阿尔塔什水利枢纽水电站引水系统过渡过程分析

潘旭东,郭 宇

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐 830000)

阿尔塔什水利枢纽水电站引水系统过渡过程分析

潘旭东,郭 宇

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐 830000)

阿尔塔什水利枢纽水电站引水系统长度较长。通过调压室过渡过程计算优化调压室的尺寸,既而通过对导叶关闭规律进行比较计算,确定机组最短关闭时间;再通过小波动过渡过程计算分析系统的小波动过程是否稳定;通过水力干扰计算判断被干扰机组的水头、流量、效率、机组轴力矩变化是否超过允许范围。研究结论为电站引水系统设计提供依据。

水利枢纽;过渡过程;调压室;涌浪

1 概 况

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程,在保证向塔里木河生态供水和灌溉用水的前提下,满足防洪、发电等综合利用功能。总装机容量4×175 MW,年发电量21.34×108kW◦h,保证出力79.5 MW。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000[1],为大(1)型Ⅰ等工程,发电洞进水口为1级建筑物,发电引水隧洞、电站厂房为2级建筑物;发电引水系统由两条压力输水系统管路组成,平行布置在右岸,采用一洞二机的供水方式。每条压力输水系统管路由进水塔、引水隧洞、调压室、压力钢管、岔管、支管、进水阀、水轮机蜗壳、尾水管等组成。每条压力输水系统连接两台水轮发电机组,发电洞全长约6 km,发电洞设计流量为222.4 m3/s,钢筋混凝土衬砌段流速为3.92 m/s,压力钢管段流速为6.01 m/s。最长一台水轮机压力输水系统管路总长为6 045.6 m,调压井后的压力输水系统管路总长为433.36 m。

电站引水系统长度较长,需通过过渡过程计算各种工况下引水道主要节点的水击压力变化规律及其最大、最小控制值、尾水管真空值、调压室涌波,并优化导叶关闭规律、分析调压室和机组小波动的稳定性,最终确定引水系统尺寸[2-3]。

2 上游调压室体型尺寸优化

调压室采用带上室的阻抗式调压室。为充分发挥上室作用,改善机组甩负荷时的运行条件,上室底板高程一般应该略高于最高静水位,故上室底板高程取正常蓄水位1 820 m;调压室进口处的隧洞中心高程1 742.261 m,如需要调整则涉及到输水系统整体布置的变化,故调压室的大井底板高程确定为1 748.551 m,不再进行优化。因此关于上游调压室的体型优化主要针对阻抗口面积、大井面积和上室面积进行。

水力过渡过程计算过程为通过水锤计算的特征相容方程、水轮机节点控制方程、上游闸门井节点控制方程和阻抗式调压室节点控制方程来计算引水系统各节点的压力和调压室的涌波。

2.1 计算工况

工况A:上库为正常蓄水位(1 820 m),下游为正常尾水位(1 611.6 m),两台机组正常运行,额定出力,两台机组同时甩负荷,该工况可能出现调压室的最高涌浪(小糙率组合);

工况B:上库为校核洪水位(1 823.74 m),下游为正常尾水位(1 611.6 m),两台机组正常运行,额定出力,两台机组同时甩负荷,该工况可能出现调压室的最高涌浪(小糙率组合);

工况C:上库为死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611.6 m),一台机组最大出力,一台机组正常启动,增至最大出力,该工况可能出现上游调压室最低涌浪的控制工况(大糙率组合);

工况D:上库为死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611.6 m),两台机组最大出力,两台机组突甩负荷,复核调压室涌浪第二幅值(小糙率组合)[4]。

2.2 调压室阻抗孔和大井尺寸的比较计算

由于采用闸门井兼作阻抗孔,保持闸门井尺寸不变,对不同矩形阻抗孔的宽度和大井的直径情况进行计算比较,结果见表1。

表1 调压室阻抗孔和大井尺寸对最低涌浪影响

相同工况下,大井直径不变时,随着阻抗孔宽度的增加,调压室的最低涌浪逐渐降低;阻抗孔宽度不变时,随着大井直径的增加,调压室的最低涌浪逐渐升高。原设计调压室大井直径为18 m,此时阻抗孔宽度需小于等于1.7 m,最低涌浪值才能满足规范要求。同时考虑本电站的引水隧洞较长,水体波动周期较长,今后电站运行过程中会经常发生组合工况进一步降低调压室最低涌浪值,为了保证运行的安全,竖井的直径取为20 m,此时阻抗孔宽度小于等于2.3 m时最低涌浪均能满足规范要求。

2.3 调压室阻抗孔和上室尺寸的比较计算

针对阻抗孔宽度和上室尺寸进行优化[5],见表2。

相同工况下,上室尺寸不变时,随着阻抗孔宽度的增加,蜗壳进口最大压力逐渐减小;阻抗孔宽度不变时,上室尺寸加大对于蜗壳进口最大压力影响很小。考虑到今后运行过程中会发生组合工况,到时可能会进一步增加调压室内的蜗壳最大压力和最高涌浪值,为了保证蜗壳压力和调压室最高涌浪均能满足规范要求,阻抗孔宽度为2.0 m,上室尺寸为12 m×140 m,蜗壳最大压力为269.36 m,满足调保要求,且有一定的安全裕量;调压室的最高涌浪为1 826.843 m,低于调压室的顶部高程1 829 m,符合 规范要求。

表2 调压室阻抗孔和上室尺寸对最高涌浪和蜗壳末端最大压力(水头)影响

2.4 组合工况涌浪复核

工况如下:

组合工况ZH1:上库为校核洪水位(1 823.74 m),下游为正常尾水位(1 611.6 m),一台机组额定出力,一台机组正常启动至额定出力,在流入调压室流量最大时,两台机组突甩负荷,可能出现调压室最高涌浪(小糙率组合);

组合工况ZH2:上库为校核洪水位(1 823.74 m),下游为正常尾水位(1 611.6 m),一台机组额定出力,一台机组正常启动至额定出力,在调压室水位最高时,两台机组突甩负荷,可能出现调压室最高涌浪(小糙率组合);

组合工况ZH3:上库为死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611 m),一台机组最大出力,一台机组正常启动,在流入调压室流量最大时,两台机组突甩负荷,复核调压室涌浪第二幅值,可能出现调压室最低涌浪(小糙率组合);

组合工况ZH4:上库为死水位(1 770 m),下游正常尾水位(1 611 m),一台机组最大出力,一台机组正常启动,在调压室水位最高时,两台机组突甩负荷,复核调压室涌浪第二幅值,可能出现调压室最低涌浪(小糙率组合)。计算结果见表3、表4。

调压室最高涌浪发生在ZH2工况,最高涌浪值为1 827.336 m,安全裕量1.664 m;最低涌浪值为1 751.064 m,安全裕量为2.513 m;蜗壳进口最大压力值为279.88 m,满足控制要求。

表3 组合工况下调压室最高涌浪复核

表4 组合工况下调压室最低涌浪复核

2.5 上游调压室方案拟定

上游调压室采用带上室的阻抗式调压室,闸门井兼作阻抗孔,经水力过渡过程计算和优化后,阻抗孔宽度取为2.0 m,长度与闸门井宽度一致,大井直径取为20 m,上室尺寸取为12 m×140 m(底宽×长),调压室大井底板高程为1 748.551 m,调压室顶高程为1 829 m。按此体型设计,调压室最高、低涌浪、蜗壳进口最大压力均满足相关规范要求,并存在一定的安全裕量。

3 机组关闭规律优化

电站尾水道很短,尾水管进口最小压力容易满足,另外装机容量相对较小,关闭规律时间不会太长,对调压室涌浪水位影响不大,主要影响蜗壳末端压力和转速控制工况,因此采用A、B两种控制工况。计算结果见表5。

表5 一段直线关闭规律计算结果

机组一段直线关闭时间大于等于10 s并小于18 s时,蜗壳末端最大压力和机组转速上升率可满足调保计算要求。考虑关机规律力求简单同时不宜太长,同时考虑今后运行中发生的组合工况,可能会导致蜗壳压力及机组的最大转速上升率超过控制标准,留有一定的安全裕量,机组关闭规律采用14 s一段直线关闭。

4 水力-机械系统小波动稳定性分析

针对小糙率组合,拟定了3种危险工况调用调速器方程与大波动过渡过程计算程序进行小波动过渡过程的复核计算:

XX1:最低水头,最大出力(291.3 MW),给予15 WM的负荷扰动

XX2:最低水头,部分出力(175.4 MW),给予 9 MW的负荷扰动

XX3:最低水头,接近空载(29.2 MW),给予1.5 MW的负荷扰动

计算结果从调压室水位波动来看,向上最大振幅发生在XX1工况,向上最大振幅分别为2.785 m、1.276 m、0.995 m;向下最大振幅发生在XX2工况,向下最大振幅分别为0.509 m、0.885 m、0.111 m,调压室水位波动均在允许的范围内。从机组转速变化来看,虽然所有工况均能进入±0.4%带宽,但是调节时间较长,XX1工况的调节时间甚至达到了1 065 s,说明电站调节品质较差。同时由于经大波动计算优化后的调压室断面直径 20 m,相应的托马断面[6-7]安全系数仅1.0左右,故调节时间较长,机组调节品质相对较差,但只要调速器参数在正常范围整定,系统的小波动过程是能够稳定的。

5 水力干扰分析

针对本电站的特点,拟定以下四种控制工况,工况GR1,GR2可能成为最大轴力矩上升的控制工况,工况GR3,GR4可能成为最小轴力矩的控制工况:

工况GR1:上库校核洪水位1 823.74 m,下库正常尾水位1 611.6 m,一台机组正常运行,另一台机组突甩全负荷,导叶正常关闭。

工况GR2:上库运行水位(1 799.07/1 803.12)m,下库正常尾水位1 611.6 m,一台机组正常运行,另一台机组突甩全负荷,导叶正常关闭。

工况GR3:上库运行水位(1 799.07/1 803.12)m,下库正常尾水位1 611.6 m,一台机组正常运行,另一台机组正常启动,增至额定出力。

工况GR4:上库死水位1 770 m,下库正常尾水位1 611.6 m,一台机组正常运行,另一台机组正常启动,增至最大出力。

计算成果分析:机组甩负荷时,采用直线关闭规律,未甩机组由于水力干扰,最大轴力矩上升了16.6%,上升值相对较大,由于上游调压室的水位波动的影响,机组力矩衰减比较快,400 s后的力矩摆动不到4%,满足相关要求;增负荷时,正常运行机组由于水力干扰,最小轴力矩下降了11.4%,400 s后的摆动不到5%,满足相关要求。

6 结 语

根据本电站发电引水系统的上游调压室过渡过程优化计算结果,其优化后的尺寸阻抗孔宽度取为2.0 m,长度与闸门井宽度一致,大井直径取为20 m,上室尺寸取为12 m×140 m(底宽×长),调压室大井底板高程为1 748.551 m,调压室顶高程为1 829 m。满足大波动及小波动稳定和水力干扰计算的要求。

通过对本电站导叶关闭规律进行比较计算,当采用一段直线关闭规律时,机组最短关闭时间为14 s,组合工况下蜗壳末端最大压力为279.88 m,在电站实际运行中,该工况发生概率极小;正常工况下蜗壳末端最大压力为269.36 m,有一定的安全裕量。

[1]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL252-2000.水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京:中国水利水电出版社,2000.

[2]潘旭东,易强.HDBT水电站调压室的型式选择及尺寸确定[J].水电与新能源,2011,(2):14-15.

[3]水利水电规划设计总院.水利水电工程地下建筑物设计手册[M].成都:四川科学技术出版社,1993.

[4]电力工业部华东勘测设计研究院.DL/T5058-1996.水电站调压室设计规范[S].北京:中国电力出版社,1997.

[5]李 伟,高洪涛,康 田.新疆波波娜水电站调压井水力过渡过程计算[J].陕西水利,2011,(5):117-121.

[6]潘家铮.水工建筑物设计丛书水工隧洞和调压室(调压室部分)[M].北京:水利水电出版社,1990.

[7]陈清波.太平驿水电站调压室设计[J].水电站设计,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

潘旭东(1969—),男(汉族),江苏宜兴人,高级工程师,主要从事水利水电工程设计工作。

book=72,ebook=146