高寒高海拔地區(qū)水電站水力過渡過程計(jì)算與分析
——以德羅水電站為例

彭志遠(yuǎn)，桂紹波，陳 笙，殷成成

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程[1]位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)境內(nèi)，工程開發(fā)任務(wù)是灌溉、生態(tài)建設(shè)，兼顧發(fā)電和防洪，為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。拉洛水利樞紐具有年調(diào)節(jié)水庫，共建兩座水電站，其中之一為德羅水電站。德羅水電站總裝機(jī)容量40 MW，共安裝2臺(tái)單機(jī)容量為20 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定流量10.33 m3/s，機(jī)組安裝高程4 044 m。德羅水電站采用引水式地面廠房，通過德羅水電站無壓隧洞引水到前池后，經(jīng)壓力管道接入地面廠房，水電站采用兩機(jī)一管的引水方式，壓力鋼管直徑3.3 m，長(zhǎng)約2 km，無調(diào)壓室，具有高水頭、高海拔、長(zhǎng)距離引水等顯著特點(diǎn)。

學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)水電站水力過渡過程數(shù)值計(jì)算開展過大量的研究[2]，高敏等[3]對(duì)石塘水電站3號(hào)機(jī)增容改造項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算分析，孫劍峰等[4]對(duì)烏茲別克斯坦某水電站調(diào)壓閥代替調(diào)壓井方案進(jìn)行了探討。然而，針對(duì)海拔4 000 m以上的高寒高海拔地區(qū)水電站水力過渡過程的相關(guān)研究還比較少。因此，本文以德羅水電站為例，開展水力過渡過程數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析研究，旨在為高寒高海拔、長(zhǎng)距離引水式電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)提供依據(jù)與參考。

本文通過建立德羅水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算模型，計(jì)算分析各種運(yùn)行條件下機(jī)組甩負(fù)荷工況，優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，確定機(jī)組最高轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼末端最大動(dòng)水壓力以及尾水管最大真空度等調(diào)節(jié)保證控制參數(shù)并提出設(shè)計(jì)值，指導(dǎo)電站開展現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步預(yù)測(cè)其他現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷工況水力過渡過程參數(shù)，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 德羅水電站基本參數(shù)

1.1 特征水位及水頭

德羅水電站特征水位[5]及水頭見表1。

表1 特征水位及水頭Tab.1 Characteristic water level and head of power station m

1.2 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

德羅水電站水輪機(jī)主要參數(shù)如下：水輪機(jī)型號(hào)為HLTF310-LJ-158；額定水頭、最大水頭、最小水頭、加權(quán)平均水頭分別為225.50，232.75，225.50，226.79 m；水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600 r/min；轉(zhuǎn)輪直徑(進(jìn)口直徑)、尾水管進(jìn)口直徑、導(dǎo)葉高度分別為1.580，1.148，0.221 m；安裝高程為4 044 m。發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)如下：額定容量為22.5 MW/26.47 MVA；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2為160 t·m2。

1.3 引水發(fā)電系統(tǒng)管線特征參數(shù)

本文使用的數(shù)值計(jì)算軟件為武漢浪淘石水電站水力機(jī)械過渡過程反演及預(yù)測(cè)分析計(jì)算軟件V1.0，水電站引水發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算模型[6]見圖1，其中J11，J12分別為德羅水電站1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組。引水管線特征參數(shù)如表2所示。

圖1 水電站引水發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算模型示意Fig.1 Calculation model of water diversion system of hydro-power station

表2 引水發(fā)電系統(tǒng)管道特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of pipeline of water diversion power generation system

2 計(jì)算理論與方法

2.1 有壓管道非恒定流數(shù)學(xué)模型與特征線法

有壓管道非恒定流基本方程[7]如下。

連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

上式中：H為以某一水平面為基準(zhǔn)的測(cè)壓管水頭；下標(biāo)x是隨x軸的函數(shù)，下標(biāo)t是隨時(shí)間的函數(shù)；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；Ax為管道斷面面積隨x軸線的變化率，若Ax=0，則式(1) 即簡(jiǎn)化為棱柱體管道中的水流連續(xù)性方程；θ為管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角；S為濕周；f為Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；a為水擊波傳播速度；g是重力加速度。本文數(shù)值計(jì)算采用當(dāng)量管計(jì)算方法，因此式(1)中Ax=0。

式(1)～(2)是一組擬線性雙曲型偏微分方程，可采用特征線法將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)在特征線上的常微分方程，其中摩阻損失項(xiàng)采取二階精度數(shù)值積分，并用流量代替斷面流速[7]。

2.2 大波動(dòng)過渡過程計(jì)算理論與方法

QP=QS

(3)

(4)

QP=QCP-CQP·HP

(5)

QS=QCM+CQM·HS

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

n=n0+0.1875(Mt+Mt0)Δt/GD2

(11)

3 大波動(dòng)水力過渡過程計(jì)算

3.1 大波動(dòng)計(jì)算工況

結(jié)合德羅水電站實(shí)際運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，初步擬定D1～D6工況作為基本計(jì)算工況；為了與甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，擬定D7與D8工況為反演計(jì)算工況。本文擬定8個(gè)計(jì)算工況如表3所示。

表3 大波動(dòng)水力過渡過程計(jì)算工況Tab.3 Calculation case of large wave hydraulic transition process

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)NB/T 10342-2019《水電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，德羅水電站工程采用的控制標(biāo)準(zhǔn)：① 機(jī)組蝸殼允許最大壓力Hmax≤365 m(以水柱高度計(jì)，考慮高程修正，下同)；② 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率βmax≤60%；③ 尾水管進(jìn)口最大真空度不大于4.8 m(以水柱高度計(jì)，考慮高程修正)。

3.3 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

德羅水電站導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用一段式9.5 s直線關(guān)閉規(guī)律[9]，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Fig.2 Guide vane closing rule

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

采用以上關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行德羅水電站大波動(dòng)過渡過程計(jì)算，大波動(dòng)調(diào)保參數(shù)極值計(jì)算結(jié)果見表4，控制工況蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力等隨時(shí)間變化過程線見圖3～4。

注：蝸殼壓力以水柱高度計(jì)。圖3 D2工況蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化過程線Fig.3 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D2 case

注：蝸殼壓力以水柱高度計(jì)。圖4 D5工況蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化過程線Fig.4 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D5 case

表4 調(diào)保參數(shù)極值計(jì)算結(jié)果 Tab.4 Calculation results of extreme value of regulation guarantee parameters

當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用一段式9.5 s直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，計(jì)算結(jié)果如下：

(1) 蝸殼最大動(dòng)水壓力是344.54 m出現(xiàn)在D2工況，滿足調(diào)保參數(shù)的要求(最大動(dòng)水壓力Hmax≤365 m)：D2工況為額定出力條件下的最大水頭工況，其機(jī)組蝸殼最大動(dòng)水壓力比同等出力條件下的D1，D3工況的大；相較于D5工況，機(jī)組初始導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)葉總共關(guān)閉時(shí)間較短，因此該工況下的機(jī)組蝸殼壓力比D5工況大。

(2) 機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為51.30%，出現(xiàn)在D5工況，滿足調(diào)保參數(shù)的要求(大轉(zhuǎn)速上升率βmax≤60%)：D5工況為超發(fā)11.6%額定出力條件下的最大水頭工況，其機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率比同等出力條件下的D4，D6工況的大；相較于D2工況，機(jī)組初始導(dǎo)葉開度較大，導(dǎo)葉總共關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，因此該工況下的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率比D2工況大。

(3) 尾水管進(jìn)口最大真空度為0.20 m，出現(xiàn)在D5工況，滿足調(diào)保參數(shù)的要求(最大真空度H≤4.8 m)：D5工況為超發(fā)11.6%額定出力條件下的最大水頭工況，對(duì)應(yīng)的下游尾水位最低，其機(jī)組尾水管進(jìn)口最大真空度比同等出力條件下的D4，D6工況的大；相較于D2工況，機(jī)組初始導(dǎo)葉開度較大，機(jī)組過流量較大，在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中，機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)較大，因此該工況下的機(jī)組尾水管進(jìn)口最大真空度比D2工況大。

綜合上述分析，德羅水電站各項(xiàng)調(diào)保參數(shù)計(jì)算結(jié)果合理且均滿足規(guī)范要求，并具有一定的裕度。

4 現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)試

2021年1月6日，對(duì)德羅水電站1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組依次分別進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行水頭231 m，其中1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷分別對(duì)應(yīng)計(jì)算工況D7和D8，反演計(jì)算得到的蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化過程線如圖5～6所示。

注：蝸殼壓力以水柱高度計(jì)。圖5 D7工況蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化過程線Fig.5 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D7 case

注：蝸殼壓力以水柱高度計(jì)。圖6 D8工況蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化過程線Fig.6 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D8 case

2021年1月6日13∶30德羅水電站1號(hào)與2號(hào)機(jī)組自動(dòng)開機(jī)，13∶35分機(jī)組并網(wǎng)，13∶50分機(jī)組做甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 No.1 & No.2 unit load rejection test data

從表5中可看出，在單臺(tái)機(jī)組100%甩負(fù)荷工況中，1號(hào)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為35.34%，2號(hào)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為36.26%，均小于D7，D8工況的計(jì)算極值39.01%；1號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力值為295.62 m，2號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力值為300.71 m，均小于D7，D8工況的計(jì)算值302.10 m。

綜上分析，1號(hào)機(jī)組與2號(hào)機(jī)組的實(shí)測(cè)值均要小于計(jì)算值，且留有一定的安全余量。因此，以德羅水電站水力過渡過程數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)參數(shù)是偏安全的，能夠保障水電站在正常運(yùn)行以及超發(fā)11.6%額定出力運(yùn)行條件下的安全。

5 結(jié) 語

本文通過建立高寒高海拔地區(qū)德羅水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算模型，計(jì)算分析了各種水位條件下的額定出力以及超發(fā)11.6%額定出力條件下的機(jī)組甩全負(fù)荷工況，優(yōu)化了導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，確定機(jī)組最高轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼末端最大動(dòng)水壓力以及尾水管最大真空度等調(diào)節(jié)保證控制參數(shù)并提出設(shè)計(jì)值。通過將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定甩100%出力工況下的計(jì)算結(jié)果有一定的安全余量，從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)超發(fā)11.6%額定出力甩全負(fù)荷工況的水力過渡過程參數(shù)，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文研究成果可為高海拔、長(zhǎng)距離引水式電站的設(shè)計(jì)提供參考。