水電站調(diào)壓閥水力學計算研究

洪振國 田 輝 劉俊華

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

水電站調(diào)壓閥是一種旁通的過流設(shè)備,通常安裝在混流式水輪機蝸殼的某個部位。水輪機調(diào)壓閥啟閉與水輪機導葉緊急關(guān)閉受同一調(diào)速器的協(xié)聯(lián)控制。當機組丟棄較大負荷時,調(diào)速器快速關(guān)閉水輪機導葉的同時逐步開啟調(diào)壓閥向下游排放部分流量,以減小水擊壓強。待導葉關(guān)閉后,調(diào)速器再以緩慢的速度關(guān)閉調(diào)壓閥。這樣,既可控制水擊壓強上升不超過允許值,又可保證機組轉(zhuǎn)速升高在允許范圍內(nèi)[1]。調(diào)壓閥早在20世紀30年代就已出現(xiàn),我國東方電站、廣東大隆電站等均采用調(diào)壓閥。但是調(diào)壓閥采用機械式控制,閥開啟操作可靠性差,時間滯留較長,調(diào)壓效果較差,因此未得到廣泛推廣[2]。20世紀70年代,國內(nèi)外專家開始研制調(diào)速器液壓聯(lián)動的調(diào)壓閥,并在四川楊村水電站、西洱河二級水電站等工程中應用[3]。調(diào)壓閥進水口接水輪機蝸殼,出水口接至尾水管,布置相對簡單,安裝工期短,設(shè)備所占空間小[4]。調(diào)壓閥替代調(diào)壓井,減少了調(diào)壓井占地、工程量,避免了調(diào)壓井建設(shè)對原始環(huán)境的破壞,棄渣造成的水土流失,具有顯著的生態(tài)和環(huán)境效益。但是調(diào)壓閥引水系統(tǒng)的小波動過程影響電網(wǎng)品質(zhì)的爭議較大,我國現(xiàn)行規(guī)范對于水電站調(diào)壓閥水力學計算研究方法尚無統(tǒng)一規(guī)定,因此水電站調(diào)壓閥水力學計算研究成為重要課題。

水電站水力計算有解析法、圖解法、特征線法。解析法的優(yōu)點是物理意義明確,應用簡便,可以直接求出水力學的最高和最低水錘壓強,但一般只適用于較簡單的管路和邊界條件,并忽略了管路中摩阻損失。圖解法的優(yōu)點是直觀,物理概念明確,原則上可以反映各種復雜的管路和邊界條件,也可計入管路的摩阻損失,但對于過分復雜的管路作圖顯得過于煩瑣,甚至很難進行。因此,對于較復雜水電站出水口水力學的水錘問題,目前廣泛采用特征線法進行計算,即把兩個水錘基本偏微分方程變換成四個全微分方程,然后求其數(shù)值。其優(yōu)點是理論嚴密,簡化假設(shè)少,計算速度快,具有較高的精度。本文采用特征線法進行調(diào)壓閥的電站水力學計算,分析以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井的可行性,為類似工程的提供參考。

1 水力學計算

特征線法先建立有壓隧洞、鋼管、支管、岔管、水輪發(fā)電機組、調(diào)壓閥、調(diào)速器等的數(shù)學模型,將水輪機模型綜合特性曲線以離散數(shù)據(jù)點的形式儲存于計算機中,進行調(diào)壓閥水力學計算研究,通過調(diào)壓閥水力學計算,確定調(diào)壓閥直徑、導葉及調(diào)壓閥開啟時間等。

1.1 基本方程

運動方程:

連續(xù)方程:

式中:H為水頭,m;x為從管段左端起算的距離,m;v為流速m/s;g為重力加速度,m/s2;D為管徑,m;a為水錘波速,m/s;f為沿程損失系數(shù);t為時間,s。

由式(1)和式(2)可得的特征線方程:

式中:HB、QB分別為t～Δt時刻管段第i+1節(jié)點處的水頭和流量,單位分別為m和m2/s;HA、QA分別為t～Δt時刻管段第i-1節(jié)點處的水頭和流量,單位分別為m和m2/s;CP、CM分別與t～Δt時刻的水頭和流量有關(guān),對t時刻是已知量;Δx為相鄰兩節(jié)點的距離,m;R為阻力系數(shù);B為管段寬度;A為管段面積。

1.2 邊界方程

a.上游進水口邊界方程為

式中:HR為上游進口壓頭,m;k1為進口損失系數(shù);B1為上游進口寬度,m;下標1表示上游進口的參數(shù);由式(7)和式(8)得到HP和QP值。

b.調(diào)壓閥。調(diào)壓閥進出口水頭及過流特性的公式如下:

式中:QP1、QP2分別為調(diào)壓閥進出口流量,m2/s;QP為調(diào)壓閥流量,m2/s;B1、B2分別為調(diào)壓閥進出口寬度,m;f(τ)為調(diào)壓閥開度的非線性函數(shù);下標1和2分別表示調(diào)壓閥進出口的參數(shù);τ為調(diào)壓閥開度,m;Dx為調(diào)壓閥直徑,m;HP1、HP2分別為調(diào)壓閥進出口水頭,m。

c.水輪機。水輪機邊界方程為

式中:HPU為水輪機進口斷面水頭,m;B1、B2分別為壓力鋼管和尾水管寬度,m;A1、A2分別為壓力鋼管和尾水管面積,m2;下標1和2分別表示壓力鋼管和尾水管的參數(shù);HPD為水輪機出口斷面水頭,m;QP為水輪機過渡狀態(tài)時引用流量,m2/s;Q為通過水輪機的全部流量,m2/s。

d.下游河道。尾水管出口的下游河道邊界方程為

式中:K2為尾水管出口損失系數(shù);HP為尾水管出口水頭,m;QP為尾水管出口流量,m2/s;A為尾水管出口面積,m2;HR為上游進口水頭,m;BS為尾水管出口寬度,m。

由式(14)和式(15)得到尾水管出口節(jié)點的壓頭和流量。

2 算例與分析

2.1 工程算例基本資料

廟林水電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等組成[5-6]?；炷林亓蔚淖畲髩胃?6m,壩頂長144.1m,壩頂高程為819.00m,壩頂寬度為5m。引水系統(tǒng)由進水口、有壓引水隧洞、壓力管道等組成。引水隧洞長8157.506m,為圓形斷面,直徑6.5～7.3m,由漸變段、轉(zhuǎn)彎段、洞身段等組成,根據(jù)地形、地質(zhì)條件,同時為滿足施工支洞布置要求,全線共設(shè)置7個轉(zhuǎn)彎段。進口底板高程792.00m,出口底板高程765.70m,隧洞平均底坡為3.228‰。壓力管道為一管兩機的供水方式,壓力管道上游進水口中心高程768.400m,最下端平管段中心高程為安裝高程718.189m。管道由主管、內(nèi)加強月牙岔管、支管及附件構(gòu)成,管道主管長194.5m,管徑5.4m,支管長37.8m,管徑3.4m。電站設(shè)計流量為111.3m3/s,設(shè)計水頭94.413m,安裝2臺機組,總裝機容量65MW。

2.2 計算成果分析

2.2.1 調(diào)節(jié)保證計算成果分析

根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線,確定水電站機組最大導葉開度為25mm。水電站水輪機額定水頭75m,最大水頭94.5m,根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5186—2004)中的有關(guān)規(guī)定[7],機組丟棄負荷后的蝸殼允許最大壓力控制值為135m水頭,機組額定轉(zhuǎn)速升高小于55%,由于調(diào)壓閥直徑、水輪機導葉、調(diào)壓閥啟閉規(guī)律對于引水系統(tǒng)的水錘壓力及機組轉(zhuǎn)速上升率的數(shù)值影響較大,且其啟閉參數(shù)在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)節(jié)的[8-9],所以采用合理的調(diào)壓閥直徑、導葉及調(diào)壓閥啟閉時間來降低水錘壓強與限制機組轉(zhuǎn)速升高是可行的。

調(diào)節(jié)保證計算時應考慮兩臺機組同時丟棄負荷的情況,分最大水頭工況和設(shè)計水頭工況進行計算,而水庫水位與水輪機水頭直接相關(guān),選擇有代表性的水庫正常蓄水位進行計算。機組丟棄負荷后,水輪機組導葉接力器按照一段直線規(guī)律關(guān)閉速度關(guān)閉導葉,同時使調(diào)壓閥一段直線規(guī)律開啟,達到全開并滯后,調(diào)壓閥再以一段直線規(guī)律關(guān)閉,調(diào)節(jié)保證計算成果見表1。

表1 調(diào)節(jié)保證計算成果

由表1可知,調(diào)壓閥直徑增大,機組最大轉(zhuǎn)速隨著增大,蝸殼水錘最大壓力減小,當調(diào)壓閥直徑等于800mm后,機組轉(zhuǎn)速升高和蝸殼水錘壓力升高隨調(diào)壓閥直徑增加的變化較小,因此調(diào)壓閥直徑選取800mm。隨著導葉的關(guān)閉水輪機蝸殼壓力迅速升高,水輪機組導葉關(guān)閉時間增加,機組最大轉(zhuǎn)速隨著增大,蝸殼水錘最大壓力減小,當水輪機組導葉關(guān)閉時間等于7s時,機組轉(zhuǎn)速升高和蝸殼水錘壓力升高隨水輪機組導葉關(guān)閉時間增加的變化小,從最經(jīng)濟合理的原則考慮,水輪機組導葉關(guān)閉時間選取7s。調(diào)壓閥開啟時間、全開并滯后時間、最后關(guān)閉時間增加,機組最大轉(zhuǎn)速隨著增大,蝸殼水錘最大壓力減小,當調(diào)壓閥開啟時間等于7s,全開并滯后時間等于8s,最后關(guān)閉時間等于40s時,機組轉(zhuǎn)速升高和蝸殼水錘壓力升高隨調(diào)壓閥開啟閉時間增加的變化小,從最經(jīng)濟合理的原則考慮,調(diào)壓閥開啟時間選取7s,全開并滯后時間選取8s,最后關(guān)閉時間選取40s,機組最大轉(zhuǎn)速升高值453.034r/min,機組額定轉(zhuǎn)速升高51.01%,機組額定轉(zhuǎn)速升高小于55%,相對靜水頭升高22.6%,蝸殼水錘最大壓力115.026m,蝸殼最大水錘壓力小于控制標準135m水頭,尾水管最低壓力為-3.067m水頭,尾水管真空度小于8m,調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果滿足《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5186—2004)的要求。

根據(jù)對以上計算結(jié)果的綜合分析,調(diào)壓閥直徑為800mm時,水輪機組導葉關(guān)閉時間采用導葉直線關(guān)機時間7s,同時使調(diào)壓閥以7s一段直線規(guī)律開啟,達到全開并滯后10s,調(diào)壓閥最后50s以一段直線規(guī)律關(guān)閉。因此蝸殼水錘壓力、尾水管壓力、機組轉(zhuǎn)速在安全可靠范圍內(nèi),調(diào)壓閥減小水錘升壓的作用明顯,以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井是可行的[10]。

2.2.2 有壓隧洞壓力線計算成果分析

隧洞水力計算主要進行最大水頭損失和壓坡線的計算,根據(jù)電站調(diào)度運行時可能出現(xiàn)的情況,壓坡線計算分兩種工況。第一種工況:在水庫校核洪水位817.33m時,兩臺機組同甩滿負荷時計算結(jié)果見表2。第二種工況:庫水位為最低水位806m時,兩臺機組同增加滿負荷時計算結(jié)果見表3。

表2 第一種工況壓坡線計算成果

表3 第二種工況壓坡線計算成果

由以上兩種工況計算結(jié)果可知:有壓引水隧洞洞頂最小水頭為7.34m,最大水頭為60.06m,兩種工況結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

2.2.3 壓力鋼管最大壓力線計算成果分析

壓力鋼管最大水頭由水庫校核洪水位817.33m和2臺機組全部丟棄負荷計算確定。充分考慮壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定要求和與岔管之間的銜接,分段進行計算,水電站壓力鋼管最大水頭和壁厚分布見表4。

表4 壓力鋼管最大水頭和壁厚分布

計算結(jié)果表明:壓力鋼管最大設(shè)計水頭為130.2m,鋼管采用16MnR板制作,壁厚20～28mm,滿足鋼管結(jié)構(gòu)強度要求。

2.2.4 小波動穩(wěn)定性計算成果分析

水庫正常蓄水位1102.5m時機組額定負荷波動5%,調(diào)速器參數(shù)bt=45%、bp=0、Td=7s、Tn=0.57s,轉(zhuǎn)速最大偏差小于4%,振蕩次數(shù)小于1次,調(diào)節(jié)時間小于30s,超調(diào)量小,具有較好的動態(tài)品質(zhì)指標,水電站并入云南省電網(wǎng)參與西電東送,水電站容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘枯^小,機組并網(wǎng)后的頻率由電網(wǎng)確定,不存在運行穩(wěn)定性問題。整個電網(wǎng)分擔負荷變化和調(diào)速器的性能較好,因此以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井是可行的。

3 結(jié) 論

a.調(diào)壓閥直徑為800mm時,水輪機組導葉關(guān)閉時間采用導葉直線關(guān)機時間7s,同時使調(diào)壓閥以7s一段直線規(guī)律開啟,達到全開并滯后10s,調(diào)壓閥最后50s以一段直線規(guī)律關(guān)閉。因此蝸殼水錘壓力、尾水管壓力機組轉(zhuǎn)速在安全可靠范圍內(nèi),調(diào)壓閥減小水錘升壓的作用明顯,以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井是可行的。

b.機組額定負荷波動5%,調(diào)速器參數(shù)bt=45%、Td=7s、bp=0、Tn=0.57s,轉(zhuǎn)速最大偏差小于4%,振蕩次數(shù)小于1次,調(diào)節(jié)時間小于30s,超調(diào)量小,具有較好的動態(tài)品質(zhì)指標,水電站并入云南省電網(wǎng)參與西電東送,水電站容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘枯^小,機組并網(wǎng)后的頻率由電網(wǎng)確定,不存在運行穩(wěn)定性問題。整個電網(wǎng)分擔負荷變化和調(diào)速器的性能較好,因此以調(diào)壓閥替代調(diào)壓井是可行的。