發(fā)電供水工程輸水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬方法研究

熊 俊 華

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510635)

0 引 言

隨著可飲用水資源的日益減少與人們對(duì)飲用水水質(zhì)要求的不斷提高，一些原來(lái)距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，只承擔(dān)灌溉、發(fā)電任務(wù)且水質(zhì)較好的中小型水庫(kù)也被納入供水水源的考慮范圍[1]。從水電站引水隧洞或壓力管道直接引出取水管道從節(jié)省取水口工程投資的角度是較為理想的方案[2]。但由于供水工程與發(fā)電工程共用引水隧洞或壓力管道，引用流量的加大勢(shì)必造成水頭損失的增加，進(jìn)而減小機(jī)組發(fā)電水頭、出力以及管道沿線的初始?jí)毫?。另外，由于兩者在取水點(diǎn)處存在水力聯(lián)系，無(wú)論哪一方在過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的水擊波都會(huì)通過(guò)該點(diǎn)投射入對(duì)方，繼而引起對(duì)方輸水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)而言還將造成機(jī)組的出力擺動(dòng)。因此，在進(jìn)行發(fā)電供水工程改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)整個(gè)輸水系統(tǒng)在發(fā)電、供水以及發(fā)電+供水等工況下的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行模擬分析計(jì)算，以保證整個(gè)輸水系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

本文以南水水庫(kù)發(fā)電供水工程為依托，首先提出此類輸水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的模擬計(jì)算分析思路；然后對(duì)整個(gè)輸水系統(tǒng)在發(fā)電、供水以及發(fā)電+供水三種工況下，恒定流計(jì)算初始參數(shù)的調(diào)整方法及對(duì)比；最后分析發(fā)電與供水兩輸水系統(tǒng)在非恒定流過(guò)渡過(guò)程中的相互影響機(jī)理。

1 模擬計(jì)算分析思路

由于發(fā)電供水工程中同時(shí)包含了供水系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)，為了更為全面地對(duì)其在過(guò)渡過(guò)程中的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，擬按如下思路進(jìn)行水力-機(jī)械過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析：

(1)供水工程輸水系統(tǒng)未向下游供水時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。此部分內(nèi)容主要復(fù)核原發(fā)電系統(tǒng)自身是否滿足控制要求。如果不能滿足要求，則需首先從其自身角度提出工程措施。

具體分析內(nèi)容為：①發(fā)電系統(tǒng)恒定流復(fù)核計(jì)算，即在上下游特征水位組合下發(fā)滿出力(或限制出力)時(shí)，復(fù)核機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度、水頭、流量等參數(shù)以及電站輸水系統(tǒng)的水頭損失；②發(fā)電系統(tǒng)非恒定流復(fù)核計(jì)算，即對(duì)大波動(dòng)、小波動(dòng)以及水力干擾過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，獲得關(guān)鍵參數(shù)的變化過(guò)程與極值。

(2)電站停機(jī)，供水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。此部分內(nèi)容主要分析供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否滿足控制要求。同樣地，如果不能滿足要求，則需首先從其自身角度提出工程措施。

具體分析內(nèi)容為：①供水系統(tǒng)恒定流計(jì)算分析。即在上下游特征水位組合下，調(diào)整減壓閥及末端調(diào)流閥的開(kāi)度，使供水流量滿足設(shè)計(jì)要求，并復(fù)核供水系統(tǒng)的水頭損失、初始沿線壓力分布等；②供水系統(tǒng)非恒定流計(jì)算分析。即分析末端調(diào)節(jié)閥啟閉產(chǎn)生的水錘壓力對(duì)供水系統(tǒng)沿線壓力分布的影響。

(3)供水系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)均正常運(yùn)行時(shí)的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。此部分內(nèi)容主要分析發(fā)電與供水系統(tǒng)在各自發(fā)生過(guò)渡過(guò)程時(shí)，對(duì)彼此的相互影響，以及評(píng)估整個(gè)工程設(shè)計(jì)能否滿足控制要求，如果不能滿足要求，則需從整個(gè)工程角度提出工程措施。

具體分析內(nèi)容為：①恒定流計(jì)算分析，即同時(shí)調(diào)整供水閥門與導(dǎo)葉開(kāi)度，使供水系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)均按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行，并分析此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的水頭損失、初始沿線壓力分布等；②非恒定流計(jì)算分析，此部分既包含供水系統(tǒng)閥門啟閉產(chǎn)生的水錘壓力對(duì)其自身參數(shù)以及電站參數(shù)的影響又包含發(fā)電系統(tǒng)在大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中對(duì)機(jī)組自身調(diào)保參數(shù)以及供水系統(tǒng)沿線壓力的影響。

本文對(duì)輸水系統(tǒng)的計(jì)算主要依據(jù)一維有壓管道非恒定流基本方程，并結(jié)合各種邊界條件。在發(fā)電工程中涉及的邊界條件有水庫(kù)、岔管、調(diào)壓室、機(jī)組等；在供水工程中涉及的邊界條件有分水點(diǎn)、減壓閥、末端調(diào)流閥、水廠配水池等。由于文章篇幅原因，此處不對(duì)邊界方程進(jìn)行詳細(xì)描述，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

南水水電站，是南水河上第一座大型電站。20世紀(jì)60年代工程初建時(shí)，安裝有3臺(tái)25 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，后于2000年進(jìn)行增容擴(kuò)機(jī)改造，3臺(tái)機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)到100 MW，且在引水隧洞靠近調(diào)壓井的4#施工支洞內(nèi)鋪設(shè)一條引水鋼管進(jìn)入南源電站，并增設(shè)了2臺(tái)4 MW臥軸式機(jī)組。

南水水庫(kù)供水工程由水電站引水隧洞的4號(hào)施工支洞從南水水庫(kù)取水，以自流供水的方式向韶關(guān)市供水，輸水管線總長(zhǎng)約37.95 km。主管設(shè)計(jì)取水流量為7.8 m3/s；輸水系統(tǒng)在K0+505樁號(hào)處分水進(jìn)入乳源水廠，分水設(shè)計(jì)流量為1.2 m3/s；在K25+967樁號(hào)處分水進(jìn)入二獅嶺水廠，分水設(shè)計(jì)流量為3.3 m3/s；其余輸送至西河二水廠，分水設(shè)計(jì)流量為3.3 m3/s。發(fā)電及供水輸水系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示，機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

圖1 南水水庫(kù)發(fā)電供水工程輸水系統(tǒng)示意圖(單位：m)Fig.1 Sketch map of the south water reservoir project

在進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析時(shí)，取如下特征水位組合：

(1)D1(最大高差)：水庫(kù)校核洪水位226.644 m，西河二水廠配水池設(shè)計(jì)水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設(shè)計(jì)水位138.00 m，電站廠房校核洪水位89.944 m；

(2)D2(設(shè)計(jì)高差)：水庫(kù)正常蓄水位220.744 m，西河二水廠配水池設(shè)計(jì)水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設(shè)計(jì)水位138.00 m，電站廠房5臺(tái)機(jī)組尾水位88.454 m；

(3)D3(最小高差)：水庫(kù)發(fā)電極限水位197.744 m，西河二水廠配水池設(shè)計(jì)水位128.00 m，二獅嶺水廠配水池設(shè)計(jì)水位138.00 m，對(duì)應(yīng)電站下游尾水位88.104 m。

另外，為了討論整個(gè)系統(tǒng)不同的運(yùn)行方式，作如下規(guī)定：以代碼F表示未供水，電站機(jī)組正常運(yùn)行；代碼G表示電站停機(jī)，供水系統(tǒng)正常運(yùn)行；代碼F+G表示發(fā)電與供水系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。

2.2 恒定流計(jì)算及結(jié)果對(duì)比

當(dāng)輸水系統(tǒng)中只有發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)(運(yùn)行方式F)，恒定流計(jì)算內(nèi)容為調(diào)整機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度，使機(jī)組的出力滿足要求。

當(dāng)輸水系統(tǒng)中只有供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)(運(yùn)行方式G)，恒定流計(jì)算內(nèi)容為調(diào)整減壓閥與末端調(diào)流閥的開(kāi)度，以減壓閥的開(kāi)度控制其后管線的壓力分布，再配合以末端調(diào)流閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)管線內(nèi)的取水流量，在流量滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，對(duì)壓力留有適當(dāng)裕度，使其在非恒定流時(shí)依然滿足要求。減壓閥的調(diào)整原則為：對(duì)于管線內(nèi)最大壓力可能的控制工況，減壓閥宜選擇較小的開(kāi)度；對(duì)管線內(nèi)最小壓力的控制工況則宜選擇較大的開(kāi)度。對(duì)于本工程在水位組合D1和D3的關(guān)閥工況，圖2與圖3分別顯示了這兩組水位組合下，減壓閥與末端調(diào)流閥取不同初始開(kāi)度時(shí)，兩個(gè)水廠恒定流沿線壓力分布線。由于管線內(nèi)流量相等，壓力分布線在減壓閥之后為一組平行線。由于兩水廠在K25+967樁號(hào)之前共用管線，此樁號(hào)前兩者的壓力分布一致，在K25+967樁號(hào)之后，由于二獅嶺水廠配水池設(shè)計(jì)水位(138.00 m)高出西河二水廠配水池設(shè)計(jì)水位(128.00 m)10 m，最小壓力控制工況減壓閥的初始開(kāi)度由二獅嶺水廠末端調(diào)流閥處的壓力決定。其他水位組合下的關(guān)閥工況或開(kāi)閥工況也按此方法確定初始開(kāi)度。

圖3 二獅嶺水廠恒定流沿線初始?jí)毫ψ兓^(guò)程Fig.3 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant

當(dāng)供水系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)(運(yùn)行方式F+G)，由于隧洞內(nèi)流量增大，水頭損失增大，機(jī)組初始水頭減小，機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度應(yīng)相應(yīng)增大，以增加過(guò)機(jī)流量及機(jī)組出力；對(duì)于供水系統(tǒng)輸水管道，減壓閥與末端調(diào)流閥的調(diào)整方法同前，本節(jié)取減壓閥開(kāi)度與供水系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)一致，在滿足供水設(shè)計(jì)流量時(shí)適當(dāng)增加末端調(diào)流閥的開(kāi)度。于是兩種運(yùn)行條件下供水系統(tǒng)管道內(nèi)壓力分布線平行，對(duì)應(yīng)位置的水頭損失之差僅取決于增加的機(jī)組流量在分水點(diǎn)之前的引水隧洞段的水頭損失。各水位組合與運(yùn)行方式下減壓閥與末端調(diào)流閥的初始開(kāi)度、機(jī)組導(dǎo)葉初始開(kāi)度的對(duì)比結(jié)果如表2與表3所示。供水工程輸水系統(tǒng)沿線初始?jí)毫?duì)比如圖4與圖5所示。

2.3 非恒定流計(jì)算及結(jié)果對(duì)比

在本工程非恒定流過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算中，減壓閥始終保持在初始開(kāi)度；末端調(diào)流閥采用由100%開(kāi)度至全關(guān)的時(shí)間為1 298.42 s的直線關(guān)閉規(guī)律，以及由全關(guān)至100%開(kāi)度為580.79 s直線開(kāi)啟規(guī)律(各工況按初始開(kāi)度折算相應(yīng)的啟閉時(shí)間，兩水廠閥門同時(shí)動(dòng)作)；機(jī)組采用8 s直線導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。供水工程輸水系統(tǒng)沿線壓力極值結(jié)果、電站機(jī)組調(diào)保參數(shù)極值結(jié)果及超出力結(jié)果如表4與表5所示。

從發(fā)電與供水兩輸水系統(tǒng)相互影響機(jī)理角度分析，對(duì)于供水工程輸水系統(tǒng)而言，末端調(diào)流閥與導(dǎo)葉的動(dòng)作都可引起其壓力變化，前者的影響機(jī)理為在其啟閉的過(guò)程中，水擊波在閥門處反射并向上游傳播，并在調(diào)壓室及分

水點(diǎn)處發(fā)生反射，繼而引起供水系統(tǒng)管道內(nèi)的壓力上升和下降，因此從壓力分布線來(lái)看也有末端調(diào)流閥處壓力波動(dòng)幅值最大，并向上游逐漸減小的現(xiàn)象；后者的影響機(jī)理為在其關(guān)閉過(guò)程中，水擊波在導(dǎo)葉處反射，沿電站輸水系統(tǒng)進(jìn)行傳播，并在分水點(diǎn)處向主管和供水管道發(fā)生透射，透射入供水管道內(nèi)的水擊波(首波)以及調(diào)壓室的水位波動(dòng)(尾波)共同影響供水管道內(nèi)壓力波動(dòng)，因此從壓力分布線來(lái)看在分水點(diǎn)處壓力波動(dòng)幅值最大，并向下游逐漸減小。對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)，上述影響過(guò)程相反。并且從表中可以看出調(diào)流閥或?qū)~啟閉對(duì)自身參數(shù)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)對(duì)方系統(tǒng)的影響。

表2 初始運(yùn)行條件G與F+G，恒定流條件下減壓閥與調(diào)流閥初始開(kāi)度及水頭損失Tab.2 The initial opening and head loss of the pressure reducing valve and regulating valve in the steady case under G and F+G operation mode

表3 初始運(yùn)行條件F與F+G，恒定流條件下機(jī)組初始參數(shù)Tab.3 The initial parameters of the unit in the steady case under F and F+G operation mode

圖4 G與F+G兩種運(yùn)行方式下西河二水廠恒定流沿線初始?jí)毫ig.4 The initial pressure distribution along the pipeline system for Xihe Water Plant under G and F+G operation mode

圖5 G與F+G兩種運(yùn)行方式下二獅嶺水廠恒定流沿線初始?jí)毫ig.5 The initial pressure distribution along the pipeline system for Ershiling Water Plant under G and F+G operation mode

表4 初始運(yùn)行條件G與F+G，非恒定流條件下供水系統(tǒng)沿線壓力極值Tab.4 The extreme values of the pressure along the pipeline system in the transient process under G and F+G operation mode

表5 初始運(yùn)行條件F與F+G，非恒定流條件下機(jī)組甩負(fù)荷機(jī)組參數(shù)極值Tab.5 The extreme values of the parameters of the units in the transient process under F and F+G operation mode

從不同運(yùn)行方式角度對(duì)比，供水工程與電站同時(shí)運(yùn)行與單獨(dú)運(yùn)行相比，一方面由于引水隧洞段水頭損失的增加，造成初始?jí)毫档停沟米畲髩毫εc最小壓力均有下降的趨勢(shì)，且下降程度取決于引水隧洞內(nèi)流量的增加量；另一方面由于水擊波在分水點(diǎn)處向另一管道系統(tǒng)發(fā)生透射，使得壓力在該點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生全反射，即另一管道系統(tǒng)起到了一定程度的平壓作用，影響結(jié)果為最大壓力下降而最小壓力上升。因此，在上述兩方面原因的綜合作用之下，供水系統(tǒng)內(nèi)沿線最大壓力明顯減小，最小壓力則較為接近。機(jī)組調(diào)保參數(shù)極值也存在類似結(jié)果。

圖6 F+G運(yùn)行方式下樁號(hào)K23+112處壓力波動(dòng)過(guò)程Fig.6 The pressure curve at K23+112 under F+G operation mode

圖7 F+G運(yùn)行方式下西河二水廠非恒定沿線壓力分布線Fig.7 The maximum and minimum pressure envelopes for Xihe Water Plant in the transient process under F+G operation mode

3 結(jié) 論

本文以南水水庫(kù)供水工程為例，針對(duì)發(fā)電與供水共用引水隧洞這一類工程建立了數(shù)學(xué)模型，并分析了該系統(tǒng)在僅發(fā)電、僅供水以及二者同時(shí)運(yùn)行模式下恒定流參數(shù)的確定方法，以及兩系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中的相互影響，計(jì)算結(jié)果表明：閥門與導(dǎo)葉動(dòng)作產(chǎn)生的水擊波沿其自身管道向上游傳播，在取水點(diǎn)處向?qū)Ψ焦艿腊l(fā)生透射從而導(dǎo)致其壓力波動(dòng)與機(jī)組的出力擺動(dòng)，但當(dāng)管道較長(zhǎng)時(shí)，相互影響較小并且不會(huì)產(chǎn)生有害的波動(dòng)疊加。最后歸納得到此類發(fā)電供水工程輸水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程模擬計(jì)算分析思路和方法，為此類發(fā)電供水工程改造設(shè)計(jì)提供了借鑒和依據(jù)。

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