引水式电站过渡过程探究

'引水式电站过渡过程探究摘要：随着水电发展逐步成熟，水电事业也开始向山区河流发展，促进了中小型水电站数量的增加，因此引水式电站过渡过程的研究已经引起了广泛的关注•概述了引水式电站过渡过程的研究内容和研究现状，以及过渡过程中遇到的主要问题和主要改善措施，同时针对不同类型的调压室，就调压阀和导叶关闭规律在引水式电站过渡过程中的应用作了详细论述，通过实例针对不同类型的引水式电站简要分析了其选择条件、注意事项以及设置过程.关键词：引水式电站；过渡过程；调压井；调压阀;导叶关闭规律中图分类号：TK79文献标志码：AResearchonthetransientprocessofthediversiontypepowerstationXUWulin,WANGYu(FacultyofMetallurgicalandEnergyEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming950093,China)Abstract：Withtheincreaseinthenumberofmediumandsmallhydropowerstationbuiltinmountainareas,researchonthetransientprocessofthediversiontypepower stationhascausedwideattention.Inthispaper,researchstatusoftransientprocessofthediversiontypepowerstationwassketched,andthemainproblemsencounteredinthetransientprocessandthemainimprovementmeasureswerediscussed.Theapplicationofthepressureregulatingvalveandguidevaneshutoffrulestothetransientprocessofthediversiontypepowerstationwasdiscussedindetailfordifferenttypesofsurgechamber.Theselectioncriteria,mattersneedingattentionandthesetupprocessofthepressureregulatingvalveandguidevanewereanalyzedbrieflybycasestudyfordifferenttypesofdiversiontypepowerstation.Keywords：diversiontypepowerstation；transientprocess；surgechamber；pressureregulatingvalve；guidevaneshutoffrule我国水电开发技术日趋成熟，水电站的建设和开发逐渐转向以引水式电站为主的水流量丰富的山区河流地区.目前引水式电站的研究已成为研究热点，其中过渡过程的研究显得更为重要•本文论述了引水式电站过渡过程的主要研究内容和现状，并针对出现的问题，提出解决措施，同时通过不同的实例进行分析.1引水式电站过渡过程概述引水式电站过渡过程是指在电站日常运行过程中，由于工 作条件经常变化导致水轮机从一个工况转换到另一个工况的过程•该过程较复杂，主要包括水力、机械以及电气三方面的联合控制.虽然过渡过程历时短暂，但伴随着工况参数的急剧变化，还会出现因机械运动惯性和水流惯性引起动态附加荷载等一系列复杂的物理现象，因此，需要水、电、机三方面联合控制，从而实现水电站的运行安全[1].能源研究与信息2013年第29卷第3期徐武林，等：引水式电站过渡过程研究引水式电站过渡过程主要包括大波动情况下的过渡过程（包括突甩负荷、突增负荷等）、小波动情况下调节系统的稳定、调压室及其波动、水力振动等•关于引水式电站过渡过程的研究主要包含两个方面，一方面是确定控制工况下某些重要参数值，如调压室的最低涌浪水位、最高涌浪水位、有压引水管最大压力和最小压力以及机组转速的最大上升率等；另一方面是选择有效措施改善电站过渡过程中出现的问题，主要措施有设置调压室，安装调压阀，改变导叶关闭规律，改变输水管道尺寸等.确定重要参数值和选择有效措施对于引水式电站的运行和设计都具有十分重要的意义•例如，对于高水头引水式电站，水锤压力和最大静水压力之和决定了高压钢管管壁厚度，如果能通过对该类电站过渡过程的研究，在合理的范围内减小水锤压力，则既可节约钢材，降低造价，又能很好地改善钢管的弯转、焊接和安装条件；对于一些引水管道不太长的中水头引水式电站，如 果能通过对该类电站过渡过程的研究，在合理的情况下取消调压室，则能节省大量土建方面的投资[2-3].因此，对于引水式电站过渡过程的研究已经引起了广泛的关注.在工程实例中，由于对过渡过程的某些方面考虑不周，以致引起机组损坏、钢管破裂等重大事故也时有发生；伴随着我国西部电力的开发，引水式电站增多，机组也向大尺寸、大容量方向发展.所以，对引水式电站机组过渡过程进行研究意义更为重大.2改善引水式电站过渡过程的主要措施目前针对引水式电站过渡过程中遇到的问题，改善的主要措施有设置调压井，安装调压阀以及选择合理的导叶关闭方法.2.1调压井调压室是引水式电站最常采用的解决导叶快速关闭时压力升高和转速上升等问题的措施，通常修建在有压引水隧洞或有压引水管与压力管道衔接处•通过充分利用扩大管道断面和自由水面反射水击波，将有压引水系统分为两段：上游段为有压引水隧洞，调压室使引水隧洞基本上避免了水击压力的影响；下游段为压力钢管段，通过缩短长度，降低了压力管道内的水击压力，改善了机组的运行条件.通常情况下，根据水电站的不同条件和要求，引水系统中调压室的布置主要有三种基本形式.(1)上游调压室 设置上游调压室不但能减小蜗壳最大动水压力，而且能够缓解水击压力和机组转速升高率之间的矛盾，主要应用于上游具有较长引水道的厂房，也是最广泛使用的布置方式.一般情况下，若无特别指出，通常都是指上游调压室•对于是否设置上游调压室，取决于设计允许的水击压力升高相对值Emax、机组转速升高相对值Bmax以及水轮机惯性时间常数Ta等参数•上游调压室设置条件的Tw允许值为[4][Tw]=trKmax[ToBmax(Bmax+2)-2TC]trsf(2max+2)-ToEmaxBmax(Bmax+2)+2gmaxTC(一相水击)22max[ToBmax(Bmax+2)-2TC]ef(4max+2)(末相水击)(1)式中，f为波函数；Tw为水流惯性时间常数；E=Tn/Tg；Tg为水流惯性常数；TC为调节迟滞时间；Tn为升速时间；ti•为相长；To为机组惯性时间常数.当[Tw]大于4时，需要设置上游调压室.(1)下游调压室下游调压室的作用是缩短尾水管道长度，减小甩负荷过程中的真空度，提高运行稳定性和供电品质，所以多用于具有较长的有压尾水隧洞的厂房.由于有压尾水管内的真空由水锤真空与流速水头真空两部分组成，两者在机组甩全负荷过程中均是随时间变化的，其最大值分别发生在不同的 时间点•考虑到它们的时序关系，得出综合函数产生峰值的时刻,从而推导出较合理的尾水临界长度Lsm计算式为[4]Lwm=KgTg2V«0(2-o)•8-900-HS-V23j2gV2coj2gH02o2-3o1-V2oj2gH02-o2-3o(2)式中，K为经验常数；VsO为尾水道平均速度；。为阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化；Voj为尾水管道进口流速；H0为水轮机基准水头；Hs为水轮机净水头；为机组安装高度；g为重力加速度.(1)上、下游双调压室有的地下水电站的上、下游都具有较长的有压引水系统，为了减小水击压力，改善电站的运行条件，在厂房的上、下游均设置了调压室即双调压室系统•但设置上、下游双调压室的引水式电站和单调压室电站相比，其稳定性有很大的不同，除了会引起蜗壳处进口压力和调压室的涌浪变化外，还可能造成共振现象，如：若上、下游调压室的断面选择不合理，即使调压室的断面很大，也可能导致发生共振；若上、下游调压室的引水道以及尾水道内发生水体共振，且在引水道内水体的某一阶自振频率与尾水道内水体的某一阶自振频率相等或者相近，则也会引起共振现象.另外，设置上、下游双调压室的引水式电站中，其系统布置上存在两个比较明显的相互干扰源：尾水调压室和上游调压室的 水位波动，它们将不可避免地导致机组间出现较为复杂的水力干扰情况.这不但对水电站的供电品质产生影响，而且机组的调节时间也可能明显延长.所以，在合适的条件下，引水式电站中尽量不采用双调压室的设置[5].2.2导叶关闭规律机组导叶关闭规律的研究是目前优化电站水力机组大波动过渡过程的特性和调保计算的主要内容•在水电站运行时，经常会由于各种原因而致使机组甩负荷，水轮机转速急剧上升，严重时机组甚至可能由于强度不足而损坏，而此时调速器必须快速关闭导叶，减小引水管道内的流量，但这可能会产生严重的水击现象，引起引水系统中的压力大幅度上升或下降，甚至对机组的安全构成严重威胁•这时，导叶关闭规律起着关键性的作用•如果导叶关闭越快，水压力上升越大，反之导叶关闭越慢，转速上升越快，所以导叶关闭规律的不同将直接影响水轮机发电机组运行稳定性和安全性.另一方面，对于已建成的电站，其发电机组和引水系统的基本技术参数己经确定，采用合理的导叶分段关闭规律是既可靠又经济的选择.导叶关闭规律大体可分为两类：一类是事先假定的固定模式导叶关闭规律，主要包括直线关闭和两段或三段的折线关闭规律.目前，水电站导叶普遍都采用折线关闭规律•直线关闭规律在一些小型电站和老式电站还有使用，但它对机组的改善程度是有限的•例如：南方某水电站，引水压力隧洞直径3m、长3.5km,有三台机组达到8000kW,在Tw>Ta的情况下，使用直线关闭规律，在运行多年后出现压力隧洞末端渗水，并且机组强度不足的情况[6]. 另一类是不事先假定的非固定模式导叶关闭规律•这种方式尚处于研究阶段，具体来说就是直接将过水系统以及机组过渡过程中的控制参数，如最大转速升高值或最大压力升高值，作为控制条件确定对应的导叶关闭规律，但并不是统一采用某一种固定的两段或三段的关闭规律，而是利用阀调节原理求取理想的导叶关闭规律，即反算法.这将得出真正意义上的最优化导叶关闭规律，有效控制机组水力过渡过程中的水击压力上升值和转速上升的最大值[7].引水式电站不同于其它电站，其引水系统较复杂•导叶关闭规律作为一种运行调节手段并不是单独使用，往往是配合调压室或者调压阀使用.以设有上游调压室的引水式吉林台水电站为例•该电站蜗壳进口处最大压力值受调压室涌浪压力和水锤压力两方面的相互控制，所以其优化顺序为：先从理论上校核涌浪压力是否能成为电站输水系统的控制压力；若涌浪压力与最大压力的控制值相差不大，则涌浪压力就是输水系统的控制压力，应对调压室体型进行优化，然后优化导叶的关闭规律•表1为具有长引水道系统的吉林台水电站不同阻抗孔口尺寸下的调压室最高涌浪及蜗壳进口最大压力[8].表1调压室尺寸对调压室最高涌浪的影响Tab.llnfluenceofsurgetanksizeonthemaximumsurge 阻抗孔口直径/m调压室最高浪涌/m蜗壳进口压力/kPa最大水锤压力最大浪涌压力4.01289.5676.20573.305.01292.1617.40598.786.01293.8580.16615.447.01294.8562.52625.248.01295.3552.72630.14从表1可知，调压室的最高涌浪随着阻抗孔口尺寸加大而增大；当阻抗孔口直径小于6m时，水锤压力决定了蜗壳进口处的最大压力；当阻抗孔口直径大于或等于6m时，涌浪压力决定了蜗壳进口处最大压力；当阻抗孔口直径为6m时，调压室最高涌浪为1293.8m,距涌浪的控制值1296m约有2m的安全裕量，所以最佳阻抗孔口直径为6m.通过计算发现，采用直线关闭规律无法同时将管道水压和机组转速限制在允许范围内，所以需要釆用折线导叶关闭规律•初步选用的导叶折线关闭规律为关闭时间11〜20s,即以导叶开度为0.5为分界点.在导叶开度大于0.5时采用斜率为1/11的导叶关闭规律，当开度小于0.5时采用斜率为1/20的导叶关闭规律•表2给出了折线关闭规律下蜗壳进口最大压力和机组最大转速.从表2可看出，若采用11〜20s折线导叶关闭规律，蜗壳进口最大压力和机组最大转速上升均可满足调保计算 要求，且存在一定的安全裕量.表2折线关闭规律下蜗壳进口最大压力和机组最大转速Tab.2Maximumpressureandrotationalspeedattheinletofspiralcaseunderbrokenlineshutofflaw关闭时间/s调压室最高涌浪/m蜗壳进口压力/kPa最大水锤压力最大浪涌压力转速上升率/%11〜121293.7591.92614.4647.72.3调压阀20世纪80年代，我国开始在长引水式水电站中采用“以阀代井”的调节保证措施，如南龙源电站是我国第一座釆用调压阀代替调压井的试点电站，安装了我国自行研制的全油压调压阀•该调压阀与导叶液压联动，具有安全可靠、工期短、投资小等优势•之后云南西洱河二级电站、广西长滩河水电站、贵州白水河一级电站等也采用调压阀作为调节保证措施，有效降低了管道的压力升高值，确保了输水系统的安全，使电站运行稳定[9]. 对于一些中小型长引水式电站，可能受地形、地质等条件限制，需投入大量的人力和资金，采用造价优廉经济可行的调压阀具有较明显的优势•其原理是：当机组甩负荷时，导叶快速关闭同时调压阀迅速开启，将机组关闭时需减少的流量从调压阀排出，待机组关闭后再缓慢关闭调压阀•也就是说，安装调压阀后，引水系统内流量变化得以缓慢进行，从而削减了水压上升值•另外，由于机组仍然是快速关闭的,保证了机组转速的上升值也不会过高，所以说，调压阀是降低引水系统压力上升值和机组速率上升值的有效措施之一，起到了调压井的作用•对于判别是否在中小型引水式电站中设置调压阀主要通过导叶关闭时间确定.当导叶关闭时间Tw采用"井阀并用”方案的前提条件是杨村电站不担任系统主调频任务，否则难以保证电站运行的稳定性.采用“井阀并用”方案比单一的调压室方案能更好地节省工程量.另外，小浪底西沟水电站也使用了"井阀并用”的方案[12].3结语在引水式电站过渡过程研究中除了设置调压室、调压阀以及改变导叶关闭规律，还可通过加大引水隧洞洞径和减小引水隧洞长度的措施代替调压室［13］,安装水斗式机组的引水式电站取消调压室［14］等•但由于引水式电站过渡过程较为复杂，针对不同情况，运用的措施也不相同，能否完全满足需要，可能还要根据具体情况进一步研究确定，在实际工程中偶尔出现的各种导致事故的问题也在不断向人们提出新的研究课题. 参考文献：［1］吴荣樵，陈鉴治.水电站的水力过渡过程［M］.北京：中国水利水电出版社，1997.［2］沈祖治•水轮机调节M.3版.北京：中国水利水电出版社，1997.［3］李笑帆，张思青•基于风-光-水互补的云南微电网建设可行性探讨［J］.能源研究与信息，2012,28(4)：211-215.［4］杨建东，汪正春，詹佳佳•上游调压室设置条件的探讨［J］•水力发电学报，2008,27(5)：27-33.［5］张芝永，赖旭，陈玲.双调压室多机组水电站水力一调速系统稳定性研究［J］.水电能源科学，2010,28(1)：121-125.［6］高仝.南美水电站导叶分段关闭的调节保证计算［J］.小水电，2008(5)：21-25.[7]王煜，田赋•遗传算法在水轮机非固定模式导叶关闭规律中的应用[J].大电机技术,2009(4)：42-48.[8]卢伟华，张健，范波芹，等•长引水道系统调压室体型与导叶关闭规律优化[J]•水电能源科学，2007,25(4)：90-98.[9]焦洁，张健•中小型引水式水电站调压阀尺寸优化[J].水电能源科学,2012,30(5)：105-108. [7]黄邵军，仇涛，毛俭福•调压阀在南山水电站的应用[J].小水电，2007(3)：21-25.[8]黄川江.杨村水电站调压井型式的选择[J].四川水利，2004,29(5)：10-15.[9]孟旭央，柴志阳，李光勉，等.小浪底西沟水电站调压系统优化设计研究[J].人民黄河，2012(1)：134-139.[10]张玉润，鞠小明，陈云良，等.安装水斗式机组的引水式水电站取消调压室研究[J].西南民族大学学报(自然科学版)，2012,38(4)：630-636.[11]覃玉兰，辜晓原，许莉•向家坝水电站引水隧洞布置设计[J].水力发电,2008,34(8)：35-40.'