塔林西水电站调节保证措施研究

张芷豪，于 奎，王经纬

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

电站调节保证工作是水电工程设计必不可少的一个重要环节，关系到电站运行安全与经济效益。国内外学者开展过大量研究探讨电站调节保证的理论方法。但以往研究多停留在理论框架层面，对具体电站进行实证分析研究较少。塔林西水电站是呼玛河水力资源开发的重要电站。但由于其地处寒冷地区，勘测工作难度大，对电站调节保证设计提出了更高要求。国内学者相关论文主要关注传统电站调节保证方法，而未针对寒区电站开展实际案例分析。本研究以塔林西水电站为例，结合该电站的具体工程地质条件及机组参数，对设置调压室与不设置调压室进行比较，进而选定最优调节保证措施方案。利用水锤模拟技术验证计算结果，为塔林西水电站调节保证设计提供参考。

1 概述

1.1 工程概况

塔林西水利枢纽是呼玛河干流中游段水能梯级规划中的控制工程，该工程的开发任务是发电、防洪，兼有保护生态环境等作用[1]。塔林西水电站引水建筑物布置在坝址左岸，采用一洞四机供水方式，由岸塔式进水口、压力引水道组成。水库设计洪水位为449.18m，正常蓄水位为447.00m，死水位为432.00m，设计发电流量为282.2m3/s。进水口采用岸塔式，进口底板高程为403.5m。引水隧洞布置在左岸副坝下部与溢洪道之间低山区，引水主洞为圆形，直径12m，引水主洞长244.5m，引水隧洞最大引水流量282.2m3/s；隧洞纵坡为0.0327。在桩号0+052—0+108.7处设转弯段，转角50°，转弯半径65m。根据地形、地质条件及洞长，引水主洞全断面采用钢筋砼衬砌和钢板衬砌，在桩号0+024—0+164.5处采用钢筋砼衬砌，钢筋砼衬砌厚为1.0m；在桩号0+164.5—0+244.5处，采用钢板衬砌，外包钢筋混凝土，钢板采用16Mn钢，厚22mm，外包钢筋混凝土厚为0.8m。钢板衬砌引水隧洞在桩号0+244.5处设发电分岔管。

分岔管采用为对称Y型，分岔角为70°，分岔管后连接2条发电支管，管径7m，采用内衬16mm厚钢板，外包70cm厚钢筋混凝土衬砌。每条发电支管再分岔管，各分出2条发电支管，管径4m，采用内衬14mm厚钢板，外包50cm厚钢筋混凝土衬砌。蜗壳进水管中心线高程401.5m，分岔支管总长44.56m。

1.2 电站基本参数

水电站地处大兴安岭地区，装机容量占整个电网总容量的50%，在大兴安岭电网中为主导电站。该电站为混合式电站，厂房布置在呼玛河左岸坝下游166m处的山坡处。厂房安装4台HLA551-LJ-300立式混流水轮机组，单机容量25MW，总装机容量为100MW。机组安装高程为401.50m，尾水管底高程391.92m。电站基本参数见表1。

表1 电站基本参数表

2 电站调节保证措施对比分析

2.1 设置上游调压室的初步判别

2.1.1基于水道特性的初步判别

根据SL 655—2014《水电站调压室设计规范》，设置上游调压室的条件[2]，可按下式做初步判别：

Tw>[Tw]

(1)

(2)

式中，Tw—压力管道中水流惯性时间常数，s；Li—压力管道及蜗壳各段长度，m；vi—个管段内相应的平均流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；Hp—设计水头，m；[Tw]—Tw的允许值，一般取2～4s。

[Tw]的取值随电站在电力系统中的作用而异。当水电站作孤立电网运行，或机组容量在电力系统中所占比例超过50%时，Tw宜用小值，而本电站在大兴安岭独立运行时，占该电网比重超过50%，因此本次设计Tw暂取2.5s。经计算，在确定引水系统布置条件下，基础资料及洞长相同，各洞径Tw初步计算值见表2。

表2 Tw值计算表

由表2可知，当洞径大于或等于12m时，Tw<2.5s，可初步判定不设置上游调压室。而具体设不设置上游调压室还需进一步分析判别。

2.1.2基于机组特性的初步判别

根据SL 655—2014，电站运行稳定性与水流惯性时间常数Tw1、机组加速时间常数Ta等密切相关，不设置上游调压室的初步判别条件应满足以下条件：

(3)

(4)

式中，Tw1—上、下游自由水面间压力水道中水流惯性时间常数，s；Ta—机组加速时间常数，s；GD2—机组飞轮力矩，kg·m2；n—机组的额定转速，r/min；P—机组的额定出力，w。

水流惯性时间常数Tw1按照公式(2)计算。代入数据，得Ta=9.06s，由此可计算得出，当洞径为11m和12m时，满足公式(3)条件；当洞径为9m和10m时，不满足公式(3)条件，可按图1所示关系图进一步判别；当处在①区时，可不设置上游调压室；当处在③区时，应设置上游调压室；当处在②区时，应详细研究设置上游调压室的必要性。根据图示关系，当洞径为9m和10m时，处于②区，因此具体设不设置上游调压室需进行洞径经济比较确定。

图1 Tw1、Ta与调速性能关系图

2.1.3洞径比较

水电站总装机容量为100MW，机组4台，引水隧洞最大引水流量282.2m3/s。减小压力管道中的流速可以减小其中单位水体的动量，因此，在同样调节时间内，可以减小动量的变化梯度，从而减小水锤压强[3]。在流量一定的情况下，减小流速意味着加大管径。用减小流速的办法降低水锤压强，往往是不经济的，一般并不采用。但在一定条件下，例如在适当地加大管径可以免设调压室时，采用这一措施可能是合理的。本次选用了9、10、11、12、13m五个洞径(D)均设置上游调压室进行经济比较。比较出较优的方案与12m洞径不设置上游调压室的方案再进行经济比较，确定最优方案[4]。根据地形及地质条件，各洞径方案调压室均设在桩号0+194.5处，采用圆形断面阻抗式调压室，压力管道布置方式均相同。各洞径主要技术经济指标比较见表3—4。

表3 塔林西电站洞径比较成果表

表4 是否设置上游调压室经济对比表

从3—4表中可以看出，设置上游调压室时，洞径10m和11m之间差额内部收益率为15.6%，而洞径11m和12m之间差额内部收益率为8.66%，小于10%的基础折现率，所以洞径为11m是经济合理的。而不设置上游调压室洞径为12m的方案，比设置上游调压室洞径为11m的方案，投资减少148万元，因此不设置上游调压室洞径为12m的方案优于设置上游调压室洞径为11m的方案，故推荐使用不设置上游调压室洞径为12m的方案[5]。不设置上游调压室洞径为12m的方案还需调节保证计算初步分析看是否满足要求。

2.2 是否需设置下游调压室判别

根据SL 655—2014规定，设置下游调压室的条件，以尾水管内不产生液柱分离为前提。由表3—4可知，在不设置上游调压室洞径为12m的工况下，尾水管的最小压力远小于规定的调节保证设计值-0.08MPa。

在尾水管满足条件的前提下，常规水电站满足下式时应设置下游调压室。

(5)

经计算，不设置上游调压室洞径为12m的方案满足条件，因此不需设置下游调压室。

3 电站调节保证计算

3.1 不设置调压室方案的调节保证计算

根据NB/T 10878—2021《水力发电厂机电设计规范》的规定[6]，机组为混流式机组，该电站装机占系统容量比重较大，且担负调频任务，机组的转速上升率宜小于50%。本电站额定水头为40.75m，机组甩负荷时蜗壳的最大压力升高率保证值应在30%～60%之间。尾水管最小压力调节保证设计值应该小于-0.08MPa。

引水系统设计推荐方案为洞径12m不设置调压室方案，经计算引水系统∑LV=988.49m2/s。调节保证计算成果见表5。

表5 调节保证计算成果表

由表5看出，调速器导叶关闭时间在7.4～11s时，可以同时满足蜗壳压力上升、水轮机转速上升和蜗壳尾水管最小压力的设计要求。调节保证要求，在将水轮机转速上升率控制在合理范围内的前提下，尽量减小蜗壳压力[7]。初步设计暂取调速器导叶关闭时间选择11s。此时蜗壳压力上升为31.4%，水轮机转速速率上升47.6%。

3.2 调节保证模拟计算

Bengtley Hammer水锤模拟软件做调节保证计算来进一步验证，如图2所示。在推荐方案为洞径12m不设置调压室的工况下，模拟计算得出在在不同导叶关闭时间的情况下，水轮机蜗壳压力与转速的变化情况。由图2可知，当导水叶关闭时间减少时，蜗壳处的压力逐渐增大；反之，当导水叶关闭时间延长，轮机机组转速为之不断上升[8]。

图2 模拟计算图

可以看出蜗壳压力和水轮机导水叶关闭时长程负相关，水轮机转速与导水叶关闭时长呈正相关。因此，我们可以找到一个时间区域，在这个区域内可以同时满足蜗壳压力和水轮机转速均处于规定范围内。由图2出当调速器导叶关闭时间在5.8～13s时，可以满足规范。当调速器导叶关闭时间为初步设计的11s时，再次用水锤软件模拟[9]，得出整个塔林西水电站引水系统管道的压力水头包络线和管道内的空气容积图，如图3所示。

图3 引水系统压力水头包络线和管道空气容积图

当水轮机导叶突然关闭时，将引起水锤效应，管道内的压力将急剧变化，在此过程中，整个系统内最高水头456.92m，最低水头436.37m。NB/T 10878—2021规定，有压输水系统全线各断面最小压力不应小于0.02MPa，模拟得出输水系统断面最小压力为0.34MPa，符合要求。而且从图3可以看出整个管道系统没有出现负压，管道内统没有出的空气容积始终为0，这就避免出现断流弥合水锤[10]，防止对管道产生巨大的破坏。然后根据Hammer拟计算得出水轮机蜗壳处的压力，此时蜗壳处的压力达到55.25m，增幅达到38.13%，处于合理范围内，通过水轮机的流量也逐渐减小为零，如图4所示。此外，也同样模拟出了在导水叶关以后水轮机转速的变化曲线，如图5所示。可知水轮机转速在此过程中不断上升，到达最高转速后缓慢下降，最高转速为275.5r/min，转速上升率46.9%，满足规范要求。因此不设置调压室洞径为12m方案的调节保证设计满足要求，机组调速稳定初步判定符合要求[11]，但需待有资料时进一步研究。初步拟定每台机组装设一套WT-100/40型微机调速器，同时每台机组蜗壳前压力钢管各装设一台φ4000mm的液压蝶阀，用于机组检修时截断水流，当调速器或导叶发生故障时紧急切断水流。为防止机组过速和飞逸事故，设置过速限制器。

图4 蜗壳处的压力与流量变化过程图

图5 水轮机转速变化图

4 结论

基于塔林西水电站的工程总体概况及机组参数，结合电站实际情况，先是对比分析了设置调压室和不设置调压室方案，根据规范要求及经济性比较，最终选择了不设置调压室洞径为12m的方案。接着对此方案进行了调节保证计算，并用Bengtley Hammer水锤模拟软件模拟计算来进一步验证方案是否满足要求[12]。

经过综合分析与比较，此电站的调节保证措施中不需要专门设置上游调压室或下游调压室，反而将引水隧洞的洞径增大到12m是更经济合理的措施。而在此基础上，相比于其他调节保证措施，调整导水叶关闭规律是最经济有效的措施，比如将导水叶匀速一段直线关闭规律变成两段或者多段直线关闭规律[11]，在此就不继续探讨。另外类如设置调压阀、增大水轮机的飞轮力矩GD2等措施[13]，在此电站中应用是否经济合理还需之后进一步研究讨论。