抽水蓄能电站调压室断面面积选择及相关影响研究

2020-09-28刘君成丁景焕张建龙王震洲

水电与抽水蓄能 2020年4期

刘君成，丁景焕，张建龙，王震洲

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

1 前言

调压室对改善抽水蓄能电站水道系统运行条件具有重要作用，其中合理选择调压室稳定断面面积能够使水位波动得到快速衰减，提高抽水蓄能电站水工建筑物和机组设备运行的稳定性和供电质量。因此，调压室稳定断面面积尤为重要。如何合理确定调压室稳定断面面积需要考虑诸多因素。本文将通过开展相关研究，探讨调压室稳定断面的选择方法，提出相关结论。

2 历史研究概述

20世纪初托马（D.Thoma）按理想调节的假设首次导出调压室临界稳定断面公式，后来卡拉姆（J.，Clame）、加登（D.，Gaden）和耶格尔（C.Jaeger）等人在他的假设基础上对托马公式作了一些修正。1947～1951年实验发现部分电站调压室面积小于托马临界稳定断面但振荡是衰减的，证明托马公式不是唯一的标准。1958～1960年包瑞耳（L.Borel）在分析中考虑了包括机组特性和调速等多种影响因素，但在所给出的临界断面公式中也只引用水轮机特性参数。1963年村獭次男等人考虑了机组动力特性和调速作用导出一个公式，但对稳定条件没有给出分析论证，同时选用的调速方程也不同。《水电站调压室稳定断面问题的研究》（董兴林）结合国内水轮机综合特性曲线，通过计算机模型及参数调整进行计算分析，提出了较完整的临界稳定断面公式（1），通过公式合理选定调速器各项参数，能在小于托马临界稳定断面的情况下，满足调节系统稳定运行要求。

图1 水电站引水系统调压室示意图Figure 1 Schematic diagram of the diversion system surge chamber

式中：L、f、Q、α——分别为图1中AB段的长度、断面积、瞬时流量和损失系数；下标“0”表示稳定时工况；

l、φ、q、β——分别为图1中BC段的长度、断面积、瞬时流量和损失系数；下标“0”表示稳定时工况；

FTh——托马临界断面积；

Td——缓冲时间常数。

按水轮机综合特性曲线计算可得s6和M。计算方法如下：先固定和η-μ关系曲线，然后求改二次曲线在工作点处切线的斜率，从而由式（4）和式（5）算得

对理想水轮机（s6=M=1）情况：

3 本文研究方法

调压室的波动可能有两种：一种是动力不稳定的，这种波动的振幅随着时间逐渐增大；一种是动力稳定的，波动的振幅最后趋近于一个常数，称为一个持续的稳定周期的波动，它的一个极限情况是波动的振幅最后趋近零，而称为一个衰减的波动。在设计调压室时，必须要求波动是衰减的。

调压室波动的不稳定性现象，首先发现于德国汉堡电站，促使托马进行研究，提出了著名的调压室波动的衰减条件。它的一个重要假定是波动的振幅是无限小的，即调压室的波动是线性的，因此托马条件不能直接应用于大波动[1]。

NB/T 35021—2014《水电站调压室设计规范》规定，上游调压室的稳定断面面积可按式（7）～式（9）计算[3]：

式中：F——上游调压室的稳定断面积，m2；

FTh——托马临界稳定断面积，m2；

L——压力引水道（自水库至调压室）长度，m；

f——压力引水道断面面积，m2；

H0——发电最小毛水头，即对应上下游最小水位差、机组发出最大输出功率式的毛水头，m；

α——自水库至调压室的水头损失系数（包括局部水头损失与沿程水头损失），s2/m；

v——压力引水道的平均流速，m/s；

hw0——压力引水道水头损失，m；

hwm——调压室下游压力管道总水头损失系数（包括压力管道和尾水延伸管道水头损失），m；

K——系数，一般可用1.0～1.1。

下游调压室的稳定断面面积可按式（10）～式（12）计算：

式中：FTh——托马临界稳定断面积，m2；

Lw——压力尾水道长度，m；

f——压力尾水道断面面积，m2；

H0——发电最小毛水头，m；

α——下游调压室至下游河道或水库水头损失系数（包括局部水头损失与沿程水头损失），s2/m；

v——压力尾水道的平均流速，m/s；

hw0——压力尾水道水头损失，m；

hwm——下游调压室上游管道总水头损失系数（包括压力管道和尾水延伸管道水头损失），m；

K——系数，一般可用1.0～1.1。

托马公式在推导的过程中做了以下假定：①调速器的灵敏度极高，达到理想的程度，使水轮机的出力保持固定不变；②水电站单独运行；③忽略水轮机效率变化的影响；④波动的幅度极微小，在公式推导时对所有高于二阶的微分量均略去不计[4]。华东勘测设计研究院与挪威Norconsult公司通过合作研究，在推导调压室断面面积时建立了一个四阶动态解析模型，在这个模型的基础上研究了水轮机效率特性、调速器参数、发电机自调节特性、调压室底部流速头、调压室底部流道过流面积与压力引水道过流面积的差异等因素对调压室稳定断面的影响，提出了调压室临界断面面积ECIDI/Norconsult修正公式，简称E/N修正公式。

式中：ω——调压室底部流道过流面积与压力引水道过流面积之比的平方，；

fc——调压室底部流道过流面积，对于无连接管的简单式调压室，可以近似认为ω≈∞；

hv——调压室底部流道水流的流速头，；

vc——调压室底部流道水流的流速，对于无连接管的简单式调压室，可以近似认为hv≈0；

δ——水轮机效率相关项，，其中为水轮机相对效率对相对水头的变化率，Hr为水轮发电机组额定水头；为水轮机相对效率对相对流量的变化率，Qr为水轮发电机组额定流量，在设计前期无法得到水轮机效率特性的前提下，可用经验公式δ= 0.0009ns+1.044或者δ= 0.0029nq+1.044计算，其中ns、nq均为比转速。

E/N修正公式从理论推导方面考虑了水轮机效率特性等影响因素，使其计算结果较式（1）～式（5）计算的托马临界稳定断面面积增加10%～30%。工程实践证明众多调压室在实际运行过程中均是安全的、稳定的。

4 抽水蓄能电站调压室稳定断面选择探讨

抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰、调频及事故备用等作用，若要调压室真正起到降低上游蜗壳压力、提高下游尾水管真空度的作用，调压室面积的选择显得尤为重要。

在可研阶段设计时，可按托马公式计算出初步的稳定断面，结合数值计算进行敏感性分析，选取合适的安全系数，在确保安全的前提下，尽量减小工程量，降低成本。下面将通过某典型电站可研阶段的参数对调压室断面进行敏感性分析[2]。

某典型电站装机容量1200MW，额定水头600m，输水系统总长约2800m，其中引水系统长约1800m，尾水系统长约1000m。引水调压室及尾水调压室均为阻抗式，其中：引水调压室大井直径、小井直径分别为10.0、3.0m，大井高度、小井高度分别为70.0、6.0m；尾水调压室大井直径、小井直径分别为11.0、3.5m，大井高度、小井高度分别为62.5、63.0m。

（1）上游调压室面积敏感性分析。

调压室设计参数见表1，上游调压室断面面积敏感性分析结果见表2。

表1 调压室设计参数Table 1 Design parameters of surge chamber

表2 上游调压室断面面积敏感性分析结果Table 2 Results of sensitivity analysis of the headrace surge chamber's cross-sectional area

图2 上游调压室面积和蜗壳压力变化Figure 2 The headrace surge chamber area and the volute pressure change

由表2及图2、图3可知，当上游调压室面积增大时，调压室波动幅度减小，周期加长。蜗壳压力与尾水管进口压力也逐渐降低，但是变化不明显[5]。因此，上游调压室面积主要影响调压室水位的变化，在导叶关闭规律不变的情况下，对机组参数影响比较小[6]。

图3 上游调压室断面面积和水位变化Figure 3 The cross-sectional area of the headrace surge chamber and the change of water level

（2）下游调压室面积敏感性分析。

由表3及图4、图5可知，当下游调压室面积逐渐增大时，调压室水位波动幅度减小，周期加长，蜗壳压力与尾水管进口压力也逐渐增加，尾水管进口压力变化较明显，机组转速上升率变化较小[7]。因此，调压室水位变幅及尾水管进口压力变化与下游调压室稳定断面面积变化敏感度较高。合适的调压室稳定断面面积对尾水管进口真空度的改善具有积极作用[8]。