引水式电站过渡过程探究

1、引水式电站过渡过程探究摘要：随着水电发展逐步成熟，水电事业也开始向 山区河流发展，促进了中小型水电站数量的增加，因此引水 式电站过渡过程的研究已经引起了广泛的关注概述了引水 式电站过渡过程的研究内容和研究现状，以及过渡过程中遇 到的主要问题和主要改善措施，同时针对不同类型的调压 室，就调压阀和导叶关闭规律在引水式电站过渡过程中的应 用作了详细论述，通过实例针对不同类型的引水式电站简要 分析了其选择条件、注意事项以及设置过程.关键词：引水式电站；过渡过程；调压井；调压阀;导叶关闭规律中图分类号：tk 79文献标志码：aresearch onthe transient process of the

2、diversiontype power stationxu wulin, wang yu(faculty of metallurgical and energy engineering,kunming university ofscience and technology, kunming 950093, china)abstract： with the increase in the number of medium and small hydropower station built in mountain areas, research on the transient process

3、of the diversiontype power station has caused wide attention. in this paper, research status of transient process of the diversiontype power station was sketched, and the main problems encountered in the transient process and the main improvement measures were discussed .the application of the press

4、ure regulating valve and guidevane shutoff rules to the transient process of the diversiontype power station was discussed in det ail for different types of surge chamber .the selection criteria, matters needing attention and the setup process of the pressure regulating valve and guidevane were anal

5、yzed briefly by case study for different types of diversiontype power station.key words： diversiontype power station； transient process； surge chamber； pressure regulating valve； guidevane shutoff rule我国水电开发技术日趋成熟，水电站的建设和开发逐渐 转向以引水式电站为主的水流量丰富的山区河流地区.目前 引水式电站的研究已成为研究热点，其中过渡过程的研究显 得更为重要本文论述了引水式电站过渡过程的

6、主要研究内 容和现状，并针对出现的问题，提出解决措施，同时通过不 同的实例进行分析.1引水式电站过渡过程概述引水式电站过渡过程是指在电站日常运行过程中，由于 工作条件经常变化导致水轮机从一个工况转换到另一个工 况的过程该过程较复杂，主要包括水力、机械以及电气三 方面的联合控制.虽然过渡过程历时短暂，但伴随着工况参 数的急剧变化，还会出现因机械运动惯性和水流惯性引起动 态附加荷载等一系列复杂的物理现象，因此，需要水、电、 机三方面联合控制，从而实现水电站的运行安全1.能源研究与信息2013年第29卷第3期徐武林，等：引水式电站过渡过程研究引水式电站过渡过程主要包括大波动情况下的过渡过 程（包括突

7、甩负荷、突增负荷等）、小波动情况下调节系统 的稳定、调压室及其波动、水力振动等关于引水式电站过 渡过程的研究主要包含两个方面，一方面是确定控制工况下 某些重要参数值，如调压室的最低涌浪水位、最高涌浪水位、 有压引水管最大压力和最小压力以及机组转速的最大上升 率等；另一方面是选择有效措施改善电站过渡过程中出现的 问题，主要措施有设置调压室，安装调压阀，改变导叶关闭 规律，改变输水管道尺寸等.确定重要参数值和选择有效措施对于引水式电站的运 行和设计都具有十分重要的意义例如，对于高水头引水式 电站，水锤压力和最大静水压力之和决定了高压钢管管壁厚 度，如果能通过对该类电站过渡过程的研究，在合理的范围

8、内减小水锤压力，则既可节约钢材，降低造价，又能很好地 改善钢管的弯转、焊接和安装条件；对于一些引水管道不太 长的中水头引水式电站，如果能通过对该类电站过渡过程的 研究，在合理的情况下取消调压室，则能节省大量土建方面 的投资2-3.因此，对于引水式电站过渡过程的研究已经引 起了广泛的关注.在工程实例中，由于对过渡过程的某些方面考虑不周， 以致引起机组损坏、钢管破裂等重大事故也时有发生；伴随 着我国西部电力的开发，引水式电站增多，机组也向大尺寸、 大容量方向发展.所以，对引水式电站机组过渡过程进行研 究意义更为重大.2改善引水式电站过渡过程的主要措施目前针对引水式 电站过渡过程中遇到的问题，改善的

9、主要措施有设置调压 井，安装调压阀以及选择合理的导叶关闭方法.2.1调压井调压室是引水式电站最常采用的解决导叶快速关闭时 压力升高和转速上升等问题的措施，通常修建在有压引水隧 洞或有压引水管与压力管道衔接处通过充分利用扩大管道 断面和自由水面反射水击波，将有压引水系统分为两段：上 游段为有压引水隧洞，调压室使引水隧洞基本上避免了水击 压力的影响；下游段为压力钢管段，通过缩短长度，降低了 压力管道内的水击压力，改善了机组的运行条件.通常情况下，根据水电站的不同条件和要求，引水系统 中调压室的布置主要有三种基本形式.(1) 上游调压室设置上游调压室不但能减小蜗壳最大动水压力，而且能 够缓解水击压力

10、和机组转速升高率之间的矛盾，主要应用于 上游具有较长引水道的厂房，也是最广泛使用的布置方式. 一般情况下，若无特别指出，通常都是指上游调压室对于 是否设置上游调压室，取决于设计允许的水击压力升高相对 值e max、机组转速升高相对值b max以及水轮机惯性时间 常数ta等参数上游调压室设置条件的tw允许值为4tw=tr k maxt o b max ( b max+2 )-2tc tr s f(2 max+2) -t o e max b max ( b max+2) +2 g maxtc (一相 水击)2 2 maxt o b max ( b max+2) -2tc e f ( 4 max+2

11、)(末 相水击)(1)式中，f为波函数；tw为水流惯性时间常数；e =tn/tg； tg为水流惯性常数；tc为调节迟滞时间；tn为升速时间； ti为相长；to为机组惯性时间常数.当tw大于4时，需要设置上游调压室.(2) 下游调压室下游调压室的作用是缩短尾水管道长度，减小甩负荷过 程中的真空度，提高运行稳定性和供电品质，所以多用于具 有较长的有压尾水隧洞的厂房.由于有压尾水管内的真空由 水锤真空与流速水头真空两部分组成，两者在机组甩全负荷 过程中均是随时间变化的，其最大值分别发生在不同的时间 点考虑到它们的时序关系，得出综合函数产生峰值的时刻, 从而推导出较合理的尾水临界长度lsm计算式为4l

12、 wm=kgtg2v «0 (2- o ) 8-900-hs-v23j2gv2coj2gh02o 2-3o 1-v2oj2gh02-o 2-3 o (2)式中，k为经验常数；vso为尾水道平均速度；。为阀 门开度变化时管道中水流动量的相对变化；vo j为尾水管道 进口流速；h0为水轮机基准水头；hs为水轮机净水头；为 机组安装高度；g为重力加速度.(3) 上、下游双调压室有的地下水电站的上、下游都具有较长的有压引水系 统，为了减小水击压力，改善电站的运行条件，在厂房的上、 下游均设置了调压室即双调压室系统但设置上、下游双调 压室的引水式电站和单调压室电站相比，其稳定性有很大的 不同，

13、除了会引起蜗壳处进口压力和调压室的涌浪变化外， 还可能造成共振现象，如：若上、下游调压室的断面选择不 合理，即使调压室的断面很大，也可能导致发生共振；若上、 下游调压室的引水道以及尾水道内发生水体共振，且在引水 道内水体的某一阶自振频率与尾水道内水体的某一阶自振 频率相等或者相近，则也会引起共振现象.另外，设置上、下游双调压室的引水式电站中，其系统 布置上存在两个比较明显的相互干扰源：尾水调压室和上游 调压室的水位波动，它们将不可避免地导致机组间出现较为 复杂的水力干扰情况.这不但对水电站的供电品质产生影 响，而且机组的调节时间也可能明显延长.所以，在合适的 条件下，引水式电站中尽量不采用双调

14、压室的设置5.2. 2导叶关闭规律机组导叶关闭规律的研究是目前优化电站水力机组大波动过渡过程的特性和调保计算的主要内容在水电站运行 时，经常会由于各种原因而致使机组甩负荷，水轮机转速急 剧上升，严重时机组甚至可能由于强度不足而损坏，而此时 调速器必须快速关闭导叶，减小引水管道内的流量，但这可 能会产生严重的水击现象，引起引水系统中的压力大幅度上 升或下降，甚至对机组的安全构成严重威胁这时，导叶关 闭规律起着关键性的作用如果导叶关闭越快，水压力上升 越大，反之导叶关闭越慢，转速上升越快，所以导叶关闭规 律的不同将直接影响水轮机发电机组运行稳定性和安全性. 另一方面，对于已建成的电站，其发电机组和

15、引水系统的基 本技术参数己经确定，采用合理的导叶分段关闭规律是既可 靠又经济的选择.导叶关闭规律大体可分为两类：一类是事先假定的固定 模式导叶关闭规律，主要包括直线关闭和两段或三段的折线 关闭规律.目前，水电站导叶普遍都采用折线关闭规律直 线关闭规律在一些小型电站和老式电站还有使用，但它对机 组的改善程度是有限的例如：南方某水电站，引水压力隧 洞直径3 m、长3. 5 km,有三台机组达到8 000 kw,在tw>ta 的情况下，使用直线关闭规律，在运行多年后出现压力隧洞 末端渗水，并且机组强度不足的情况6.另一类是不事先假定的非固定模式导叶关闭规律这种 方式尚处于研究阶段，具体来说就是

16、直接将过水系统以及机 组过渡过程中的控制参数，如最大转速升高值或最大压力升 高值，作为控制条件确定对应的导叶关闭规律，但并不是统 一采用某一种固定的两段或三段的关闭规律，而是利用阀调 节原理求取理想的导叶关闭规律，即反算法.这将得出真正 意义上的最优化导叶关闭规律，有效控制机组水力过渡过程 中的水击压力上升值和转速上升的最大值7.引水式电站不同于其它电站，其引水系统较复杂导叶 关闭规律作为一种运行调节手段并不是单独使用，往往是配 合调压室或者调压阀使用.以设有上游调压室的引水式吉林 台水电站为例该电站蜗壳进口处最大压力值受调压室涌浪 压力和水锤压力两方面的相互控制，所以其优化顺序为：先从理论上

17、校核涌浪压力是否能成为电站输水系统的控制压 力；若涌浪压力与最大压力的控制值相差不大，则涌浪压力 就是输水系统的控制压力，应对调压室体型进行优化，然后 优化导叶的关闭规律表1为具有长引水道系统的吉林台水 电站不同阻抗孔口尺寸下的调压室最高涌浪及蜗壳进口最 大压力8.表1调压室尺寸对调压室最高涌浪的影响tab. llnfluence of surgetank sizeon the maximum surge阻抗孔口直径/m调压室最高浪涌/m蜗壳进口压力/kpa最大水锤压力最大浪涌压 力 4. 01 289. 5676. 20573. 305. 01 292. 1617.40598. 786.01

18、 293. 8580. 16615. 447. 01294. 8562. 52625. 248. 01295. 3552. 72630. 14从表1可知，调压室的最高涌浪随着阻抗孔口尺寸加大 而增大；当阻抗孔口直径小于6 m时，水锤压力决定了蜗壳 进口处的最大压力；当阻抗孔口直径大于或等于6 m时，涌 浪压力决定了蜗壳进口处最大压力；当阻抗孔口直径为6m 时，调压室最高涌浪为1 293. 8 m,距涌浪的控制值1 296 m 约有2 m的安全裕量，所以最佳阻抗孔口直径为6 m.通过计算发现，采用直线关闭规律无法同时将管道水压 和机组转速限制在允许范围内，所以需要釆用折线导叶关闭 规律初步选用的

19、导叶折线关闭规律为关闭时间1120 s, 即以导叶开度为0.5为分界点.在导叶开度大于0.5时采用 斜率为1/11的导叶关闭规律，当开度小于0.5时采用斜率 为1/20的导叶关闭规律表2给出了折线关闭规律下蜗壳进 口最大压力和机组最大转速.从表2可看出，若采用1120 s折线导叶关闭规律， 蜗壳进口最大压力和机组最大转速上升均可满足调保计算 要求，且存在一定的安全裕量.表2折线关闭规律下蜗壳进口最大压力和机组最大转速tab. 2maximum pressure and rotational speed at the inlet of spiral case under brokenline s

20、hutoff law 关闭时间/s调压室最高涌浪/m蜗壳进口压力/kpa最大水锤压力最大浪涌压力转速上升率/%11 121 293. 7591. 92614. 4647. 72. 3调压阀20世纪80年代，我国开始在长引水式水电站中采用“以 阀代井”的调节保证措施，如南龙源电站是我国第一座釆用 调压阀代替调压井的试点电站，安装了我国自行研制的全油 压调压阀该调压阀与导叶液压联动，具有安全可靠、工期 短、投资小等优势之后云南西洱河二级电站、广西长滩河 水电站、贵州白水河一级电站等也采用调压阀作为调节保证 措施，有效降低了管道的压力升高值，确保了输水系统的安 全，使电站运行稳定9.对于一些中小型长

21、引水式电站，可能受地形、地质等条 件限制，需投入大量的人力和资金，采用造价优廉经济可行 的调压阀具有较明显的优势其原理是：当机组甩负荷时， 导叶快速关闭同时调压阀迅速开启，将机组关闭时需减少的 流量从调压阀排出，待机组关闭后再缓慢关闭调压阀也就 是说，安装调压阀后，引水系统内流量变化得以缓慢进行， 从而削减了水压上升值另外，由于机组仍然是快速关闭的, 保证了机组转速的上升值也不会过高，所以说，调压阀是降 低引水系统压力上升值和机组速率上升值的有效措施之一， 起到了调压井的作用对于判别是否在中小型引水式电站中 设置调压阀主要通过导叶关闭时间确定.当导叶关闭时间tw 采用"井阀并用”方案

22、的前提条件是杨村电站不担任系统 主调频任务，否则难以保证电站运行的稳定性.采用“井阀 并用”方案比单一的调压室方案能更好地节省工程量.另 外，小浪底西沟水电站也使用了 "井阀并用”的方案12.3结语在引水式电站过渡过程研究中除了设置调压室、调压阀 以及改变导叶关闭规律，还可通过加大引水隧洞洞径和减小 引水隧洞长度的措施代替调压室13,安装水斗式机组的引 水式电站取消调压室14等但由于引水式电站过渡过程较 为复杂，针对不同情况，运用的措施也不相同，能否完全满 足需要，可能还要根据具体情况进一步研究确定，在实际工 程中偶尔出现的各种导致事故的问题也在不断向人们提出 新的研究课题.参考文献：1吴荣樵，陈鉴治.水电站的水力过渡过程m.北京： 中国水