水電站調(diào)壓室設(shè)置條件探討

孫經(jīng)華

(天生橋水力發(fā)電總廠,貴州興義 562400)

水電站調(diào)壓室設(shè)置條件探討

孫經(jīng)華

(天生橋水力發(fā)電總廠,貴州興義 562400)

水電站調(diào)壓室的設(shè)置是影響水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)重要的因素。介紹了水電站調(diào)壓室的基本類型和主要功能;從基于調(diào)保參數(shù)和基于水電站運(yùn)行穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)兩方面對(duì)水電站設(shè)置條件進(jìn)行了探討。水電站條件室設(shè)置條件的研究,對(duì)提高水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)具有重要的意義。

水電站 調(diào)壓室 穩(wěn)定性 設(shè)置條件

近些年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們用電量的水平也越來越高。我國加大了對(duì)水力資源的開發(fā),設(shè)計(jì)、建設(shè)了一批新的大型和特大型的水電站。作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的主力發(fā)電源頭,這些水電站在電力系統(tǒng)中占有非常重要的地位,并且承擔(dān)著的主要的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。隨著水電站的發(fā)電量在電網(wǎng)中所占份額的提高,機(jī)組的調(diào)峰任務(wù)也更加艱巨,所以水電站需要具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。調(diào)壓室是水電站為了減少水擊壓力,改善機(jī)組運(yùn)行條件而建造的水電站平水建筑物,它的設(shè)置是影響水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要因素。為此,本文對(duì)水電站調(diào)壓室的設(shè)置條件進(jìn)行了探討,對(duì)提高水電站的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

1 水電站調(diào)壓室的基本類型及主要功能

調(diào)壓室是一個(gè)具有自由水面的筒式或井式建筑物,水電站調(diào)壓室主要分為以下幾種基本類型:簡單圓筒式調(diào)壓室、阻抗式調(diào)壓室、雙室式調(diào)壓室、溢流式調(diào)壓室、差動(dòng)式調(diào)壓室和氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室。目前我國應(yīng)用較多的是差動(dòng)式調(diào)壓室,該種調(diào)壓室所需容積較小,水位波動(dòng)衰減也快,它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程造價(jià)較高。

水電站調(diào)壓室的主要功能是減少水錘的壓力,改善機(jī)組的運(yùn)行條件。設(shè)置了調(diào)壓室后,調(diào)壓室將整個(gè)引水道系統(tǒng)分為兩個(gè)部分,前面一段為引水隧洞,后面一段為壓力管道。調(diào)壓室可以反射水錘波,縮短壓力管道的長度,并且改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。但是,調(diào)壓室的高造價(jià)、長工期會(huì)對(duì)整個(gè)水力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)造成很大的影響。所以對(duì)水電站調(diào)壓室的設(shè)置條件進(jìn)行研究,分析是否需要設(shè)置調(diào)壓室具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基于調(diào)保參數(shù)的調(diào)壓室設(shè)置條件

基于調(diào)保參數(shù)的調(diào)壓室的設(shè)置條件主要分為上游調(diào)壓室的設(shè)置條件和下游調(diào)壓室的設(shè)置條件兩個(gè)部分。其中水電機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高和水擊壓力值的大小是調(diào)壓室設(shè)置條件的主要影響因素。

2.1 上游調(diào)壓室的設(shè)計(jì)條件

對(duì)于上游調(diào)壓室的設(shè)計(jì)條件,國內(nèi)外有不同的標(biāo)準(zhǔn)。國外標(biāo)準(zhǔn)中,前蘇聯(lián)在二十世紀(jì)七十年代對(duì)水電站調(diào)壓室的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為TW=∑LV/H0＞K,其中TW為水流加速時(shí)間,L為水道的長度,V為水流流速,H0為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭,K的取值跟機(jī)組的裝機(jī)容量有直接的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,裝機(jī)容量超過系統(tǒng)總?cè)萘康?0%時(shí),K=16～20s;如果裝機(jī)容量小于50%,甚至低于20%時(shí),K＞50s。日本和法國的數(shù)值相同,其條件為∑LV/H0＞45s[1]。

國內(nèi)對(duì)調(diào)壓室設(shè)計(jì)條件的研究始于二十世紀(jì)八十年代,以丁浩為代表的一些學(xué)者推導(dǎo)了計(jì)算引水管道長度的公式。我國在1996年頒布了《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》。該規(guī)范明確的規(guī)定了調(diào)壓室的設(shè)置條件為∑LV/H0＞2～4s。該規(guī)范是在已有水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合國外調(diào)壓室設(shè)置已有的研究成果制定的,并在近些年的水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)中得到了驗(yàn)證,并且取得了很好的成果。

相對(duì)轉(zhuǎn)速和相對(duì)壓力的升高是評(píng)判調(diào)壓室是否必要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),這一點(diǎn)已經(jīng)得到了國內(nèi)外相關(guān)專家的認(rèn)可。我國的楊建東教授于2008年推導(dǎo)出了上游調(diào)壓室設(shè)置條件的表達(dá)式。該表達(dá)式就是基于相對(duì)轉(zhuǎn)速和相對(duì)壓力的升高兩個(gè)影響因素基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。該表達(dá)式較為完整的涵蓋了影響調(diào)壓室設(shè)置條件的所有重要因素,在實(shí)際應(yīng)用中取得了較為理想的結(jié)果。

上游調(diào)壓室的設(shè)計(jì)條件目前相對(duì)來講較為完善,但是隨著機(jī)組參數(shù)的升高,一些新的影響因素也隨之出現(xiàn),所以調(diào)壓室的設(shè)置條件標(biāo)準(zhǔn)也要隨機(jī)組參數(shù)的變化而有所改變,進(jìn)而適應(yīng)機(jī)組發(fā)展的要求。為水電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性做出應(yīng)有的重要貢獻(xiàn)。

2.2 下游調(diào)壓室的設(shè)計(jì)條件

美國的下游調(diào)壓室的設(shè)置條件為∑LV＞1800m2/s,我國在1996年頒布了《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》,其中對(duì)下游調(diào)壓室的設(shè)置條件也有明確的規(guī)定。

下游水電站的設(shè)置條件取決于尾水管道的臨界長度,該臨界長度與液柱分離現(xiàn)象的產(chǎn)生有關(guān)。當(dāng)水電站的尾水管道的實(shí)際長度大于臨界長度時(shí)就需要設(shè)置下游調(diào)壓室。另外機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速升率也是影響設(shè)置條件的重要因素[2]。

下游調(diào)壓室的設(shè)計(jì)條件目前還有很多不足?？紤]影響因素不全面是目前的主要問題。所以學(xué)者應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這方面的研究工作。

3 基于水電站運(yùn)行穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的調(diào)壓室設(shè)置條件

水電機(jī)組在目前的電網(wǎng)運(yùn)行中承擔(dān)著重要的調(diào)峰任務(wù),所以在變負(fù)荷過程中保證水電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的。設(shè)置調(diào)壓室可以保證水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和較高的調(diào)節(jié)品質(zhì),所以在研究調(diào)壓室設(shè)置條件時(shí),運(yùn)行的穩(wěn)定性是必須要考慮的因素。

基于水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的調(diào)壓室設(shè)置判別式最早由董興林推導(dǎo)得到,但是該判別式被證明是不穩(wěn)定的,存在漏洞的。

水電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是高階的復(fù)雜系統(tǒng),其調(diào)節(jié)性能指標(biāo)的求解要困難的多。目前較成熟的做法是,首先建立一個(gè)理想狀態(tài)下的水電機(jī)組模型,在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。首先對(duì)穩(wěn)定域受波速的影響進(jìn)行分析,繼而根據(jù)Routh-Hurwitz穩(wěn)定條件對(duì)基于水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的調(diào)壓室設(shè)置條件進(jìn)行推導(dǎo)[3,4]。

4 結(jié)語

本文主要研究了水電站調(diào)壓室的設(shè)置條件。水電站調(diào)壓室的設(shè)置是影響水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)重要的因素。介紹了水電站調(diào)壓室的基本類型和主要功能;從基于調(diào)保參數(shù)和基于水電站運(yùn)行穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)兩方面對(duì)水電站設(shè)置條件進(jìn)行了探討。水電站條件室設(shè)置條件的研究,對(duì)提高水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)具有重要的意義。

[1]張超.水電能資源開發(fā)利用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]吳應(yīng)文.用水壓補(bǔ)償裝置改善水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的研究與試驗(yàn)[J].水電能源科學(xué),1987,5(3):259-270.

[3]王治中,王建林,趙毅力.水電站調(diào)壓室設(shè)置必要性判斷式的分析研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(8):218-222.

[4]趙正飛,張曉宏,張彥航.上游調(diào)壓室設(shè)置公式的對(duì)比分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2009,20(3):94-96,101.

孫經(jīng)華(1983—),男,貴州興義人,學(xué)士,助理工程師,主要從事水電站運(yùn)行技術(shù)方面工作。