，方向與恒定流時(shí)的水流方向一致；θ為管軸線與水平線的夾角；α為水擊波的波速；t為時(shí)間。

1.2 引水系統(tǒng)特征線法

彈性水擊基本方程組是一組擬線性雙曲偏微分方程組，很難直接求其解析解，可將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為特殊的全微分方程，即特征方程，然后再轉(zhuǎn)化為一階有限差分方程，求其近似解。

(3)

(4)

通過上述變換，把求解偏微分方程組轉(zhuǎn)化成為求解常微分形式的特征方程組。在推導(dǎo)特征方程組的過程中，沒有做過任何數(shù)學(xué)近似，特征方程組的解就是原來偏微分方程組所描述的水擊問題的解。

2 水電站過渡過程仿真分析

2.1工程概況

木扎提河三級(jí)水電站是新疆木扎提河水電規(guī)劃的三級(jí)電站，電站總裝機(jī)容量為200 MW，額定水頭355 m，電站裝機(jī)兩臺(tái)單機(jī)容量為80 MW的大機(jī)和兩臺(tái)單機(jī)容量為20 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)。水電站引水隧洞約長14 283 m，引水隧洞末端和壓力管道上彎段前設(shè)置阻抗式調(diào)壓井，豎井內(nèi)徑D=16 m，外徑17.5 m，井筒高63 m，壓力管道為埋藏式，采長1 653 m。

2.2 過渡過程仿真模型建立

木扎提水電站引水發(fā)電系統(tǒng)采用一洞一管四機(jī)的布置方式，根據(jù)隧洞斷面、壓力鋼管的厚度等的不同，將引水隧洞分為9個(gè)節(jié)點(diǎn)，將壓力鋼管分為3個(gè)節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)的劃分見圖1，其中1#、2#機(jī)組為20 MW，3#、4#機(jī)組為80 MW。在對(duì)引水系統(tǒng)經(jīng)過分析比較后，可以確定水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用單段直線關(guān)閉規(guī)律即可滿足要求，最終采用關(guān)閉時(shí)間為10 s，水電站過渡過程計(jì)算簡圖見圖1。

2.3 基于SIMULLINK的水電站過渡過程仿真模型

SIMULINK具備了可視化的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，能夠方便得采用模塊直接構(gòu)建系統(tǒng)框圖[6]，通過輸入傳遞函數(shù)，可以對(duì)水力過渡過程這樣的高度非線性問題進(jìn)行模擬仿真，故采用MATLAB下的SIMULINK直接構(gòu)建木扎提水電站水力過渡過程仿真模型，如圖2所示：

表1 引水系統(tǒng)控制值出現(xiàn)工況說明

工況上游水位/m下游水位/m工況說明備注T72157.801800.00上游最高運(yùn)行水位,下游設(shè)計(jì)水位,四臺(tái)機(jī)相繼從空載增至滿負(fù)荷,當(dāng)流入調(diào)壓井流量最大時(shí),四臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷。調(diào)壓室最低涌浪控制工程T122156.301801.16額定水頭,四臺(tái)機(jī)相繼從空載增至滿負(fù)荷,當(dāng)調(diào)壓室涌浪水位最高時(shí),四臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷。機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率控制工況T132157.801803.59四臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷后,一臺(tái)大機(jī)可以增負(fù)荷運(yùn)行。調(diào)壓室最高涌浪、蝸殼進(jìn)口最大壓力控制工況

3 仿真結(jié)果及分析

水電站過渡過程數(shù)值計(jì)算需要確定調(diào)壓室的最高、最低涌浪、蝸殼進(jìn)口處最大壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高率等引水系統(tǒng)控制值，為了充分考慮各種負(fù)荷變化情況，共擬定了14種工況進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，這里列出了出現(xiàn)引水系統(tǒng)控制值的工況，見表1。

圖3、圖4、圖5給出了控制工況下的水力過渡過程的仿真結(jié)果曲線。

由圖3可知，木扎提水電站出現(xiàn)的調(diào)壓室最高涌浪水位為2 178.27 m，出現(xiàn)在T13工況，調(diào)壓室最高涌浪水位以上的安全超高為1.73 m，滿足安全大于1 m的要求；調(diào)壓室最低涌浪水位為2 121.24 m，出現(xiàn)在T7工況，調(diào)壓室最低涌浪水位與調(diào)壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度大于3 m，調(diào)壓室水深大于2 m，均滿足調(diào)保要求。由圖3(b)可以看出，當(dāng)出現(xiàn)調(diào)壓室最低涌浪時(shí)，由于四臺(tái)機(jī)相繼從空載到滿負(fù)荷，引水系統(tǒng)內(nèi)的流量和流速不斷增大，調(diào)壓室內(nèi)的水量開始補(bǔ)充到引水道內(nèi)，如果出現(xiàn)四機(jī)甩負(fù)荷，由于調(diào)壓室水位達(dá)到最低，引水管道內(nèi)的水大量涌入調(diào)壓井，會(huì)導(dǎo)致引水系統(tǒng)的劇烈振蕩，難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，會(huì)對(duì)水電站造成嚴(yán)重影響，因此要盡可能避免這種工況的發(fā)生。

蝸殼進(jìn)口的最大壓力為440.56 m，出現(xiàn)在T13工況，小于機(jī)組引水管最大允許壓力460 m，滿足調(diào)保要求。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉，水體由于慣性作用會(huì)在蝸殼進(jìn)口處產(chǎn)生極大的水擊壓力并急劇振蕩，由于木扎提采用了兩臺(tái)大機(jī)兩臺(tái)小機(jī)的布置，分岔管的引用流量不同，主管在各分岔管的由于水體慣性作用產(chǎn)生的流量變化有很大差異，從而導(dǎo)致1#、2#機(jī)組蝸殼井口處水擊壓力(分別為437.15 m和437.05 m)與3#、4#機(jī)組的蝸殼進(jìn)口處的水擊壓力(分別為440.56 m和440.20 m)相差很大，而相同機(jī)組間則僅由分岔管長度的不同存在微小差異，由于3#機(jī)組的引水道要略長于4#機(jī)組，故最大水擊壓力出現(xiàn)在3#機(jī)組蝸殼進(jìn)口處。由圖4可知，甩負(fù)荷后，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組開始增負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)水擊波的振蕩產(chǎn)生干擾，使其加速平復(fù)，有利于水電站穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大升率在T12工況出現(xiàn)，發(fā)生3#機(jī)組，由圖5可知，機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速為568.26 rmp，此時(shí)的轉(zhuǎn)速上升率為51.54%，小于60%，滿足設(shè)計(jì)要求，由于在計(jì)算過程中未考慮水體附加慣性的影響，實(shí)際的機(jī)組出現(xiàn)的實(shí)際最大轉(zhuǎn)速應(yīng)小于計(jì)算值。此時(shí)1#機(jī)組的轉(zhuǎn)速為1 120.07 rmp，但其最大轉(zhuǎn)速上升率僅為49.34%，在其它工況小機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率也均小于大機(jī)組，可以得知，在安裝有不同機(jī)組的水電站系統(tǒng)中，機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升率是由大機(jī)組控制。

4 結(jié)論

(1)水電站過渡過程仿真結(jié)果表明：木扎提引水系統(tǒng)調(diào)壓室最低涌浪出現(xiàn)后，振蕩時(shí)間要遠(yuǎn)長于最高涌浪，對(duì)引水系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有更大的影響。

(2)對(duì)于安裝有不同特性機(jī)組的水電站，大機(jī)組對(duì)于蝸殼進(jìn)口最大壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率具有控制作用，這兩個(gè)極值均出現(xiàn)在引水道最長的大機(jī)組處，因此在水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中要對(duì)大機(jī)組給予更多的關(guān)注。

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