变顶高尾水调压室的小波动稳定性分析

变顶高尾水调压室的小波动稳定性分析

1尾水调压室小波动稳定的分析在节水电气工程中，水压和调节的计算是一个重要的内容。对于具有较大水流惯性和较高压力尾水道的电气站，由于找不到合适的驾驶员关闭时间和关闭规律，水压和旋转的上升值往往大于允许合理，因此有必要采取措施改善调整和调节参数。设置尾水调压室是其中一项常用措施.根据调压室的功用,它应能保证调压室中发生的一切水位波动都是逐渐衰减的,并且衰减越快越好.针对这一问题,托马于1910年提出了著名的调压室波动稳定条件:F＞FthF＞Fth这是保证小波动稳定的必要条件.对于下游水位变幅较大的水电站,还可以将尾水洞设计成变顶高(图1)新结构型式.变顶高尾水洞的特点是让下游水位与洞顶任意处衔接,将尾水洞分成有压满流段和无压明流段.下游处于低水位时,水轮机的淹没水深比较小,但无压明流段长,有压满流段短,过渡过程中负水击压力小,所以尾水管进口断面的最小绝对压力不会超过规范的要求.随着下游水位升高,尽管无压明流段的长度逐渐减短,有压满流段的长度逐渐增长,负水击越来越大,直到尾水洞全部呈有压流,但水轮机的淹没水深逐渐加大,而且有压满流段的平均流速也逐渐减小,正负两方面的作用相互抵消,使得尾水管进口断面的最小绝对压力能控制在规范的范围之内,保证机组安全运行.因此,变顶高可起到取代尾水调压室的作用.但由于下游水位的变化,当尾水洞中明流段较长时,尾水洞中产生一种类似于调压室质量波的重力波,在过渡过程中往复运动,形成衰减很慢的尾波,直接影响着电站运行的稳定性.无论是尾水调压室还是变顶高尾水洞,其小波动稳定问题实际上是由于调速器对水轮机的调节引起的,没有调速器的调节也就不会出现波动稳定与否的问题.因此,其小波动稳定性除了与各自的体型有关外,还与调速器参数、电网负荷自调节系数等有关联.本文结合某电站的实际数据,计算与分析了两种尾水布置型式在超低水头下的小波动稳定性.2调速器主要参数的选取某电站采取单机单洞方案,其尾水系统的设计中考虑了变顶高尾水洞和尾水调压室两种布置型式.最小工作水头是54.0m,最大工作水头是80.1m,机组额定转速93.8r/min.由于有防洪要求,其上游防洪限制水位控制在ᐁ287.0m,枢纽在20年一遇洪水下泄流量19900m3/s(对应下游尾水位为ᐁ248.63m),需要电站下泄流量2000m3/s,平均每台机组过流量400m3/s.扣去管道系统的水头损失,形成37.0m极端最小工作水头(即超低水头).另外,该电站作为调峰、调频电站,电网系统对其品质和运行性能有着较高的要求,即使汛期也需投入运行.20年一遇以下洪水是常遇洪水,因此电站在最小水头下的37.0～54.0m水头之间的运行时段较多,亦即出现在超低水头下运行的情况.进行一系列计算与分析后,选取调速器主要参数:缓冲时间常数Td=12.0s,暂态转差系数bt=0.8,测频微分时间常数Tn=2.0.电网负荷自调节系数eb=0.0,甩弃10%初始出力的负荷.2.1小波动过渡过程计算结果首先,以最小工作水头为前提确定托马临界稳定断面,并根据《水电站调压室设计规范》(DL/T5058-1996),乘以系数1.0～1.1,得到调压室断面积.如此一来,在超低水头情况下就出现调压室实际断面积小于托马临界稳定断面的问题,其小波动过渡过程计算结果如表1、图2所示.其次,以极端最小工作水头为前提确定托马临界稳定断面.与之前相比,调压室断面积增加了46%,其小波动过渡过程计算结果如表2、图3所示.对比表1和表2及图2和图3可以看出:(1)调压室断面积增加,水位波动周期增长,因为波动周期与调压室断面积的二分之一方成正比.(2)除调压室断面积增加之外,其他计算条件完全一致,因此调压室水位波动向下最大振幅和向上最大振幅有所减小是必然的.(3)调压室断面积扩大,对机组转速最大偏差值(第一个波峰即主波的幅值)几乎没有影响,说明该指标主要取决于甩弃负荷的大小和调速器参数.(4)调压室断面积扩大,机组转速的超调量(第一个负波的幅值占最大偏差的百分比)减小28%,衰减度(第一个波峰与第二个波峰值之差的相对值)增加0.046,说明这两项指标主要取决于调压室尾波(即调速器的调节动作完成之后,仍在调压室与尾水洞之间往复运动的波)的大小,并且影响调节时间和振荡次数(即调节时间内出现的振荡波峰个数的一半).断面积扩大后,进入频率偏差±0.4%带宽(即波动幅值控制在±0.4%N0范围内)的调节时间几乎提前了一半,振荡次数降至一个半波,但进入频率偏差±0.2%带宽的调节时间仍在250s以上,说明调压室断面积的扩大,并不能十分有效地改善电站的调节品质.2.2运行效果好,符合无调压室调节品质在选定尾水洞出口高程、顶坡、底坡的基础上进行的小波动过渡过程计算结果如表3、图4和图5所示.从表3与图4及图5可以看出:超低水头时,调速器具有很强的校正能力.机组转速在不到60s的时间内很快进入频率偏差±0.2%带宽,只经历了半个波,且不久后就趋于额定转速.闸门井水位也在很短的时间内(100s)趋于一恒定值,同样只经过了半个波次.因此,超低水头下电站的调节品质非常好,其原因是在洪水期,下游水位一直高于变顶高尾水洞出口的顶部高程,整个尾水洞呈有压满流,水力过渡过程中只有水击波的影响,而不再被尾水洞的尾波所控制,所以衰减迅速,完全满足规范对无调压室调节品质的要求.2.3尾水门井涌浪水位波动的影响由上述计算与分析知:(1)两方案对应的转速最大偏差值相差较大,这是由于两者甩弃负荷大小不一样所致,也是初始出力不一致的原因.(2)变顶高方案的机组转速超调量明显小于调压室方案,衰减度明显要大,致使相应的调节时间短,振荡次数少.这仍然说明调压室尾波对这些指标有极大的影响,而变顶高尾水洞中沿整个洞长均是有压满流,只有水击波,它是一种弹性波,周期短,变化快,调速器对其产生的振荡具有较强的校正能力.(3)根据三峡地下电站变顶高尾水洞方案带模型机组的水力过渡过程试验结果可知:尾水闸门井的断面积很小,其涌浪水位的高低主要取决于负荷变化的大小.负荷变化越大,水击压力越大,尾水闸门井涌浪变幅越大.在负荷变化一定的前提下,尾水闸门井涌浪水位波动过程的周期取决于明满混合流的往返波动,而衰减的快慢由调速器参数所决定.在超低水头下,整个尾水洞不存在往复运动的明满混合流,因此,由负荷变化引起的波动在调速器的校正下很快又稳定下来,而调压室水位在很长一段时间内还不能停止波动,即使增加46%的断面积也改善不了很多.3变顶高尾水压系统的特性综合上述分析比较可知:尾水调压室对超低水头的适应性较差,如果按《水电站调压室设计规范》扩大46%的调压室断面积,不仅会给水工布置、围岩稳定带来极大的困难,而且其