水电站调压室设置条件探讨

孙经华

(天生桥水力发电总厂,贵州兴义 562400)

水电站调压室设置条件探讨

孙经华

(天生桥水力发电总厂,贵州兴义 562400)

水电站调压室的设置是影响水电站运行稳定性的一个重要的因素。介绍了水电站调压室的基本类型和主要功能;从基于调保参数和基于水电站运行稳定性及调节品质两方面对水电站设置条件进行了探讨。水电站条件室设置条件的研究,对提高水电站运行的稳定性和调节品质具有重要的意义。

水电站 调压室 稳定性 设置条件

近些年来随着经济的发展,人们用电量的水平也越来越高。我国加大了对水力资源的开发,设计、建设了一批新的大型和特大型的水电站。作为电网系统中的主力发电源头,这些水电站在电力系统中占有非常重要的地位,并且承担着的主要的动态负荷。随着水电站的发电量在电网中所占份额的提高,机组的调峰任务也更加艰巨,所以水电站需要具有较高的运行稳定性和调节品质。调压室是水电站为了减少水击压力,改善机组运行条件而建造的水电站平水建筑物,它的设置是影响水电站运行稳定性的一个非常重要因素。为此,本文对水电站调压室的设置条件进行了探讨,对提高水电站的运行稳定性具有重要意义。

1 水电站调压室的基本类型及主要功能

调压室是一个具有自由水面的筒式或井式建筑物,水电站调压室主要分为以下几种基本类型:简单圆筒式调压室、阻抗式调压室、双室式调压室、溢流式调压室、差动式调压室和气垫式或半气垫式调压室。目前我国应用较多的是差动式调压室,该种调压室所需容积较小,水位波动衰减也快,它的缺点是结构复杂,工程造价较高。

水电站调压室的主要功能是减少水锤的压力,改善机组的运行条件。设置了调压室后,调压室将整个引水道系统分为两个部分,前面一段为引水隧洞,后面一段为压力管道。调压室可以反射水锤波,缩短压力管道的长度,并且改善机组在负荷变化时的运行条件。但是,调压室的高造价、长工期会对整个水力发电系统的建设造成很大的影响。所以对水电站调压室的设置条件进行研究,分析是否需要设置调压室具有重要的现实意义。

2 基于调保参数的调压室设置条件

基于调保参数的调压室的设置条件主要分为上游调压室的设置条件和下游调压室的设置条件两个部分。其中水电机组转速的升高和水击压力值的大小是调压室设置条件的主要影响因素。

2.1 上游调压室的设计条件

对于上游调压室的设计条件,国内外有不同的标准。国外标准中,前苏联在二十世纪七十年代对水电站调压室的设计标准为TW=∑LV/H0＞K,其中TW为水流加速时间,L为水道的长度,V为水流流速,H0为水轮机的设计水头,K的取值跟机组的装机容量有直接的关系。标准规定,装机容量超过系统总容量的50%时,K=16～20s;如果装机容量小于50%,甚至低于20%时,K＞50s。日本和法国的数值相同,其条件为∑LV/H0＞45s[1]。

国内对调压室设计条件的研究始于二十世纪八十年代,以丁浩为代表的一些学者推导了计算引水管道长度的公式。我国在1996年颁布了《水电站调压室设计规范》。该规范明确的规定了调压室的设置条件为∑LV/H0＞2～4s。该规范是在已有水电站的运行经验的基础上结合国外调压室设置已有的研究成果制定的,并在近些年的水电站调压室设计中得到了验证,并且取得了很好的成果。

相对转速和相对压力的升高是评判调压室是否必要的评判标准,这一点已经得到了国内外相关专家的认可。我国的杨建东教授于2008年推导出了上游调压室设置条件的表达式。该表达式就是基于相对转速和相对压力的升高两个影响因素基础上推导出来的。该表达式较为完整的涵盖了影响调压室设置条件的所有重要因素,在实际应用中取得了较为理想的结果。

上游调压室的设计条件目前相对来讲较为完善,但是随着机组参数的升高,一些新的影响因素也随之出现,所以调压室的设置条件标准也要随机组参数的变化而有所改变,进而适应机组发展的要求。为水电机组运行的稳定性做出应有的重要贡献。

2.2 下游调压室的设计条件

美国的下游调压室的设置条件为∑LV＞1800m2/s,我国在1996年颁布了《水电站调压室设计规范》,其中对下游调压室的设置条件也有明确的规定。

下游水电站的设置条件取决于尾水管道的临界长度,该临界长度与液柱分离现象的产生有关。当水电站的尾水管道的实际长度大于临界长度时就需要设置下游调压室。另外机组的最大转速升率也是影响设置条件的重要因素[2]。

下游调压室的设计条件目前还有很多不足。考虑影响因素不全面是目前的主要问题。所以学者应该加强对这方面的研究工作。

3 基于水电站运行稳定性及调节品质的调压室设置条件

水电机组在目前的电网运行中承担着重要的调峰任务,所以在变负荷过程中保证水电机组运行的稳定性是非常关键的。设置调压室可以保证水电站运行的稳定性和较高的调节品质,所以在研究调压室设置条件时,运行的稳定性是必须要考虑的因素。

基于水电站运行稳定性的调压室设置判别式最早由董兴林推导得到,但是该判别式被证明是不稳定的,存在漏洞的。

水电机组的调节系统是高阶的复杂系统,其调节性能指标的求解要困难的多。目前较成熟的做法是,首先建立一个理想状态下的水电机组模型,在该模型的基础上进行数学分析。首先对稳定域受波速的影响进行分析,继而根据Routh-Hurwitz稳定条件对基于水电站运行稳定性的调压室设置条件进行推导[3,4]。

4 结语

本文主要研究了水电站调压室的设置条件。水电站调压室的设置是影响水电站运行稳定性的一个重要的因素。介绍了水电站调压室的基本类型和主要功能;从基于调保参数和基于水电站运行稳定性及调节品质两方面对水电站设置条件进行了探讨。水电站条件室设置条件的研究,对提高水电站运行的稳定性和调节品质具有重要的意义。

[1]张超.水电能资源开发利用[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]吴应文.用水压补偿装置改善水轮机调节系统调节品质的研究与试验[J].水电能源科学,1987,5(3):259-270.

[3]王治中,王建林,赵毅力.水电站调压室设置必要性判断式的分析研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2009,36(8):218-222.

[4]赵正飞,张晓宏,张彦航.上游调压室设置公式的对比分析[J].水资源与水工程学报,2009,20(3):94-96,101.

孙经华(1983—),男,贵州兴义人,学士,助理工程师,主要从事水电站运行技术方面工作。