长引水系统水电站水力过渡过程仿真分析

2014-05-10耿新春

河北工程大学学报(自然科学版) 2014年1期

耿新春

(新疆新华水电投资股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000)

随着我国西部大开发战略的实施，新疆境内的水电开发加快，众多水利发电枢纽开工建设，有力促进了新疆的社会经济发展。新疆地区的水电站多为高水头引水式水电站，发电引水隧洞大部分长度超过5 km，部分引水隧洞甚至接近15 km。这种具有长引水隧洞的水电站引水系统，水流的惯性远远超过短引水系统水电站，调压室的波动周期长、振幅大、衰减慢[1]，蜗壳进口最大压力受管道水击压力与调压室涌浪压力两方面的控制[2]，这给水电站的设计及运行管理带来了很大的问题。

水电站的水力过渡过程，涉及到水力学、水轮机、电气系统的相互影响以及相互制约的联合过渡过程，直接关系到输水系统的优化设计和水电站的安全运行以及供电的品质[3]。当水电站的工况发生变化时，引水系统的水流、高速运转中的水轮发电机组、配套的调速辅助设备、电气设备乃至整个电力系统都处于过渡过程之中，研究计算水电站过渡过程，面临着大量非线性的复杂问题[4]，要想真实模拟不同工况下水电站的运行过程，得到精确的仿真结果，传统的数解法和图解法已经不能满足现代水电站运行的精度要求。本文以木扎提三级水电站为例，基于有压管道非恒定流数学模型和特征线法，利用计算机数值仿真解法，采用MATLAB作为计算平台，建立基于SIMULINK的水力过渡过程仿真模型，深入研究超长引水系统水电站过渡过程特性，对水电站的运行安全进行分析。

1 过渡过程数值模拟理论

1.1 引水发电系统过渡过程计算原理

目前引水发电系统水力过渡过程计算基本采用弹性水击基本方程[5]。其中，运动方程见式(1)：

(1)

连续方程见式(2)：

(2)

式中，g为重力加速度；H为引水系统的断面测压管水头；D为管道直径；λ为沿程阻力系数；v为断面的平均流速；s为沿水流方向的长度，方向与恒定流时的水流方向一致；θ为管轴线与水平线的夹角；α为水击波的波速；t为时间。

1.2 引水系统特征线法

弹性水击基本方程组是一组拟线性双曲偏微分方程组，很难直接求其解析解，可将偏微分方程组转化为特殊的全微分方程，即特征方程，然后再转化为一阶有限差分方程，求其近似解。

(3)

(4)

通过上述变换，把求解偏微分方程组转化成为求解常微分形式的特征方程组。在推导特征方程组的过程中，没有做过任何数学近似，特征方程组的解就是原来偏微分方程组所描述的水击问题的解。

2 水电站过渡过程仿真分析

2.1工程概况

木扎提河三级水电站是新疆木扎提河水电规划的三级电站，电站总装机容量为200 MW，额定水头355 m，电站装机两台单机容量为80 MW的大机和两台单机容量为20 MW的混流式水轮发电机。水电站引水隧洞约长14 283 m，引水隧洞末端和压力管道上弯段前设置阻抗式调压井，竖井内径D=16 m，外径17.5 m，井筒高63 m，压力管道为埋藏式，采长1 653 m。

2.2 过渡过程仿真模型建立

木扎提水电站引水发电系统采用一洞一管四机的布置方式，根据隧洞断面、压力钢管的厚度等的不同，将引水隧洞分为9个节点，将压力钢管分为3个节点，其它节点的划分见图1，其中1#、2#机组为20 MW，3#、4#机组为80 MW。在对引水系统经过分析比较后，可以确定水轮机导水机构采用单段直线关闭规律即可满足要求，最终采用关闭时间为10 s，水电站过渡过程计算简图见图1。

2.3 基于SIMULLINK的水电站过渡过程仿真模型

SIMULINK具备了可视化的动态仿真环境，能够方便得采用模块直接构建系统框图[6]，通过输入传递函数，可以对水力过渡过程这样的高度非线性问题进行模拟仿真，故采用MATLAB下的SIMULINK直接构建木扎提水电站水力过渡过程仿真模型，如图2所示：

表1 引水系统控制值出现工况说明

工况上游水位/m下游水位/m工况说明备注T72157.801800.00上游最高运行水位,下游设计水位,四台机相继从空载增至满负荷,当流入调压井流量最大时,四台机同时甩全负荷。调压室最低涌浪控制工程T122156.301801.16额定水头,四台机相继从空载增至满负荷,当调压室涌浪水位最高时,四台机同时甩全负荷。机组最大转速上升率控制工况T132157.801803.59四台机同时甩全负荷后,一台大机可以增负荷运行。调压室最高涌浪、蜗壳进口最大压力控制工况

3 仿真结果及分析

水电站过渡过程数值计算需要确定调压室的最高、最低涌浪、蜗壳进口处最大压力和机组转速最大升高率等引水系统控制值，为了充分考虑各种负荷变化情况，共拟定了14种工况进行数值模拟仿真，这里列出了出现引水系统控制值的工况，见表1。

图3、图4、图5给出了控制工况下的水力过渡过程的仿真结果曲线。

由图3可知，木扎提水电站出现的调压室最高涌浪水位为2 178.27 m，出现在T13工况，调压室最高涌浪水位以上的安全超高为1.73 m，满足安全大于1 m的要求；调压室最低涌浪水位为2 121.24 m，出现在T7工况，调压室最低涌浪水位与调压室处压力引水道顶部之间的安全高度大于3 m，调压室水深大于2 m，均满足调保要求。由图3(b)可以看出，当出现调压室最低涌浪时，由于四台机相继从空载到满负荷，引水系统内的流量和流速不断增大，调压室内的水量开始补充到引水道内，如果出现四机甩负荷，由于调压室水位达到最低，引水管道内的水大量涌入调压井，会导致引水系统的剧烈振荡，难以在短时间内恢复，会对水电站造成严重影响，因此要尽可能避免这种工况的发生。

蜗壳进口的最大压力为440.56 m，出现在T13工况，小于机组引水管最大允许压力460 m，满足调保要求。当机组甩负荷时，导叶关闭，水体由于惯性作用会在蜗壳进口处产生极大的水击压力并急剧振荡，由于木扎提采用了两台大机两台小机的布置，分岔管的引用流量不同，主管在各分岔管的由于水体惯性作用产生的流量变化有很大差异，从而导致1#、2#机组蜗壳井口处水击压力(分别为437.15 m和437.05 m)与3#、4#机组的蜗壳进口处的水击压力(分别为440.56 m和440.20 m)相差很大，而相同机组间则仅由分岔管长度的不同存在微小差异，由于3#机组的引水道要略长于4#机组，故最大水击压力出现在3#机组蜗壳进口处。由图4可知，甩负荷后，当一台机组开始增负荷运行时，会对水击波的振荡产生干扰，使其加速平复，有利于水电站稳定运行。

机组转速的最大升率在T12工况出现，发生3#机组，由图5可知，机组的最大转速为568.26 rmp，此时的转速上升率为51.54%，小于60%，满足设计要求，由于在计算过程中未考虑水体附加惯性的影响，实际的机组出现的实际最大转速应小于计算值。此时1#机组的转速为1 120.07 rmp，但其最大转速上升率仅为49.34%，在其它工况小机组的转速上升率也均小于大机组，可以得知，在安装有不同机组的水电站系统中，机组的最大转速上升率是由大机组控制。