抽水蓄能電站尾水調(diào)壓室設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站尾水調(diào)壓室設(shè)計(jì)

近年來，中國(guó)的高效能源蓄能水庫得到了蓬勃發(fā)展。由于大型抽水蓄能電站的可逆機(jī)組需兼顧發(fā)電、抽水雙向水流的運(yùn)行安全,機(jī)組吸出高度往往負(fù)幾十米甚至上百米,安裝高程遠(yuǎn)低于常規(guī)水輪機(jī),廠房多采用地下布置,尾水道也較常規(guī)水電站長(zhǎng)很多,由此帶來了抽水蓄能電站尾水調(diào)壓室的設(shè)置問題。尾水調(diào)壓室可防止尾水道出現(xiàn)液柱分離,確保輸水系統(tǒng)安全和機(jī)組的安全運(yùn)行;另一方面,尾水調(diào)壓室尺寸較大、施工難度高、工程造價(jià)大,同時(shí)洞室靠近地下廠房,不利于圍巖穩(wěn)定,故在輸水系統(tǒng)布置中尾水調(diào)壓室的設(shè)置與否歷來是人們重視的課題。抽水蓄能電站運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換頻繁,水力過渡過程復(fù)雜,問題更為突出。1混流機(jī)組水擊計(jì)算目前,我國(guó)尚無專門針對(duì)抽水蓄能電站調(diào)壓室的設(shè)計(jì)規(guī)范,但電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.1條明確指出:抽水蓄能電站調(diào)壓室與常規(guī)水電站調(diào)壓室的設(shè)置條件相同。該規(guī)范3.1.3條指出:尾水調(diào)壓室設(shè)置條件應(yīng)以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提,可按下式作初步判斷:Lw>5TsVw0(8?900?V2wj2g?Hs)(1)Lw>5ΤsVw0(8-900-Vwj22g-Ηs)(1)式中,Lw為壓力尾水道長(zhǎng)度,m;Ts為水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間,s;Vw0為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)壓力尾水道中流速,m/s;Vwj為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪后尾水管入口處的流速,m/s;Hs為吸出高度,m;為機(jī)組安裝高程,m。通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算,當(dāng)機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時(shí),尾水管內(nèi)的最大真空度不宜大于8m水柱。高海拔地區(qū)應(yīng)作高程修正:Hv=ΔH?Hs?θV2wj2g>?(8?900)(2)Ηv=ΔΗ-Ηs-θVwj22g>-(8-900)(2)式中,Hv為尾水管絕對(duì)壓力水頭,m;ΔH為尾水管入口處的水擊值,m;θ為考慮最大水擊真空與流速水頭真空最大值之間相位差的系數(shù),對(duì)末相水擊θ=0.5,對(duì)第一相水擊θ=1.0。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,壓力尾水道上設(shè)置下游調(diào)壓室的條件,可按機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時(shí)尾水管內(nèi)的最大真空度≤8m水頭(即絕對(duì)壓力>2m)的要求決定,按混流機(jī)組極限(末相)水擊計(jì)算公式反推,可得:Lw=(2?σ)KgTs2Vw0(8?900?V2wj2g?Hs)(3)Lw=(2-σ)ΚgΤs2Vw0(8-900-Vwj22g-Ηs)(3)其中,σ=Vw0Lw/(gH0Ts)。因高水頭電站σ值較小,為安全計(jì)取σ=0.5,并取水流壓力脈動(dòng)和流速不均勻分布系數(shù)K=0.7,即得式(1)。文獻(xiàn)還分析了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)壓力尾水道抽水蓄能電站不設(shè)尾水調(diào)壓室的工程實(shí)例,如日本奧美濃電站尾水洞長(zhǎng)764m,吸出高度為-79.5m,按式(1)判斷屬不設(shè)調(diào)壓室之列,與實(shí)際情況相符。2尾水調(diào)壓室集輸水力由文獻(xiàn)可知,式(1)主要是針對(duì)常規(guī)低水頭電站尾水調(diào)壓室設(shè)置的條件,該類水電站發(fā)生的水錘類型主要為極限水錘。對(duì)抽水蓄能電站若按水頭劃分,大部分均為高水頭電站,從常規(guī)水錘理論出發(fā),首相水錘往往為該類電站的主要特征;但抽水蓄能電站可逆機(jī)組的雙向過流特性遠(yuǎn)較常規(guī)水電站機(jī)組復(fù)雜,機(jī)組的“截流效應(yīng)”(轉(zhuǎn)速變化引起的水錘效應(yīng))顯著,過渡過程中發(fā)生的水錘類型既非首相水錘又非極限水錘。式(1)中的Ts,對(duì)低水頭水電站因多發(fā)生極限水錘,控制值出現(xiàn)在導(dǎo)葉關(guān)閉終了,同時(shí)流量為零;對(duì)抽水蓄能電站,因流道特性不同于常規(guī)水輪機(jī),機(jī)組過流量往往在關(guān)閉過程中流量就變?yōu)榱?進(jìn)入反水泵工況,即式(1)未反映抽水蓄能電站實(shí)際的水錘特點(diǎn)。抽水蓄能電站機(jī)組及輸水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上需兼顧雙向過流的水力效率,由此帶來較常規(guī)水電站更高的壓力脈動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)水輪機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間越長(zhǎng),機(jī)組轉(zhuǎn)速上升越大,水錘壓力越小;而抽水蓄能電站可逆機(jī)組若關(guān)機(jī)時(shí)間過長(zhǎng),盡管平均壓力可能降低,但最大轉(zhuǎn)速上升值變化不大,還會(huì)造成可逆機(jī)組在高轉(zhuǎn)速區(qū)域停留時(shí)間加長(zhǎng),運(yùn)行工況點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間滯留在不穩(wěn)定的倒S區(qū),可能誘發(fā)較常規(guī)水電站更劇烈的壓力脈動(dòng),如我國(guó)天荒坪抽水蓄能電站為避免關(guān)機(jī)時(shí)過大的壓力脈動(dòng),機(jī)組關(guān)閉縮短到15s左右。通過增加關(guān)機(jī)時(shí)間減小水錘壓力,實(shí)際得不償失。因目前計(jì)算水平還無法考慮壓力脈動(dòng)的影響,文獻(xiàn)中令K=0.7由此減小尾水調(diào)壓室所需的臨界長(zhǎng)度,規(guī)避了壓力脈動(dòng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。該法在常規(guī)水電站中得到廣泛應(yīng)用,實(shí)踐證明行之有效。但將式(1)套用到抽水蓄能電站,并不具備科學(xué)基礎(chǔ),乘系數(shù)后其可靠性將更難保障,即式(1)并未充分考慮抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的壓力脈動(dòng)較常規(guī)水電站更高的特點(diǎn)。文獻(xiàn)指出,抽水蓄能電站水錘壓力必須經(jīng)調(diào)保計(jì)算得到,而調(diào)保計(jì)算結(jié)果又受輸水系統(tǒng)布置、水泵水輪機(jī)特性、機(jī)組關(guān)機(jī)規(guī)律、運(yùn)行工況四方面影響和制約。由于式(1)源于極限水錘公式,而極限水錘隱含同一水力單元所有機(jī)組同時(shí)丟棄負(fù)荷的情況。抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換頻繁,發(fā)生事故甩負(fù)荷時(shí)輸水系統(tǒng)引起的水力過渡過程較常規(guī)水電站復(fù)雜劇烈。結(jié)合抽水蓄能輸水系統(tǒng)布置及可逆機(jī)組的過流特性可看出:若可逆機(jī)組關(guān)閉規(guī)律設(shè)置不當(dāng),尾水道最小壓力很可能出現(xiàn)在特殊的水力過渡過程中,如同一水力單元的機(jī)組相繼丟棄負(fù)荷等工況,即式(1)無法反映抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)工況。表1列出了設(shè)置尾水調(diào)壓室抽水蓄能電站的部分工程實(shí)例,并參照國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行了初步判斷。由表1可看出,若Ts=25s,目前國(guó)內(nèi)僅有的三個(gè)大型抽水蓄能電站尾水道長(zhǎng)度均未超過式(1)尾水調(diào)壓室設(shè)置條件中的長(zhǎng)度,其中泰安抽水蓄能電站近似滿足,而廣蓄和十三陵裕量較大;國(guó)外的三個(gè)抽水蓄能電站的尾水隧洞臨界長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度之比>1.8,日本奧美濃抽水蓄能電站雖無尾水調(diào)壓室,但參照規(guī)范計(jì)算的長(zhǎng)度比>2.5,這也說明式(1)初步設(shè)置條件判斷并不合理。由于抽水蓄能電站吸出高度很小,根據(jù)式(1)計(jì)算的尾水調(diào)壓室臨界長(zhǎng)度很長(zhǎng),理論值與計(jì)算值偏離較大。這表明將水電站尾水調(diào)壓室設(shè)置規(guī)范直接套用到抽水蓄能電站上,并不能真正指導(dǎo)工程實(shí)踐。3應(yīng)立即中斷尾水壓室并注意事項(xiàng)抽水蓄能電站的水力過渡過程計(jì)算是方案論證的基礎(chǔ),除計(jì)算方法正確外,還需考慮下述問題。3.1不同繼降期尾力量下的壓力分布目前,抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算工況大多參照水電站的運(yùn)行情況選列,往往會(huì)忽略相繼甩負(fù)荷這一特殊工況。通常認(rèn)為,同一水力單元的機(jī)組相繼甩負(fù)荷與同時(shí)甩負(fù)荷相比,減緩了輸水主洞的流速梯度,不會(huì)對(duì)輸水系統(tǒng)造成較大威脅,在大多數(shù)情況下是正確的,但對(duì)抽水蓄能電站需慎重分析。圖3為兩種布置方案的不同間隔時(shí)間相繼甩負(fù)荷時(shí)的尾水管進(jìn)口壓力計(jì)算結(jié)果,與同時(shí)甩負(fù)荷相比差別顯著?？紤]實(shí)際運(yùn)行情況,相繼甩負(fù)荷計(jì)算工況擬定為電站同一水力單元的兩臺(tái)機(jī)組先同時(shí)甩負(fù)荷,間隔一定時(shí)間后第三臺(tái)機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷。由圖3可看出:同時(shí)甩負(fù)荷工況時(shí),尾水管進(jìn)口最小壓力差別不大,均在30m以上;相繼甩負(fù)荷工況時(shí),布置B的尾水管進(jìn)口最小壓力隨相繼甩間隔時(shí)間不同變化不明顯,均存在30m以上的正壓,而布置A差別顯著。對(duì)布置A,相繼甩負(fù)荷改變了蝸殼進(jìn)口與尾水管進(jìn)口的壓力分布,對(duì)機(jī)組的水錘升壓:ΔHTURBINE=ΔHSPIRALCASE+ΔHDRAFTTUBE(4)式(4)表明,若每臺(tái)機(jī)組關(guān)閉時(shí)間確定,雖然機(jī)組的水錘升壓在相繼甩負(fù)荷過程中可能減小,但并非蝸殼進(jìn)口最大壓力減小時(shí)尾水管進(jìn)口最小壓力增大,很可能是二者同時(shí)減小。在實(shí)際工程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)某些電站的輸水系統(tǒng)在機(jī)組上游側(cè)或下游側(cè)設(shè)置了單調(diào)壓室,但在未設(shè)置調(diào)壓室側(cè)機(jī)組的水錘壓力比不設(shè)調(diào)壓室時(shí)略有惡化,該特性在布置A中表現(xiàn)更充分。當(dāng)發(fā)生相繼甩負(fù)荷時(shí),后甩機(jī)組引用流量加大,該機(jī)組前后總的水錘壓力ΔHTURBINE可能不降反升,上游側(cè)因存在主洞調(diào)節(jié),間隔一定時(shí)間后,先甩機(jī)組將向后甩機(jī)組傳遞減壓波,使蝸殼進(jìn)口壓力ΔHSPIRALCASE得到緩解,這就造成尾水管進(jìn)口最小壓力ΔHDRAFTTUBE下降。雖然常規(guī)水電站輸水系統(tǒng)中也會(huì)發(fā)生類似情況,但因可逆機(jī)組過流特性不同于水輪機(jī)且尾水道更長(zhǎng),發(fā)生相繼甩負(fù)荷時(shí)造成的尾水管進(jìn)口壓力降低幅度將遠(yuǎn)大于常規(guī)水電站。這是因?yàn)樗盟啓C(jī)特性曲線中的倒S型區(qū)域內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化對(duì)過流特性影響巨大,較小的轉(zhuǎn)速變化引起較大的流量變化甚至發(fā)生倒流,倒流或流量接近于零的時(shí)間與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律有關(guān),但主要受轉(zhuǎn)速變化控制,一般發(fā)生在甩負(fù)荷后5s左右、機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到極值附近,在該處流量急劇減小至零,而之前下水庫反射回來的增壓波作用則相對(duì)較小,使尾水道中的流速梯度遠(yuǎn)大于常規(guī)水電站,同時(shí)布置A的尾水道當(dāng)量斷面積又較布置B小很多,從而在引水系統(tǒng)中產(chǎn)生更大的水錘,這也是抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)布置方案比選中必須考慮相繼甩負(fù)荷計(jì)算工況的重要原因之一。3.2尾概況及其研究假設(shè)較長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)間理論上可減小常規(guī)水電站蝸殼及尾水管的壓力。但對(duì)抽水蓄能電站,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過大且在高轉(zhuǎn)速區(qū)停留時(shí)間更長(zhǎng),致使可逆機(jī)組在過渡過程中轉(zhuǎn)速變化與常規(guī)機(jī)組顯著不同,進(jìn)一步影響尾水管最小壓力分布。不同關(guān)閉時(shí)間的可逆機(jī)組甩去負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程曲線見圖4。由圖可知,在不同關(guān)閉時(shí)間下,機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上升值相差不大,慢關(guān)時(shí)間與快關(guān)時(shí)間分別為30s與18s,二者最大轉(zhuǎn)速上升值相差約1%,但甩負(fù)荷后二者轉(zhuǎn)速變化過程有明顯差別:快關(guān)機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速升高達(dá)到最大值后立即下降,而慢關(guān)機(jī)組導(dǎo)葉接近關(guān)閉終了附近又出現(xiàn)一波小幅上揚(yáng)。通常情況下,可逆機(jī)組轉(zhuǎn)速的首幅最大值對(duì)應(yīng)于蝸殼進(jìn)口最大壓力發(fā)生時(shí)刻附近,由較大開度下可逆機(jī)組的倒S型過流特性引起;而轉(zhuǎn)速的次幅最大值則由較小開度下可逆機(jī)組倒S型過流特性引起。由圖4(b)可看出:①對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速第一波上升達(dá)到最大值附近后,尾水管進(jìn)口壓力達(dá)到第一波最小值,然后壓力又開始回升;②當(dāng)轉(zhuǎn)速開始第二波上升時(shí),尾水管進(jìn)口壓力隨之減小,第二波轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)尾水管進(jìn)口壓力降至最低。尾水管進(jìn)口壓力與轉(zhuǎn)速的兩波變化,后者差別較明顯,轉(zhuǎn)速的首幅極值較次幅極值大,主要由機(jī)組大開度下流量較大引起;而尾水管進(jìn)口最小壓力的次幅極值與首幅極值差別較小,甚至可能超過首幅極值,這是因?yàn)閴毫Φ淖兓饕Q于流量變化率而非流量大小;相關(guān)計(jì)算表明:轉(zhuǎn)速的第二波上升幅度越大,與之對(duì)應(yīng)的尾水管進(jìn)口壓力第二波幅值下降幅度將越大。關(guān)于可逆機(jī)組轉(zhuǎn)速變化及尾水管進(jìn)口最小壓力的研究,主要側(cè)重于第一波的變化幅度,對(duì)于第二波的變化情況研究較少。目前國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的高水頭抽水蓄能電站如天荒坪抽水蓄能電站,由于關(guān)閉時(shí)間較快(15s),轉(zhuǎn)速未出現(xiàn)第二波上揚(yáng);1993年廣州抽水蓄能電站#1機(jī)組投入試運(yùn)行,外方制造廠于同年4月27日進(jìn)行了單機(jī)甩負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速、接力器行程、導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間、蝸殼壓力、尾水管肘管壓力、導(dǎo)葉開度進(jìn)行了測(cè)量,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。圖中機(jī)組總有效關(guān)閉時(shí)間近35s。圖5(a)為蝸殼進(jìn)口壓力變化過程線,實(shí)測(cè)最大壓力峰值為72.5bar;圖5(b)為尾水管肘管處壓力變化過程線,壓力脈動(dòng)較大,可能是由于廣蓄電站本身設(shè)置了尾水調(diào)壓室;圖5(c)為轉(zhuǎn)速變化過程線,其中第一峰值為669rpm,第二峰值為612rpm。圖5較模糊,但仍可看到轉(zhuǎn)速第二波峰值對(duì)尾水管最小壓力的影響:轉(zhuǎn)速第二波峰值比第一波約小60rpm,但尾水管兩波壓力變化的峰值幾乎相等,其中第二波峰值幾乎超過第一波,發(fā)生時(shí)間與轉(zhuǎn)速變化相對(duì)應(yīng)。對(duì)相繼甩負(fù)荷工況,在關(guān)閉規(guī)律不變的情況下可逆機(jī)組相繼甩負(fù)荷消減了轉(zhuǎn)速第一波上升幅值,但卻提高了第二波幅值,由此惡化了尾水管進(jìn)口壓力。圖6為國(guó)內(nèi)某在建抽水蓄能電站采用一段直線關(guān)閉規(guī)律,在相繼甩負(fù)荷與同時(shí)甩負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)速及尾水管進(jìn)口壓力變化過程。由圖6可看出,先甩機(jī)組受后甩機(jī)組影響,轉(zhuǎn)速的第二波幅值較同時(shí)甩負(fù)荷約增加50rpm,由此導(dǎo)致尾水管進(jìn)口最小壓力發(fā)生位置由原來的第一波轉(zhuǎn)移到第二波,幅值下降約10m。由于抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換頻繁,相繼甩負(fù)荷發(fā)生時(shí)間點(diǎn)較難預(yù)測(cè),僅能通過減小關(guān)閉時(shí)間,降低第二波轉(zhuǎn)速上升幅度控制,由此決定了可逆機(jī)組事故關(guān)閉時(shí)間不能太長(zhǎng);另外,水電站多采用先快后慢的折線關(guān)閉規(guī)律,將其套用于可逆機(jī)組上,其折點(diǎn)位置、慢關(guān)段折線斜率必須慎重決定。目前,針對(duì)常規(guī)水電站的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律研究較多,通常圍繞一種或幾種危險(xiǎn)工況提出一條較優(yōu)的規(guī)律,較少對(duì)敏感性進(jìn)行分析。受調(diào)速系統(tǒng)本身性能影響,機(jī)組運(yùn)行中實(shí)際整定的關(guān)閉規(guī)律很可能與計(jì)算設(shè)定的不一致。另外,輸水系統(tǒng)與機(jī)組本身存在不確定的時(shí)變因素,都可能使原優(yōu)化得到的關(guān)閉規(guī)律偏離目標(biāo),給電站運(yùn)行帶來安全隱患。常規(guī)水電站水輪機(jī)過流特性平緩,出現(xiàn)少許偏差對(duì)結(jié)果影響較小。但抽水蓄能電站可逆機(jī)組的過流特性中存在倒S型,關(guān)閉規(guī)律的參數(shù)微小變動(dòng)均可對(duì)控制目標(biāo)產(chǎn)生較大影響。較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律除能滿足調(diào)保計(jì)算要求外,還必須具有良好的魯棒性,才具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。圖7中實(shí)線部分為某抽水蓄能電站可逆機(jī)組的推薦關(guān)閉規(guī)律,與常規(guī)關(guān)閉規(guī)律不同,它并不單純以壓力或轉(zhuǎn)速控制值達(dá)到最優(yōu)為設(shè)置目標(biāo),而是以參數(shù)在設(shè)定的擾動(dòng)范圍(圖中虛線)滿足要求為目標(biāo),擾動(dòng)范圍的大小結(jié)合電站及機(jī)組、調(diào)速器的實(shí)際運(yùn)行情況由廠家或設(shè)計(jì)單位給定,這樣得到的關(guān)閉規(guī)律更能確保電站運(yùn)行安全。由前述分析可看出,可逆機(jī)組的倒S型過流特性為關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化帶來難題:關(guān)閉時(shí)間太短,尾水管進(jìn)口第一波壓力幅值將出現(xiàn)較大下降,關(guān)閉時(shí)間太長(zhǎng),除增加機(jī)組壓力脈動(dòng)外,又將造成尾水管進(jìn)口第二波壓力幅值出現(xiàn)較大下降。若將抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)方案可行性論證寄托在關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化上,不僅理論上不易實(shí)現(xiàn),而且也將為運(yùn)行管理帶來困難。3.3排水系統(tǒng)壓力脈動(dòng)穩(wěn)定性分析為確保抽水蓄能電站安全,目前主要通過兩種方法考慮壓力脈動(dòng)對(duì)水力過渡過程的影響:①通過近似公式修正計(jì)算結(jié)果;②提高計(jì)算控制值壓力標(biāo)準(zhǔn),增加安全裕量。對(duì)①,不同水泵水輪機(jī)制造廠家均有各自的近似經(jīng)驗(yàn)修正公式,但因不同廠家對(duì)轉(zhuǎn)輪特性或側(cè)重效率或側(cè)重安全,無統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),在