水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

1嚴(yán)格引進(jìn)設(shè)備及支管布置下坂水庫(kù)位于新疆喀什。是喀什庫(kù)爾干河下游三級(jí)水庫(kù)的主供電。水利樞紐為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。下坂地電站是喀、克電網(wǎng)唯一有調(diào)節(jié)能力的調(diào)峰調(diào)頻電站,在系統(tǒng)中承擔(dān)峰荷。電站總裝機(jī)1.5×10電站引水系統(tǒng)由引水發(fā)電洞、調(diào)壓室及壓力管道組成,引水發(fā)電洞布置在左岸,進(jìn)口底板高程2905.0m,長(zhǎng)4634m,圓形斷面,洞徑5.2m。調(diào)壓室為水室式,高88.25m,豎井直徑10.0m.調(diào)壓室后為“一管三機(jī)”布置方式,調(diào)壓室后接壓力鋼管,內(nèi)徑4.8m,長(zhǎng)247m至鋼岔管,從岔管到機(jī)組的最長(zhǎng)一條支管約43m。電站廠房為地下式。1.1正常尾水位設(shè)計(jì)上游水位正常蓄水位:2960.0m水庫(kù)死水位:2915.0m校核洪水位(P=0.2%):2964.6m設(shè)計(jì)洪水位(P=1%):2963.2m下游水位正常尾水位:2746.91m最低尾水位:2744.55m安裝高程:2738.24m1.2轉(zhuǎn)輪運(yùn)行能力裝機(jī)臺(tái)數(shù):3水輪機(jī)型號(hào):HL138-LJ-210發(fā)電機(jī)型號(hào):SF50-14/4500額定轉(zhuǎn)速:428.6r/min額定容量:57.14MVA/50MW飛逸轉(zhuǎn)速:802r/min水輪機(jī)額定出力:51.55MW飛輪力矩:GD2≥650t·m額定水頭:190.0m電站最高凈水頭:214.8m電站最小凈水頭:155.76m電站運(yùn)行方式:峰荷2調(diào)壓室的選擇1)計(jì)算最高、最低涌波;2)選定合理的調(diào)壓室型式和尺寸;3)推薦調(diào)速器主要參數(shù)整定值;4)提出調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果;5)小波動(dòng)穩(wěn)定分析。3壓室的類型和幾何的尺寸3.1上門板單雙洞單管布置方案根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5058-1996)設(shè)置上游調(diào)壓室的條件為:式中,TLVg——重力加速度,m/sH[T壓力引水隧洞最大引水流量92.1m由于下坂地電站的高水頭、長(zhǎng)引水隧洞等特點(diǎn)以及廠區(qū)地形條件限制,調(diào)壓室與廠房間的壓力管道長(zhǎng)度超過(guò)200m,因此水流經(jīng)調(diào)壓室時(shí)采用單洞單管一進(jìn)一出的布置方案。3.2氮?dú)馐秸{(diào)壓室的特殊價(jià)值調(diào)壓室型式的選擇,針對(duì)本區(qū)地形地質(zhì)條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單圓筒式、水室式及氣墊式調(diào)壓室的方案比較。根據(jù)調(diào)壓室所處的地質(zhì)條件和電站的水頭情況,滿足布置氣墊式調(diào)壓室條件。氣墊式調(diào)壓室具有以下優(yōu)點(diǎn):布置和選址比較靈活,可布置到離廠房較近的地方,對(duì)調(diào)節(jié)穩(wěn)定和電站運(yùn)行有利;可較大地節(jié)約工程量,施工工期也可縮短;氣墊式調(diào)壓室有利于反射水擊波,減少水擊壓力,所以它的調(diào)節(jié)作用比開敞式更為有效。但是氣墊式調(diào)壓室對(duì)地質(zhì)要求較高,要求基巖基本不漏水、不漏氣或少漏氣。在運(yùn)行中一旦漏氣,氣墊的作用將減小或失去作用,電站將逼迫停機(jī);檢修后充氣往往需很長(zhǎng)的時(shí)間,這對(duì)于在系統(tǒng)中占重要地位的下坂地電站是不允許的。同時(shí),氣墊式調(diào)壓室目前在我國(guó)處于小工程實(shí)驗(yàn)階段,在世界上也只有挪威、日本等極少數(shù)幾個(gè)國(guó)家應(yīng)用,工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)比較少。故不考慮氣墊式調(diào)壓室。所以,調(diào)壓室型式初選簡(jiǎn)單圓筒式及水室式兩種比較型式。3.3壓室的幾何尺寸3.3.1斷面面積ak由于機(jī)組負(fù)荷變化或擾動(dòng),調(diào)壓室水位發(fā)生波動(dòng)時(shí)所需要的穩(wěn)定斷面面積,通常采用托馬準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。式中,AK——系數(shù),一般可采用1.0～1.1;取1.1。在最低水位2915.00m情況下,求得所需穩(wěn)定斷面積A=66.19m3.3.2確定最大涌水量的確定1)調(diào)壓室斷面面積應(yīng)滿足穩(wěn)定要求,高度應(yīng)滿足涌波要求。2)調(diào)壓室阻抗孔的選擇:應(yīng)使增設(shè)阻抗孔后,調(diào)壓室底部壓力水道的水壓力,任何時(shí)間均不大于調(diào)壓室出現(xiàn)最高涌波水位時(shí)的水壓力,也均不低于最低涌波水位的水壓力,并應(yīng)盡可能地抑制調(diào)壓室的波動(dòng)幅度,以及加速最低涌波的衰減。經(jīng)試算:(1)水室式調(diào)壓室:豎井直徑10m,阻抗孔直徑3.84m,阻抗孔的總流量系數(shù)取0.65。上室容積按丟棄負(fù)荷時(shí)的涌水量確定,上室為城門洞形隧洞,應(yīng)考慮水波降的影響,上室底板宜設(shè)在最高靜水位(2964.8m)以上,但是2964.8m為大壩的最高水位,而廠房的最高防洪水位為2963.2m,因此,上室底板高程取在2963.2m以上,同時(shí)校核2964.8m時(shí)最高涌波不溢出交通平臺(tái)高程即可,故上室底板高程取2963.5m;下室為圓形斷面,應(yīng)考慮水波降的影響,下室底板宜設(shè)在最低靜水位(2915.0m)以下,取2899.0m。(2)圓筒式調(diào)壓室:豎井直徑為16m,阻抗孔直徑為3.84m,阻抗孔的總流量系數(shù)取0.65。兩種調(diào)壓室的幾何尺寸及參數(shù)見表1。水室式布置見圖1。4計(jì)算大波動(dòng)轉(zhuǎn)移過(guò)程的方法和要求4.1計(jì)算原則和方法對(duì)于大中型水電站的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算4.1.1流量和導(dǎo)葉開度1)水擊壓力、調(diào)壓室涌波及機(jī)組轉(zhuǎn)速、流量和導(dǎo)葉開度的變化應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行計(jì)算;4)管壁和水流均視作彈性體;5)管道內(nèi)充滿水(有壓流),不考慮含氣的影響。4.1.2水輪機(jī)特性分析1)上游水庫(kù)和下游河道:由于水庫(kù)與河道都具有較大面積的自由水面,可假定在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中水位保持不變。2)調(diào)壓室:調(diào)壓室水位波動(dòng)較為緩慢,可忽略調(diào)壓室內(nèi)水體的慣性力和室壁摩擦力。3)水輪機(jī):在穩(wěn)定工況下作用在水輪機(jī)上的有效水頭應(yīng)為蝸殼進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面的單位能量差(蝸殼與尾水管的水頭損失已包括在水輪機(jī)效率中),但在瞬變過(guò)程中,還必須考慮蝸殼與尾水管水擊的附加影響。根據(jù)水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線和飛逸特性曲線,加以內(nèi)差、外延形成從導(dǎo)葉零開度到全開,從較小單位轉(zhuǎn)速到飛逸單位轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)特性曲線的離散數(shù)表。各部計(jì)算數(shù)學(xué)模型詳見成勘院劉保華編寫的《裝設(shè)混流式水輪機(jī)的常規(guī)水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算通用程序GTPP(2002)使用說(shuō)明書》。4.2按最大壓力、轉(zhuǎn)速有升率確定水質(zhì)放空氣量計(jì)算機(jī)及調(diào)壓室涌波1)蝸殼進(jìn)口斷面最大壓力上升值:按DL/T5186-2004規(guī)定:額定水頭大于100m時(shí),機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率宜小于30%。蝸殼最大壓力值應(yīng)按額定水頭和最大水頭兩種情況下,發(fā)出額定負(fù)荷的條件進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)較大值確定。確定蝸殼允許壓力上升值,主要是要著眼于壓力鋼管、蝸殼和機(jī)組強(qiáng)度,因此,比較壓力上升率而言,人們更關(guān)心允許最大壓力絕對(duì)值。根據(jù)SD144-85規(guī)定:鋼管正常工作情況最高壓力計(jì)算:鋼管水錘按相應(yīng)于水庫(kù)正常水位,由本鋼管供水的全部機(jī)組突然丟棄全部負(fù)荷計(jì)算;鋼管特殊工作情況最高壓力計(jì)算:鋼管水錘按相應(yīng)于水庫(kù)最高水位,由本鋼管供水的全部機(jī)組突然丟棄全部負(fù)荷計(jì)算。本電站為“一室一管三機(jī)”布置方式,當(dāng)3臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷后,蝸殼將出現(xiàn)最大壓力上升值。建議本電站蝸殼進(jìn)口斷面允許最大壓力上升值取ζ2)最低壓力:在引水系統(tǒng)任何位置不允許產(chǎn)生負(fù)壓,且應(yīng)有2～3m余壓。尾水管進(jìn)口的最大真空度為8m水頭。3)最大轉(zhuǎn)速上升率:本電站接入大電網(wǎng)運(yùn)行,是喀、克電網(wǎng)唯一有調(diào)節(jié)能力的調(diào)峰調(diào)頻電站,在系統(tǒng)中承擔(dān)峰荷。占電網(wǎng)設(shè)計(jì)水平年(2010年)系統(tǒng)最大負(fù)荷580MW的26%左右。按照DL/T5186-2004規(guī)定:當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大,且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí),宜小于45%;建議本電站最大轉(zhuǎn)速上升率按β4)調(diào)壓室涌波:按照DL/T5058-1996規(guī)定:調(diào)壓室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1m。上游調(diào)壓室最低涌波與調(diào)壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度應(yīng)不小于2～3m,調(diào)壓室底板應(yīng)留有不小于1.0m的安全水深。5)調(diào)壓室涌波計(jì)算工況:最高涌波按上庫(kù)正常蓄水位時(shí),共用同一調(diào)壓室的全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷時(shí),作為設(shè)計(jì)工況;按上庫(kù)校核洪水位時(shí),相應(yīng)工況作校核。最低涌波:上庫(kù)死水位時(shí),共一調(diào)壓室的全部n臺(tái)機(jī)組由(n-1)臺(tái)增至n臺(tái)或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷增至滿載,并復(fù)核上庫(kù)死水位時(shí)共一調(diào)壓室的全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷時(shí)的第二振幅。計(jì)算調(diào)壓室涌波水位,丟棄負(fù)荷時(shí)引水道糙率取值:增加負(fù)荷時(shí)引水道糙率取大值;甩負(fù)荷時(shí)引水道糙率取小值。計(jì)算中糙率最大值:引水洞0.014,壓力鋼管0.012;糙率最小值:引水洞0.012,壓力鋼管0.011。5計(jì)算大波動(dòng)轉(zhuǎn)移過(guò)程和結(jié)果分析5.1水擊波速a經(jīng)計(jì)算,隧洞水擊波速a=1369m/s,壓力鋼管水擊波速a=1383.8m/s。由于水擊波速的誤差幾乎不影響調(diào)壓室涌波計(jì)算結(jié)果,對(duì)于發(fā)生間接水擊的較短壓力鋼管,對(duì)水擊極值的影響也很小。計(jì)算中取值:a=1380m/s。5.2計(jì)算經(jīng)過(guò)對(duì)各種工況進(jìn)行計(jì)算,滿足規(guī)范的兩種不同形式的調(diào)壓室的最高涌波、最低涌波、調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果見表2。5.3定期維護(hù)的前懸架壓力上升規(guī)律從表2的數(shù)值可以看出,相同工況下不同形式的調(diào)壓室對(duì)調(diào)保計(jì)算結(jié)果影響較小。所以僅就水室式調(diào)壓室的調(diào)節(jié)保證計(jì)算加以說(shuō)明。1)機(jī)組飛輪力矩GD2值:根據(jù)機(jī)組廠家提供資料GD2≥650t·m2)導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律:本計(jì)算取額定水頭下發(fā)額定出力對(duì)應(yīng)的接力器行程為計(jì)算基值,即以此為100%開度。確定導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律應(yīng)兼顧最大水頭與額定水頭,甩負(fù)荷后蝸殼壓力上升率ζ3)蝸殼進(jìn)口斷面的最大壓力上升值和機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升率:蝸殼進(jìn)口斷面的最大壓力上升值發(fā)生在水輪機(jī)最大水頭下,同一壓力主管的3臺(tái)機(jī)組發(fā)額定功率,全甩。此時(shí)蝸殼進(jìn)口斷面的最大壓力上升值:相對(duì)壓力23.41%,絕對(duì)壓力為265.15m水頭;轉(zhuǎn)速上升值發(fā)生在額定水頭下甩額定負(fù)荷工況,β5.4涌波和最低壓力線的確定經(jīng)過(guò)計(jì)算,引水隧洞最高壓力線是發(fā)生在調(diào)壓室出現(xiàn)最高涌波的情況,即校核洪水位下3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩額定負(fù)荷,緊急停機(jī);最低壓力線是發(fā)生在調(diào)壓室出現(xiàn)最低涌波的工況,即死水位下,3臺(tái)機(jī)甩滿負(fù)荷第二振幅。壓力鋼管的最高壓力線是發(fā)生在調(diào)壓室出現(xiàn)最高涌波的情況,即校核洪水位下3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩額定負(fù)荷,緊急停機(jī);最低壓力線是發(fā)生在調(diào)壓室出現(xiàn)最低涌波的工況,即死水位下,3臺(tái)機(jī)甩滿負(fù)荷第二振幅。經(jīng)過(guò)計(jì)算,沿整個(gè)流道的最小壓力均在洞頂2m以上,沒有任何地方出現(xiàn)負(fù)壓。隧洞中心最大壓力值為75.814m,壓力鋼管最大壓力值為260.096m,可分別作為隧洞和壓力鋼管最大內(nèi)水壓力的設(shè)計(jì)依據(jù)。6機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)的穩(wěn)定性本電站將投入西北大電網(wǎng)運(yùn)行,不存在孤立運(yùn)行的可能性,故小波動(dòng)穩(wěn)定性不會(huì)有什么問(wèn)題。本計(jì)算假定在孤立運(yùn)行的情況下,機(jī)組受到一個(gè)小的負(fù)荷階段變化的擾動(dòng),但仍要求調(diào)壓室和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果見表3。波動(dòng)收斂率Δ%=(1-X經(jīng)試算調(diào)速器參數(shù)取調(diào)和升速時(shí)間T負(fù)荷階躍變化-10%和-5%時(shí)機(jī)組小波動(dòng)穩(wěn)定性是較好的。7水室式調(diào)壓室的確定1)經(jīng)過(guò)對(duì)水室式調(diào)壓室和圓筒式調(diào)壓室進(jìn)行計(jì)算,水室式調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面直徑為10m,而圓筒式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面直徑為16m,顯然,圓筒式調(diào)壓室的開挖量遠(yuǎn)比水室式調(diào)壓室的開挖量大,直接投資費(fèi)用前者比后者少約1640