阿爾塔什水利樞紐水電站引水系統(tǒng)過渡過程分析

潘旭東,郭 宇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊 830000)

阿爾塔什水利樞紐水電站引水系統(tǒng)過渡過程分析

潘旭東,郭 宇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊 830000)

阿爾塔什水利樞紐水電站引水系統(tǒng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。通過調(diào)壓室過渡過程計(jì)算優(yōu)化調(diào)壓室的尺寸,既而通過對(duì)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行比較計(jì)算,確定機(jī)組最短關(guān)閉時(shí)間;再通過小波動(dòng)過渡過程計(jì)算分析系統(tǒng)的小波動(dòng)過程是否穩(wěn)定;通過水力干擾計(jì)算判斷被干擾機(jī)組的水頭、流量、效率、機(jī)組軸力矩變化是否超過允許范圍。研究結(jié)論為電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

水利樞紐;過渡過程;調(diào)壓室;涌浪

1 概 況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程,在保證向塔里木河生態(tài)供水和灌溉用水的前提下,滿足防洪、發(fā)電等綜合利用功能?？傃b機(jī)容量4×175 MW,年發(fā)電量21.34×108kW?h,保證出力79.5 MW。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000[1],為大(1)型Ⅰ等工程,發(fā)電洞進(jìn)水口為1級(jí)建筑物,發(fā)電引水隧洞、電站廠房為2級(jí)建筑物;發(fā)電引水系統(tǒng)由兩條壓力輸水系統(tǒng)管路組成,平行布置在右岸,采用一洞二機(jī)的供水方式。每條壓力輸水系統(tǒng)管路由進(jìn)水塔、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力鋼管、岔管、支管、進(jìn)水閥、水輪機(jī)蝸殼、尾水管等組成。每條壓力輸水系統(tǒng)連接兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組,發(fā)電洞全長(zhǎng)約6 km,發(fā)電洞設(shè)計(jì)流量為222.4 m3/s,鋼筋混凝土襯砌段流速為3.92 m/s,壓力鋼管段流速為6.01 m/s。最長(zhǎng)一臺(tái)水輪機(jī)壓力輸水系統(tǒng)管路總長(zhǎng)為6 045.6 m,調(diào)壓井后的壓力輸水系統(tǒng)管路總長(zhǎng)為433.36 m。

電站引水系統(tǒng)長(zhǎng)度較長(zhǎng),需通過過渡過程計(jì)算各種工況下引水道主要節(jié)點(diǎn)的水擊壓力變化規(guī)律及其最大、最小控制值、尾水管真空值、調(diào)壓室涌波,并優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律、分析調(diào)壓室和機(jī)組小波動(dòng)的穩(wěn)定性,最終確定引水系統(tǒng)尺寸[2-3]。

2 上游調(diào)壓室體型尺寸優(yōu)化

調(diào)壓室采用帶上室的阻抗式調(diào)壓室。為充分發(fā)揮上室作用,改善機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行條件,上室底板高程一般應(yīng)該略高于最高靜水位,故上室底板高程取正常蓄水位1 820 m;調(diào)壓室進(jìn)口處的隧洞中心高程1 742.261 m,如需要調(diào)整則涉及到輸水系統(tǒng)整體布置的變化,故調(diào)壓室的大井底板高程確定為1 748.551 m,不再進(jìn)行優(yōu)化。因此關(guān)于上游調(diào)壓室的體型優(yōu)化主要針對(duì)阻抗口面積、大井面積和上室面積進(jìn)行。

水力過渡過程計(jì)算過程為通過水錘計(jì)算的特征相容方程、水輪機(jī)節(jié)點(diǎn)控制方程、上游閘門井節(jié)點(diǎn)控制方程和阻抗式調(diào)壓室節(jié)點(diǎn)控制方程來計(jì)算引水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的壓力和調(diào)壓室的涌波。

2.1 計(jì)算工況

工況A:上庫(kù)為正常蓄水位(1 820 m),下游為正常尾水位(1 611.6 m),兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,額定出力,兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷,該工況可能出現(xiàn)調(diào)壓室的最高涌浪(小糙率組合);

工況B:上庫(kù)為校核洪水位(1 823.74 m),下游為正常尾水位(1 611.6 m),兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,額定出力,兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷,該工況可能出現(xiàn)調(diào)壓室的最高涌浪(小糙率組合);

工況C:上庫(kù)為死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611.6 m),一臺(tái)機(jī)組最大出力,一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng),增至最大出力,該工況可能出現(xiàn)上游調(diào)壓室最低涌浪的控制工況(大糙率組合);

工況D:上庫(kù)為死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611.6 m),兩臺(tái)機(jī)組最大出力,兩臺(tái)機(jī)組突甩負(fù)荷,復(fù)核調(diào)壓室涌浪第二幅值(小糙率組合)[4]。

2.2 調(diào)壓室阻抗孔和大井尺寸的比較計(jì)算

由于采用閘門井兼作阻抗孔,保持閘門井尺寸不變,對(duì)不同矩形阻抗孔的寬度和大井的直徑情況進(jìn)行計(jì)算比較,結(jié)果見表1。

表1 調(diào)壓室阻抗孔和大井尺寸對(duì)最低涌浪影響

相同工況下,大井直徑不變時(shí),隨著阻抗孔寬度的增加,調(diào)壓室的最低涌浪逐漸降低;阻抗孔寬度不變時(shí),隨著大井直徑的增加,調(diào)壓室的最低涌浪逐漸升高。原設(shè)計(jì)調(diào)壓室大井直徑為18 m,此時(shí)阻抗孔寬度需小于等于1.7 m,最低涌浪值才能滿足規(guī)范要求。同時(shí)考慮本電站的引水隧洞較長(zhǎng),水體波動(dòng)周期較長(zhǎng),今后電站運(yùn)行過程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生組合工況進(jìn)一步降低調(diào)壓室最低涌浪值,為了保證運(yùn)行的安全,豎井的直徑取為20 m,此時(shí)阻抗孔寬度小于等于2.3 m時(shí)最低涌浪均能滿足規(guī)范要求。

2.3 調(diào)壓室阻抗孔和上室尺寸的比較計(jì)算

針對(duì)阻抗孔寬度和上室尺寸進(jìn)行優(yōu)化[5],見表2。

相同工況下,上室尺寸不變時(shí),隨著阻抗孔寬度的增加,蝸殼進(jìn)口最大壓力逐漸減小;阻抗孔寬度不變時(shí),上室尺寸加大對(duì)于蝸殼進(jìn)口最大壓力影響很小?？紤]到今后運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生組合工況,到時(shí)可能會(huì)進(jìn)一步增加調(diào)壓室內(nèi)的蝸殼最大壓力和最高涌浪值,為了保證蝸殼壓力和調(diào)壓室最高涌浪均能滿足規(guī)范要求,阻抗孔寬度為2.0 m,上室尺寸為12 m×140 m,蝸殼最大壓力為269.36 m,滿足調(diào)保要求,且有一定的安全裕量;調(diào)壓室的最高涌浪為1 826.843 m,低于調(diào)壓室的頂部高程1 829 m,符合 規(guī)范要求。

表2 調(diào)壓室阻抗孔和上室尺寸對(duì)最高涌浪和蝸殼末端最大壓力(水頭)影響

2.4 組合工況涌浪復(fù)核

工況如下:

組合工況ZH1:上庫(kù)為校核洪水位(1 823.74 m),下游為正常尾水位(1 611.6 m),一臺(tái)機(jī)組額定出力,一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng)至額定出力,在流入調(diào)壓室流量最大時(shí),兩臺(tái)機(jī)組突甩負(fù)荷,可能出現(xiàn)調(diào)壓室最高涌浪(小糙率組合);

組合工況ZH2:上庫(kù)為校核洪水位(1 823.74 m),下游為正常尾水位(1 611.6 m),一臺(tái)機(jī)組額定出力,一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng)至額定出力,在調(diào)壓室水位最高時(shí),兩臺(tái)機(jī)組突甩負(fù)荷,可能出現(xiàn)調(diào)壓室最高涌浪(小糙率組合);

組合工況ZH3:上庫(kù)為死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611 m),一臺(tái)機(jī)組最大出力,一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng),在流入調(diào)壓室流量最大時(shí),兩臺(tái)機(jī)組突甩負(fù)荷,復(fù)核調(diào)壓室涌浪第二幅值,可能出現(xiàn)調(diào)壓室最低涌浪(小糙率組合);

組合工況ZH4:上庫(kù)為死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611 m),一臺(tái)機(jī)組最大出力,一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng),在調(diào)壓室水位最高時(shí),兩臺(tái)機(jī)組突甩負(fù)荷,復(fù)核調(diào)壓室涌浪第二幅值,可能出現(xiàn)調(diào)壓室最低涌浪(小糙率組合)。計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

調(diào)壓室最高涌浪發(fā)生在ZH2工況,最高涌浪值為1 827.336 m,安全裕量1.664 m;最低涌浪值為1 751.064 m,安全裕量為2.513 m;蝸殼進(jìn)口最大壓力值為279.88 m,滿足控制要求。

表3 組合工況下調(diào)壓室最高涌浪復(fù)核

表4 組合工況下調(diào)壓室最低涌浪復(fù)核

2.5 上游調(diào)壓室方案擬定

上游調(diào)壓室采用帶上室的阻抗式調(diào)壓室,閘門井兼作阻抗孔,經(jīng)水力過渡過程計(jì)算和優(yōu)化后,阻抗孔寬度取為2.0 m,長(zhǎng)度與閘門井寬度一致,大井直徑取為20 m,上室尺寸取為12 m×140 m(底寬×長(zhǎng)),調(diào)壓室大井底板高程為1 748.551 m,調(diào)壓室頂高程為1 829 m。按此體型設(shè)計(jì),調(diào)壓室最高、低涌浪、蝸殼進(jìn)口最大壓力均滿足相關(guān)規(guī)范要求,并存在一定的安全裕量。

3 機(jī)組關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化

電站尾水道很短,尾水管進(jìn)口最小壓力容易滿足,另外裝機(jī)容量相對(duì)較小,關(guān)閉規(guī)律時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng),對(duì)調(diào)壓室涌浪水位影響不大,主要影響蝸殼末端壓力和轉(zhuǎn)速控制工況,因此采用A、B兩種控制工況。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 一段直線關(guān)閉規(guī)律計(jì)算結(jié)果

機(jī)組一段直線關(guān)閉時(shí)間大于等于10 s并小于18 s時(shí),蝸殼末端最大壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率可滿足調(diào)保計(jì)算要求?？紤]關(guān)機(jī)規(guī)律力求簡(jiǎn)單同時(shí)不宜太長(zhǎng),同時(shí)考慮今后運(yùn)行中發(fā)生的組合工況,可能會(huì)導(dǎo)致蝸殼壓力及機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升率超過控制標(biāo)準(zhǔn),留有一定的安全裕量,機(jī)組關(guān)閉規(guī)律采用14 s一段直線關(guān)閉。

4 水力-機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性分析

針對(duì)小糙率組合,擬定了3種危險(xiǎn)工況調(diào)用調(diào)速器方程與大波動(dòng)過渡過程計(jì)算程序進(jìn)行小波動(dòng)過渡過程的復(fù)核計(jì)算:

XX1:最低水頭,最大出力(291.3 MW),給予15 WM的負(fù)荷擾動(dòng)

XX2:最低水頭,部分出力(175.4 MW),給予 9 MW的負(fù)荷擾動(dòng)

XX3:最低水頭,接近空載(29.2 MW),給予1.5 MW的負(fù)荷擾動(dòng)

計(jì)算結(jié)果從調(diào)壓室水位波動(dòng)來看,向上最大振幅發(fā)生在XX1工況,向上最大振幅分別為2.785 m、1.276 m、0.995 m;向下最大振幅發(fā)生在XX2工況,向下最大振幅分別為0.509 m、0.885 m、0.111 m,調(diào)壓室水位波動(dòng)均在允許的范圍內(nèi)。從機(jī)組轉(zhuǎn)速變化來看,雖然所有工況均能進(jìn)入±0.4%帶寬,但是調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng),XX1工況的調(diào)節(jié)時(shí)間甚至達(dá)到了1 065 s,說明電站調(diào)節(jié)品質(zhì)較差。同時(shí)由于經(jīng)大波動(dòng)計(jì)算優(yōu)化后的調(diào)壓室斷面直徑 20 m,相應(yīng)的托馬斷面[6-7]安全系數(shù)僅1.0左右,故調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng),機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)相對(duì)較差,但只要調(diào)速器參數(shù)在正常范圍整定,系統(tǒng)的小波動(dòng)過程是能夠穩(wěn)定的。

5 水力干擾分析

針對(duì)本電站的特點(diǎn),擬定以下四種控制工況,工況GR1,GR2可能成為最大軸力矩上升的控制工況,工況GR3,GR4可能成為最小軸力矩的控制工況:

工況GR1:上庫(kù)校核洪水位1 823.74 m,下庫(kù)正常尾水位1 611.6 m,一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,另一臺(tái)機(jī)組突甩全負(fù)荷,導(dǎo)葉正常關(guān)閉。

工況GR2:上庫(kù)運(yùn)行水位(1 799.07/1 803.12)m,下庫(kù)正常尾水位1 611.6 m,一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,另一臺(tái)機(jī)組突甩全負(fù)荷,導(dǎo)葉正常關(guān)閉。

工況GR3:上庫(kù)運(yùn)行水位(1 799.07/1 803.12)m,下庫(kù)正常尾水位1 611.6 m,一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,另一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng),增至額定出力。

工況GR4:上庫(kù)死水位1 770 m,下庫(kù)正常尾水位1 611.6 m,一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,另一臺(tái)機(jī)組正常啟動(dòng),增至最大出力。

計(jì)算成果分析:機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),采用直線關(guān)閉規(guī)律,未甩機(jī)組由于水力干擾,最大軸力矩上升了16.6%,上升值相對(duì)較大,由于上游調(diào)壓室的水位波動(dòng)的影響,機(jī)組力矩衰減比較快,400 s后的力矩?cái)[動(dòng)不到4%,滿足相關(guān)要求;增負(fù)荷時(shí),正常運(yùn)行機(jī)組由于水力干擾,最小軸力矩下降了11.4%,400 s后的擺動(dòng)不到5%,滿足相關(guān)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本電站發(fā)電引水系統(tǒng)的上游調(diào)壓室過渡過程優(yōu)化計(jì)算結(jié)果,其優(yōu)化后的尺寸阻抗孔寬度取為2.0 m,長(zhǎng)度與閘門井寬度一致,大井直徑取為20 m,上室尺寸取為12 m×140 m(底寬×長(zhǎng)),調(diào)壓室大井底板高程為1 748.551 m,調(diào)壓室頂高程為1 829 m。滿足大波動(dòng)及小波動(dòng)穩(wěn)定和水力干擾計(jì)算的要求。

通過對(duì)本電站導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行比較計(jì)算,當(dāng)采用一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí),機(jī)組最短關(guān)閉時(shí)間為14 s,組合工況下蝸殼末端最大壓力為279.88 m,在電站實(shí)際運(yùn)行中,該工況發(fā)生概率極小;正常工況下蝸殼末端最大壓力為269.36 m,有一定的安全裕量。

[1]長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL252-2000.水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.

[2]潘旭東,易強(qiáng).HDBT水電站調(diào)壓室的型式選擇及尺寸確定[J].水電與新能源,2011,(2):14-15.

[3]水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水利水電工程地下建筑物設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1993.

[4]電力工業(yè)部華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.DL/T5058-1996.水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,1997.

[5]李 偉,高洪濤,康 田.新疆波波娜水電站調(diào)壓井水力過渡過程計(jì)算[J].陜西水利,2011,(5):117-121.

[6]潘家錚.水工建筑物設(shè)計(jì)叢書水工隧洞和調(diào)壓室(調(diào)壓室部分)[M].北京:水利水電出版社,1990.

[7]陳清波.太平驛水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì),1995,11(3):36-41.

Analysis on Transition Process of Diversion System in Hydropower Station of Aertash Hydro Project

PAN Xu-dong,GUO Yu
(Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower,Wulumuqi,Xinjiang830000,China)

As we know,the diversion system in the hydropower station of Aertash Hydro Project is long.Through calculating the transition process of surge chamber,the size of the surge chamber is optimized;Through comparing and calculating the rules of guide vane,the shortest closing time is confirmed;Through calculating the transition process of small fluctuation,the small fluctuation of the system is analyzed for that it is stable or not;Through hydraulic interference calculation,the interference unit's head,flow rate,efficiency,and unit's axis torque change are judged for that they exceed the allowable range or not.All these as mentioned above could provide evidence for the design of the diversion system in hydropower station.

hydro project;transition process;surge chamber;surge

TV741

A

1672—1144(2012)01—0053—04

2011-11-20

2011-12-25

潘旭東(1969—),男(漢族),江蘇宜興人,高級(jí)工程師,主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

book=72,ebook=146