變頂高尾水調(diào)壓室的小波動穩(wěn)定性分析

變頂高尾水調(diào)壓室的小波動穩(wěn)定性分析

1尾水調(diào)壓室小波動穩(wěn)定的分析在節(jié)水電氣工程中，水壓和調(diào)節(jié)的計(jì)算是一個(gè)重要的內(nèi)容。對于具有較大水流慣性和較高壓力尾水道的電氣站，由于找不到合適的駕駛員關(guān)閉時(shí)間和關(guān)閉規(guī)律，水壓和旋轉(zhuǎn)的上升值往往大于允許合理，因此有必要采取措施改善調(diào)整和調(diào)節(jié)參數(shù)。設(shè)置尾水調(diào)壓室是其中一項(xiàng)常用措施.根據(jù)調(diào)壓室的功用,它應(yīng)能保證調(diào)壓室中發(fā)生的一切水位波動都是逐漸衰減的,并且衰減越快越好.針對這一問題,托馬于1910年提出了著名的調(diào)壓室波動穩(wěn)定條件:F＞FthF＞Fth這是保證小波動穩(wěn)定的必要條件.對于下游水位變幅較大的水電站,還可以將尾水洞設(shè)計(jì)成變頂高(圖1)新結(jié)構(gòu)型式.變頂高尾水洞的特點(diǎn)是讓下游水位與洞頂任意處銜接,將尾水洞分成有壓滿流段和無壓明流段.下游處于低水位時(shí),水輪機(jī)的淹沒水深比較小,但無壓明流段長,有壓滿流段短,過渡過程中負(fù)水擊壓力小,所以尾水管進(jìn)口斷面的最小絕對壓力不會超過規(guī)范的要求.隨著下游水位升高,盡管無壓明流段的長度逐漸減短,有壓滿流段的長度逐漸增長,負(fù)水擊越來越大,直到尾水洞全部呈有壓流,但水輪機(jī)的淹沒水深逐漸加大,而且有壓滿流段的平均流速也逐漸減小,正負(fù)兩方面的作用相互抵消,使得尾水管進(jìn)口斷面的最小絕對壓力能控制在規(guī)范的范圍之內(nèi),保證機(jī)組安全運(yùn)行.因此,變頂高可起到取代尾水調(diào)壓室的作用.但由于下游水位的變化,當(dāng)尾水洞中明流段較長時(shí),尾水洞中產(chǎn)生一種類似于調(diào)壓室質(zhì)量波的重力波,在過渡過程中往復(fù)運(yùn)動,形成衰減很慢的尾波,直接影響著電站運(yùn)行的穩(wěn)定性.無論是尾水調(diào)壓室還是變頂高尾水洞,其小波動穩(wěn)定問題實(shí)際上是由于調(diào)速器對水輪機(jī)的調(diào)節(jié)引起的,沒有調(diào)速器的調(diào)節(jié)也就不會出現(xiàn)波動穩(wěn)定與否的問題.因此,其小波動穩(wěn)定性除了與各自的體型有關(guān)外,還與調(diào)速器參數(shù)、電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)等有關(guān)聯(lián).本文結(jié)合某電站的實(shí)際數(shù)據(jù),計(jì)算與分析了兩種尾水布置型式在超低水頭下的小波動穩(wěn)定性.2調(diào)速器主要參數(shù)的選取某電站采取單機(jī)單洞方案,其尾水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮了變頂高尾水洞和尾水調(diào)壓室兩種布置型式.最小工作水頭是54.0m,最大工作水頭是80.1m,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速93.8r/min.由于有防洪要求,其上游防洪限制水位控制在?287.0m,樞紐在20年一遇洪水下泄流量19900m3/s(對應(yīng)下游尾水位為?248.63m),需要電站下泄流量2000m3/s,平均每臺機(jī)組過流量400m3/s.扣去管道系統(tǒng)的水頭損失,形成37.0m極端最小工作水頭(即超低水頭).另外,該電站作為調(diào)峰、調(diào)頻電站,電網(wǎng)系統(tǒng)對其品質(zhì)和運(yùn)行性能有著較高的要求,即使汛期也需投入運(yùn)行.20年一遇以下洪水是常遇洪水,因此電站在最小水頭下的37.0～54.0m水頭之間的運(yùn)行時(shí)段較多,亦即出現(xiàn)在超低水頭下運(yùn)行的情況.進(jìn)行一系列計(jì)算與分析后,選取調(diào)速器主要參數(shù):緩沖時(shí)間常數(shù)Td=12.0s,暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt=0.8,測頻微分時(shí)間常數(shù)Tn=2.0.電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eb=0.0,甩棄10%初始出力的負(fù)荷.2.1小波動過渡過程計(jì)算結(jié)果首先,以最小工作水頭為前提確定托馬臨界穩(wěn)定斷面,并根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5058-1996),乘以系數(shù)1.0～1.1,得到調(diào)壓室斷面積.如此一來,在超低水頭情況下就出現(xiàn)調(diào)壓室實(shí)際斷面積小于托馬臨界穩(wěn)定斷面的問題,其小波動過渡過程計(jì)算結(jié)果如表1、圖2所示.其次,以極端最小工作水頭為前提確定托馬臨界穩(wěn)定斷面.與之前相比,調(diào)壓室斷面積增加了46%,其小波動過渡過程計(jì)算結(jié)果如表2、圖3所示.對比表1和表2及圖2和圖3可以看出:(1)調(diào)壓室斷面積增加,水位波動周期增長,因?yàn)椴▌又芷谂c調(diào)壓室斷面積的二分之一方成正比.(2)除調(diào)壓室斷面積增加之外,其他計(jì)算條件完全一致,因此調(diào)壓室水位波動向下最大振幅和向上最大振幅有所減小是必然的.(3)調(diào)壓室斷面積擴(kuò)大,對機(jī)組轉(zhuǎn)速最大偏差值(第一個(gè)波峰即主波的幅值)幾乎沒有影響,說明該指標(biāo)主要取決于甩棄負(fù)荷的大小和調(diào)速器參數(shù).(4)調(diào)壓室斷面積擴(kuò)大,機(jī)組轉(zhuǎn)速的超調(diào)量(第一個(gè)負(fù)波的幅值占最大偏差的百分比)減小28%,衰減度(第一個(gè)波峰與第二個(gè)波峰值之差的相對值)增加0.046,說明這兩項(xiàng)指標(biāo)主要取決于調(diào)壓室尾波(即調(diào)速器的調(diào)節(jié)動作完成之后,仍在調(diào)壓室與尾水洞之間往復(fù)運(yùn)動的波)的大小,并且影響調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩次數(shù)(即調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的振蕩波峰個(gè)數(shù)的一半).斷面積擴(kuò)大后,進(jìn)入頻率偏差±0.4%帶寬(即波動幅值控制在±0.4%N0范圍內(nèi))的調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎提前了一半,振蕩次數(shù)降至一個(gè)半波,但進(jìn)入頻率偏差±0.2%帶寬的調(diào)節(jié)時(shí)間仍在250s以上,說明調(diào)壓室斷面積的擴(kuò)大,并不能十分有效地改善電站的調(diào)節(jié)品質(zhì).2.2運(yùn)行效果好,符合無調(diào)壓室調(diào)節(jié)品質(zhì)在選定尾水洞出口高程、頂坡、底坡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的小波動過渡過程計(jì)算結(jié)果如表3、圖4和圖5所示.從表3與圖4及圖5可以看出:超低水頭時(shí),調(diào)速器具有很強(qiáng)的校正能力.機(jī)組轉(zhuǎn)速在不到60s的時(shí)間內(nèi)很快進(jìn)入頻率偏差±0.2%帶寬,只經(jīng)歷了半個(gè)波,且不久后就趨于額定轉(zhuǎn)速.閘門井水位也在很短的時(shí)間內(nèi)(100s)趨于一恒定值,同樣只經(jīng)過了半個(gè)波次.因此,超低水頭下電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)非常好,其原因是在洪水期,下游水位一直高于變頂高尾水洞出口的頂部高程,整個(gè)尾水洞呈有壓滿流,水力過渡過程中只有水擊波的影響,而不再被尾水洞的尾波所控制,所以衰減迅速,完全滿足規(guī)范對無調(diào)壓室調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求.2.3尾水門井涌浪水位波動的影響由上述計(jì)算與分析知:(1)兩方案對應(yīng)的轉(zhuǎn)速最大偏差值相差較大,這是由于兩者甩棄負(fù)荷大小不一樣所致,也是初始出力不一致的原因.(2)變頂高方案的機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)量明顯小于調(diào)壓室方案,衰減度明顯要大,致使相應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間短,振蕩次數(shù)少.這仍然說明調(diào)壓室尾波對這些指標(biāo)有極大的影響,而變頂高尾水洞中沿整個(gè)洞長均是有壓滿流,只有水擊波,它是一種彈性波,周期短,變化快,調(diào)速器對其產(chǎn)生的振蕩具有較強(qiáng)的校正能力.(3)根據(jù)三峽地下電站變頂高尾水洞方案帶模型機(jī)組的水力過渡過程試驗(yàn)結(jié)果可知:尾水閘門井的斷面積很小,其涌浪水位的高低主要取決于負(fù)荷變化的大小.負(fù)荷變化越大,水擊壓力越大,尾水閘門井涌浪變幅越大.在負(fù)荷變化一定的前提下,尾水閘門井涌浪水位波動過程的周期取決于明滿混合流的往返波動,而衰減的快慢由調(diào)速器參數(shù)所決定.在超低水頭下,整個(gè)尾水洞不存在往復(fù)運(yùn)動的明滿混合流,因此,由負(fù)荷變化引起的波動在調(diào)速器的校正下很快又穩(wěn)定下來,而調(diào)壓室水位在很長一段時(shí)間內(nèi)還不能停止波動,即使增加46%的斷面積也改善不了很多.3變頂高尾水壓系統(tǒng)的特性綜合上述分析比較可知:尾水調(diào)壓室對超低水頭的適應(yīng)性較差,如果按《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》擴(kuò)大46%的調(diào)壓室斷面積,不僅會給水工布置、圍巖穩(wěn)定帶來極大的困難,而且其