特殊工况下抽水蓄能电站系统参数过渡过程分析_孙丽君_李海涛

3． 2
引水隧洞洞径优化分析
对于抽水蓄能电站来说， 在机组引用流量不变的
情况下， 引水隧洞洞径的改变， 影响着隧洞中水流的流 速， 而由水锤的连锁方程可知
［7 ］
， 机组导叶关闭时所
产生的水锤压力与水流流速之间有着直接的关系 。针 对抽水蓄能电站运行的常规工况 （ 2 台机组同时甩负 荷） ， 并对输 选取不同的引水隧洞洞径进行数值模拟， 水系统中有无尾水调压室的防护进行了对比 ， 具体计 算结果见图 2 及图 3 。 由图 2 可以看出， 对于常规工况， 随着引水隧洞洞
1
引言
的一台机组时的尾水管进口最小压力最危险
［5 ］
。在
时常会对输水系统的参数进行调整 ， 进而 工程设计中， 会影响到调节保证计算的控制压力， 而多项保护措施 的相互作用机理还不是很明确。 本文拟通过对不同引水隧洞洞径下的抽水蓄能电 站尾水管进口压力及岔管相对位置进行模拟 ， 探究引 水隧洞洞径及尾水岔管的相对位置对抽水蓄能电站特 殊工况下尾水管进口最小压力的影响， 由此提出有利 于改善尾水管最小压力的控制措施， 为相应工程设计 提供参考。
第 19 期
等： 特殊工况下抽水蓄能电站系统参数过渡过程分析 孙丽君，
103
线与水平面的夹角。 上述公式可简化为标准的双曲型偏微分方程 ， 从 而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特 征相容方程。
径尺寸的增加， 无论输水系统中是否有尾水调压室的 防护， 蜗壳末端的最大压力均出现下降的趋势 。 当输 水系统无调压室防护时， 蜗壳末端最大压力由 645． 39 m 下降到了 614． 87 m， 下降了 30． 52 m； 当设置尾水调 压室之后， 尾水进口的最小压力得到了明显缓解 ， 而机 组 引 用 的 水 头 一 般 不 变， 由于机组的引用水头为 H Turbine = H Spiralcase － H Drafttube ， 当尾水进口压力上升时， 蜗壳末端压力也随着上升。 随着隧洞洞径尺寸的增 加， 蜗壳末端最大压力由 659． 64 m 下降到了 628． 83 m， 下降达 30． 82 m， 与无防护措施时压力的下降值接 近。如图 3 所示， 在常规工况下， 尾水管进口最小压力 － 4． 03 m 在无防护措施时由 下降到了 － 11． 65 m， 下 降了 7． 62 m； 而设置尾水调压室之后， 压力尾水进口 的最小压力由 42． 01 m 下降到37． 10 m， 下降了 4． 91 m。由于尾水调压室的调节作用， 略小于无防护措施
近年来， 抽水蓄能电站已广泛应用于电网建设中 ， 抽水蓄能电站在电力系统中担负削峰填谷 、 旋转备用、 事故备用、 调频、 调相等任务。为了减少抽水蓄能电站 的投资， 输水系统往往采用分组供水的方式 ， 即 2 台或 多台可逆机组共用一个引水隧洞， 各机组间通过岔管 进行水力连接， 一旦其中一台 （ 或多台 ） 机组甩负荷紧 急停机， 由此导致的水锤压力将对其他运行机组产生 ［1 ］ 索丽生对 影响， 可能诱发相继甩负荷事故 。 张健、 尾水调压室设置条件进行讨论时指出， 尾水管最小压 力可能出现在同一水力单元机组相继甩负荷这一特殊 ［2 ］ 卢伟华等对输水系统的不同布置在 工况下 ； 张健、 相继甩工况下进行了研究 ， 结果表明系统布置对水 锤压力影响显著， 将导致尾水管进口最小压力出现最 小控制值， 同时分析得出了相继甩工况最危险时刻点 是先甩机组过流量为零时刻附近的结论 ； 张春在此基 础上对抽水蓄能电站一管多机的布置形式进行了相继 甩工况研究， 同时得出了尾水管最小压力发生在相继 甩负荷工况下的结论 ； 蒋玮通过对一管多机布置形 式的抽水蓄能电站研究后发现， 后甩尾水管管道最长
［8 ］
水锤压力值的大小不仅与隧洞中的流速有关 ， 也与隧 ［9 ］ 洞中波的传播速度有着密切关系 。 初始计算时尾 水支管衬砌为钢衬钢筋混凝土， 波速取为 1 100 m / s， 尾水主洞 的 衬 砌 为 混 凝 土 衬 砌， 波 速 取 为 900 m / s。 为避免波速对压力值的影响， 将尾水支管的波速同样 取为 900 m / s， 其他参数保持不变， 具体计算结果如图 6 及图 7 所示。
注： 流速单位为 m / s， 其余单位均为 m。
不同长度比值下的计算结果
L6 / L4 （ L5 ） 比值 / % 18 27 38 51 66 蜗壳末端 尾水进口
L4 （ L5 ） 长度 / m 138． 0 128． 0 118． 0 108． 0 98． 0
最大压力 / m 最小压力 / m 644． 1 17． 0 644． 4 644． 7 646． 8 646． 7 17． 2 18． 1 19． 8 20． 8
表1
管段 编号 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 长度 / m 1022． 5 128． 2 128． 2 165． 6 165． 6 25． 0 795． 3
图2
常规工况下蜗壳末端最大压力随隧洞洞径变化趋势线
机组稳定运行时输水系统参数
面积 / m2 38． 47 9． 62 9． 62 21． 23 21． 23 42． 99 42． 99 流量 / （ m· s － 1 ） 152． 90 76． 45 76． 45 76． 45 76． 45 152． 90 152． 90 流速 / （ m· s － 1 ） 3． 98 7． 95 7． 95 3． 60 3． 60 3． 56 3． 56
收稿日期： 2016 － 04 － 08
［4 ］ ［3 ］
2为Βιβλιοθήκη 构建数学模型描述任意管道中的水流运动状态的基本方程
［6 ］
Q H H α2 Q Q + + － sinβ = 0 A x gA x A t g 1 Q fQ | Q | H Q Q + + + = 0 A t x A2 x 2 DA2
图4
无防护时尾水进口最小压力随时间变化过程线
由表 3 及图 6 可以看出， 当机组与调压室之间的 ， 相对距离保持不变时 随着尾水主管与尾水支管距离 比值的增加， 机组蜗壳末端最大压力与尾水进口最小 压力都呈上升的趋势。 由茹科夫斯基公式可以看出，
图5 有防护时尾水进口最小压力随时间变化过程线
对于抽水蓄能电站而言， 引水隧洞洞径尺寸的增 加对蜗壳末端最大压力的影响比较大 。随着隧洞洞径 尺寸的增加， 蜗壳末端的最大压力呈现下降的趋势。 在流量一定的情况下， 管道中的流速与管道面积呈反 比例关系， 当隧洞面积增加到一定程度以后 ， 流速减小 的速率随着面积的增大而减小。在其他条件一定的情 况下， 流速直接关系到水锤压力值的大小。 抽水蓄能 电站输水系统洞径的选择， 实际上是对管内流速的选 择
转速为 428． 60 r / min， 转轮直径为 4． 24 m， 转动惯量为 60 000 t·m2 。将输水系统的数学模型与水泵 － 水轮 机等边界条件相结合， 即可获得此抽水蓄能电站过渡 过程数值模拟的数学模型。数值模拟采用的计算工况 为： 上库正常蓄水位（ 657． 00 m ） ， 下库死水位 （ 203． 00 m） ， 2 台机组为额定负荷运行， 突甩全负荷， 导叶正常 关闭。机组稳定运行时系统参数如表 1 所示。
第 47 卷 第 19 期 2016 年10 月 文章编号： 1001 － 4179 （ 2016 ） 19 － 0102 － 04
人 民 长 江 Yangtze Ｒiver
Vol． 47 ， No． 19 Oct． ， 2016
特殊工况下抽水蓄能电站系统参数过渡过程分析
孙 丽 君， 李 海 涛
（ 山东省胶东调水工程 寿光管理站 ， 山东 寿光 262700 ） 摘要： 在抽水蓄能电站水力过渡过程数值模拟中 ， 由于水泵 － 水轮机全特性曲线所具有的特殊性 ， 使得尾水管 进口最小压力在机组相继甩负荷工况下会大幅度降低 ， 且时常会成为控制值。以一维刚性水锤及弹性水锤的 “一洞两机” 特征线方法（ MOC） 为理论基础， 结合某 布置形式的抽水蓄能电站工程实例 ， 对该电站相继甩负荷 工况下引水隧洞洞径及尾水岔管相对位置对过渡过程的影响进行了数值模拟 。结果表明： 在设置尾水调压室 的情况下， 拟通过改变引水隧洞洞径来调节尾水进口最小压力的措施是不经济的 ， 引水隧洞的面积只需使其 中的水流能够保持经济流速即可 ； 在满足工程布置的前提下 ， 应尽量减小尾水支管的长度 ， 以保证输水发电系 统的安全运行。 关 键 词： 尾水调压室； 洞径； 岔管； 特殊工况； 抽水蓄能电站 文献标志码： A DOI： 10． 16232 / j． cnki． 1001 － 4179． 2016． 19． 020 中图法分类号： TV732． 5
表3
L6 长度 / m 25． 0 35． 0 45． 0 55． 0 65． 0
流速 5． 41 4． 61 3． 98 3． 46 3． 04
蜗壳末端 最大压力 666． 42 658． 85 653． 01 648． 47 643． 90
尾水进口 最小压力 － 10． 70 － 12． 06 － 12． 67 － 13． 39 － 13． 40
图3
常规工况下尾水进口最小压力随隧洞洞径变化趋势线
特 在抽水蓄能电站水力机组过渡过程的计算中 ， 殊工况（ 亦即相继甩负荷工况 ） 很有可能替代常规工 况成为调节保证计算的控制工况， 尤其是对机组尾水 进口的压力影响更大。针对特殊工况下不同隧洞洞径 对抽水蓄能电站的影响亦进行了数值模拟 ， 具体计算 结果见表 2 及图 4 和图 5 。 由表 2 和图 4 及图 5 可以看出， 在无调压室防护 时， 随着隧洞洞径尺寸的增加， 管道中的流速不断减 小， 蜗壳末端的最大压力逐渐降低， 尾水进口的最小压 力不断升高。蜗壳末端的最大压力由 666． 42 m 下降 到 643． 90 m， 降低了 22． 52 m； 尾水进口的最小压力由 － 10． 70 m 下降到 － 13． 40 m， 降低了 2． 7 m； 在设置调 压室之后， 蜗壳末端的最大压力由 661． 67 m 下降到 630． 46 m， 尾水进口的最小压力亦略有下降， 压力降低
当调压室与机组的相对位置固定时， 即保持机组 到调压室的相对距离 L4 + L6 和 L5 + L6 不变， 通过更改 尾水支管与尾水主洞长度的比值， 来探究在尾水调压 室的作用下， 岔管的相对位置对机组过渡过程的影响 。 在工程设计中， 将尾水支管中的流速与尾水主洞内的 流速数值相近作为一条设计原则， 尾水支管断面直径 为 5． 2 m， 数值模拟计算时的流速为 3． 6 m / s； 尾水主 洞的断面直径为 7． 4 m， 流速为 3． 56 m / s， 具体计算结 果如表 3 所示。
（ 1） （ 2）
H 为测压管水头； Q 为流量； D 为管道直径； A 式中， 为管道面积； t 为时间变量； α 为水锤波速； g 为重力 加速度； x 为沿管轴线的距离； f 为摩阻系数； β 为管轴
作者简介： 孙丽君， 女， 助理工程师， 主要从事水利工程管理工作 。E － mail： jdds_slj@ 163． com
104
人
民
长
江
2016 年
值约为 1． 0 m， 下降趋势不是很明显， 只是出现了少许 波动。
表2
隧洞 洞径 6． 0 6． 5 7． 0 7． 5 8． 0
尾水进口的最小压力值， 显然是不经济的。
3． 3
尾水岔管位置优化分析
特殊工况不同引水隧洞洞径下的计算结果
无防护 有防护 蜗壳末端 最大压力 661． 67 652． 33 644． 09 636． 57 630． 46 尾水进口 最小压力 17． 88 16． 19 16． 97 16． 48 16． 89
3 3． 1
工程实例分析 工程概况
某抽水蓄能电站引水发电系统采用“一洞两机 ” 的布置形式， 尾水主洞处设置尾水调压室， 其水力单元 平面布置如图 1 所示。
图1
工程布置简图
下尾水压力的降低值。
2 台水泵 － 水轮机机组额定出力为 306． 10 MW，
3 额定流量为 82． 40 m / s， 额定 额定水头为 406． 00 m，