（机械工程专业论文）降低大型水电站尾水调压井工作面积的研究.pdf

摘要 引水式电站往往具有较长的有压隧洞。当水力机组负荷在较短时闻有大幅度 变化时，有压隧洞内可能会产生很高的水击压力为避免这种现象的发生，需要 在电站的水道系统中设置调压井。置于机组上游水道上的调压井称为上游调压 井，置于下游水道上的称为尾水调压井。 大型水电站的尾水调压井往往具有很大的横截面积，因而常常造成施工困 难，工程时期延长，并且耗费巨额资金。 本文采用水力装置内特征性解析的数值计算方法求解大波动过渡过程中尾 水调压井的水位波动规律，全面考虑压力引水管、尾水调压井一尾水隧洞、水轮 机一发电机、调速器和电力系统等环节的特性，对此类电站进行大波动过程进行 分析。 根据本文提出的计算方法对尾水调压井进行计算，与现场试验比较吻合，表 明本文提供的数学模型正确，计算结果准确，具有一定的理论价值 利用本文提出的计算方法对对大朝山电站的分析计算表明，采用本文的方法 确能大幅度降低尾水调压井的工作面积，因而具有较高的应用价值 理论计算和试验研究表明，运用本文提供的教学模型和计算方法可以大幅度 地降低尾水调压并的工作面积 关键词：水式电站尾水调压井数值计算 a b s t r a c t h y d r o p w e rs t a t i o nw i t hl e a d i n gw a t e ru s u a l l yh a sal o n gl e a d i n gt u n n e l w h e nt h e r ei s 曩h i g hm o d i f i c a t i o no fl o a do nt u r b i n e s 。av e r yh i g hr u s h i n g p r e s s u r ew i l lb eb u i l ti nt h et u n n e lt oa v o i dt h es i t u a t i o n ，_ p r e s s u r ea d j u s t i n g w e l li sr e q u i r e dl ob eb u t t a p r e s s u r ea d j u s t i n gw e l ll o c a t e di nt h eu p p e rr e a c hi sc a l l e du p p e rr e a c h p r e s s u r ea d j u s t i n gw e l lw h i l ei sc a l l e dl o w e rr e a c hp r e s s u r ea d j u s t i n gw e f t i nal a r g eh y d r o p w e rs t a t i o n , t h ed o w n s t r e a ms u r g et a n k 虹u s u a l l ys om u c h h u g et h a ti ti su s u a l l yv e r yd i f f i c u l tt ob u i l d , c o s ts om u c ht i m et ob u i l da n dc o s t s a l o t o f m o n e y ， i nt h i s p a p e r , t h e n u m e r i c a lm e t h o do nt h e a n a l y s i s o fi n t e r n a l c h a r a c t e r i s t i ci sa p p l i e dt os o l v et h eo s c i l l a t i o n i nas u r g et a n kd u r i n gt h e t r a n s i e n tp m c 群io f _ w a t e rt l i r b i n e a n dt h es t a b i l i t yo fs u c hak i n do f h y d r o p o w e rs t a t i o n 缸a n a l l s e db yn y a u i s t sm e t h o dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r e s s u r ep i p e , t u n n e l , s u r g et a n i 【g o v e r n o r , w a t e rt u r b i n e , g e n e r a t o ra n d d e c t r c i t ys u p p l ys y s t e mh a v i n gb e e nf u u yc o n s i d e r e d ，c a l c u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ea r e ao fad o w n s t r e a ms u r g et a n ke a ub er e d u c e do na l a r g es c a l eb yu s i n gt h em a t h m a t i c a lm o d e la n dm e t h o di nt h ep a p e n t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ev e r yc l o s et ot h e p r a c t i c a lm e a s u r i n gr e s u l t sa n dt h e r e f o r et h em e t h o di s c o r r e c ta n dt h e m a t h e m a t i c a lr o o d e li sc o r r e c t b yu s i n gt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h es u r g et a n ki nd a c h a o s h a nh y d r o p w e r s t a t i o n ，t h ea r e ao f t h es u r g et a n kc a nb eg r e a t l yr e d u c e d k e yw o r d s ： h y d r o p w e r s t a t i o nd o w n s t r e a ms u r g et a n k n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 2 1 第一章绪论 1 1 调压井的研究和工程实践概况 引水式电站往往具有较长的有压隧洞或称水道。当水力机组负荷在较短时间 有大幅度变化时，有压隧洞内可能会产生很高的水击压力为避免这种现象的发 生，需要在电站的水道系统中设置调压井。置于机组上游水道上的调压井称为上 游调压井，置于下游水道上的称为尾水调压井。无论上游调压井还是尾水调压井， 一旦确认必须设置，总是尽可能地将其布置在靠近机组的地方，以最大限度地减 少大波动过渡过程中蜗壳的水压力上升和尾水管的水压下降；与此同时，调压井 的水面也会产生较大幅度的上下波动此外，如果机组孤立运行，且调速器速定 不良时，运行中调压井水面由于扰动引起的水位波动，有可能不收敛，从而引起 机组运行的不稳定，这种情况称为小波动不稳定现象 1 9 1 0 年在德国的一个水站中曾发生过这种运行不稳定现象，当时对该电站 调压井进行了分析，提出在小负荷变化时圆筒式调压井水位波动的稳定条件，亦 即沿用至今的托马( t h o m a ) 稳定条件 1 】，即调压井的工作面积f t 应大于由枉 马导出的临界稳定面积f 血； p f 旷丽瓦去j 百 m 1 ) 式中： d 系数，归去+ z 孝；l 矗 c 一系数； r 水力半径； 芋隧洞中局部阻力损失 h z 0 一电站静态装置水头； h 瑚旷- 有压隧洞中的水头损失： h w w w - - - - - 高压引水管道内的水头损失； i r 有压隧洞的长度； 3 f 唷压隧洞的断面积。 应当指出，t h o m a 公式( 1 - 1 ) 没有考虑机组本身的特性和电力系统的影响， 仅只针对。水道一调压井”系统推导出来的，并作了如下假定； 1 ，调压井水位微幅波动； 2 、电站孤立运行； 3 、调压井与引水管直接联接； 4 、水轮机效率为常数； 5 、调速器严格保持机组出力为常数。 在t h o m a 以后，有许多学者对调压并的小波动稳定性作了大量理论和实践研 究如文献【2 】指出，这些研究工作基本上仍局限于“水道调压井”系统， 因而，得到的结论往往只是考虑某个具体相关因素后对托马公式的修正。 调压井在结构型式上也有很大发展，许多国内外的水工专家和工程技术人员 对此做了大量的工作，并建立了一系列以t h o m a 稳定条件为基础的各种类型调 压井，局限于“水道一调压井”系统的水力计算方法【3 】【4 】【5 】。但是，由简单圆 筒式调压井演变而来的各类型调压井大都结构复杂，施工难度较大 现代电站通常均投入容量巨大的电网与其它各种类型的发电站联合运行研 究表明，电力系统对电站运行的稳定性有着十分有利的影响。文献【6 】指出，运 行于电力系统中的水电站，取用任意尺寸的调压井工作面积，都可以依靠调速器 的整定来满足运行稳定的要求文献田在文献【6 1 的基础上给出了工程中的实际 算例，从而，从理论和实践两方面肯定了电力系统对带调压井的电站运行稳定性 的影响。文献 s i g n 了只要合理地选定调速器参数，就可以保证水电站地小于 托马临界稳定面积下稳定运行 在调压井设计中，小波动稳定条件并非唯一确定调压井尺寸的因素，还必须 考虑突用负荷，突增负荷等大波动过渡过程对调压井工作面积的要求大波动过 渡过程中，由于水轮机流量在短时间内发生大幅度变化所引起的整个水力系统的 惯性能量较大，从而导致调压井水位大幅度升降。这种现象工程上称为调压井涌 浪，其值大小同多种因素，其中包括调压井的工作面积有关。长期以来，大波动 过渡过程中调压井的涌浪计算是在“水道一调压井”系统中，指导叶瞬间关闭 进行的这与实际过程有较大的出入关于涌浪研究的文献不太多见，文献【4 】 4 洪的各种类型调压井大波动涌浪的计算方法并未克服上述不足 实际上，如文献【7 】【8 】【9 】所述，国内外都有许多较大幅度减小调压井工作面积 的工程实践运行实际证明，有条件地减小调压井的工作面积，并不会影响电站 的正常运行显然，在现行设计中，许多调压井的工作面积被盲目地加大y 2 2 。 、 1 2 尾水调压井的特点及本文研究任务 尾水调压井的任务在于防止水力装置大波动过渡过程中尾水系统产生过高 的水锤压力，并保护机组免遭因尾水管断流反水锋所引起的破坏有关尾水调压 井的研究，国内外均不多见。目前，尾水调压井的设计仍套用上游调压井以t h o m a 为基础的设计方法。 但是，尾水调压井与上游调压井的工作条件存在着一定区别。甩负荷时，机 组上游侧的引水管压力上升是无界的，而下游侧的尾水管压力下降却是有界的， 至多达到1 0 米水柱；上游调压并的最高涌浪由甩负荷过渡过程决定，甩负荷过 渡过程的发生往往是随机的，并且要求声速关团导叶，尾水调压并的最高涌浪由 增负荷过渡过程决定，而增负荷过渡过程通常是可以预知的，可以通过缓慢开启 导叶和机组编组投运的方式来控制涌浪的幅值。 。 综上所述，尾水调压井和上游调压井虽然有着大致相同的工作原理，然而， 工作条件和边界却有所不同。因此，完全套用上游调压井的设计方法来设计尾水 调压井，显然是不适宜的。 本文从目前我国水电建设的实际出发，针对上述调压井研究和设计中的不合 理之处，着眼于为调压井新的设计方法提供可以依赖的理论基础和计算方法，就 以下内容进行了研究： 1 、在大波动过渡过程中，考虑水轮机调节元件运动规律的影响，研究尾水 调压井的水位波动及其和机组各动态参数之间的相互关系。 2 、确定带尾水调压井的电站大波动过渡过程计算方法，并完成必要的数值 计算 3 、利用本文的方法，针对国家重点工程云南大朝山水电站，探讨大幅度降 低其尾水调压井工作面积的可能性。 第二章尾水调压井的水电站大波动过渡过程的理论研究 如前一章所述，尾水调压并的设置，首先取决于长尾水隧洞水力装置大波动 过渡过程的动态特性。由于尾水调压井总是尽可能地设置在靠近机组，这就必将 引起井中较大的涌浪值。这是种满足质量守恒定律的质量波动或称运动学波动 或称学波当水力装置蓁参数确定不变的情况下，尾水调压并的涌浪值主要与调 压井工作面积和阻抗大小有关，同时，也与大波动过渡过程的控制方式有关。 考虑上述，本文在确定尾水调压井大波动水动力学特性与结构参数时将它们 视为带尾水调压井的水力装置系统大波动过程特性研究的一部分来处理。在求解 的水轮机装置过渡过程诸动态工况参数瞬变规律中，也包括了尾水调压井水位波 动的瞬交特性。 因此，描述带尾水调压井的电站大波动过程的数学模型分为两部分：机组各 动态工况参数的数学模型和“水道调压井”系统各动态参数f 期改学模型。 2 1 尾水调压井电站大波动过渡过程机组各动态工况参数动态分析 图2 - 1 带尾水调压井的电站水力系统示意图 图2 1 示出了带尾水调压井的电站水力装置系统。由上、下游水库，压力引 6 水管l ，水轮机2 ，发电机3 ，尾水管及其加长段4 ，尾水调压井5 ，有压尾水隧 洞6 组成。 本文采用文献【1 0 】给出的水轮机轮机内特性解析的理论与计算方法新体系， 进行带尾水调压井的混流式水轮机装置大波动过渡过程的分析与计算大量的实 践表明，这种新理论与新方法，可以在无需已知水轮机全特性曲线或完整综合特 性曲线的情况下，准确求得各种过渡过程中诸种动态工况参数的瞬变特性。 在这种内特性法新体系中，实际存在着若干种不同的计算方法。例如，有考 虑系统弹性效应的方法，刚性理论方法，有解析法和数值解法等等。视具体情况 可以选择应用 。 考虑到本文研究的主要对象的尾水调压井，其压力较低，传统上不计弹性效 应影响，因此，取主要的求解对象为调压井水位h 2 ，水轮机动态流量q h ，动态 转数h h 蜗壳与尾水管动态水压p l ，、及调压井底部压力p 8 等 2 1 1 甩负荷过渡过程中机组的转速变化 甩负荷过渡过程中机组的转速变化与导叶的关闭方式有关。其变化规律如图 2 - 2 所示，可以解析法来计算【1 0 】【1 l 】。 k t g tk tn 3 t - 1 - ) 一 一 ： 一 |渡 。泌 i 0 7 f _ z j | ，土泌爻未f 。 一 心 。下1 1 l 十。， 图2 - 2导叶三段折线关闭规律与转数的瞬变规律 。 用图2 - 2 可以看出，对导叶三段析线关闭规律，机组转数变化分为五个区段： 7 第c 时段，导叶滞后动作时间为t c ，机组在初始开度a o 不变的情况下自由升速； 第一时段，导叶从a o 关至a q ，表征导叶关闭速度的当量关闭时间为t s g 第二时 段，导叶从a g 关至a 1 【，当量关闭时间为1 酰；第三时段，导叶从a 1 【关至机组转 数达极值的逸速开度a l l ；第四时段，导叶从a f t 关至零，转数逐渐下降。每个时 段内相对转数值的变化量分别为占。，万l 。，j 细、艿，m 、艿4 m ，其中& 4 m 0 。机 组甩负荷过渡过程相对转数上升的最大值为： 8 m - - # c m + 万l _ s 孙一s 3 m ；( n m - n o ) n o = ( w m - w o ) w ,( 2 - 1 ) 各时段转数的瞬变规律为： 衍而! 南r 。i ( 1 + 广) ( 2 - 2 ) 万i _ _ 匝一旦+ 丽2 b p it i - b p i t 蕊i 2 t a i o + 2 t n i2 t n i ( 2b p 0 1_ ，。) 一幼f 一 。 丝 雨 2 一母( 1 一聊 式中： a j 导叶关闭过程第i 段的导叶初始开度，第一段的初始开度a l = a 0 ： n 导叶多段关闭的段数； t i - j 导叶第( i - j ) 段关闭的时间长； t h l 巧相应第( i - j ) 段的逸速时间； 1 i 第i 段内相对时间： t 口i 第i 段的机组惯性时间比； t a i 笫i 段的机组惯性时间常数。 由( 2 - 2 ) 式可以计算出甩负荷过渡过程中任意时刻机组的动态较数，对应的 静态值为： 飞鼎4 q 夺七肇( 2 - 3 ) 式中鱼水轮机装置水头沿用周边的平均相对升高值。 2 1 2 尾水调压井大波动过渡过程装置水头平平均升高值的基础方程式 对于如图2 - 1 所示的水力装置系统，列水轮机出口2 - 2 断面至属水调压和隧 洞连接处b 点，以及尾水调压井水面至b 点的能量平衡方程 0 争+ 专+ 乙= 争+ 善+ 乞+ 彘：q 刎凹l + 吾警。：旁 c “， 墨y + 立2 9 + 互= 争+ z v g a 2 + z n + 参酬彩i + ；1a 出q f m 旁 ( 2 - 5 ) 式中： p 2 ，p b ，p 8 一水轮机出口压力，b 点压力和大气压力i v 2 、r b 、z 卜一水轮机出口，b 点和尾水调井水面高程； q n 、q i 冰轮机和尾水调压井的动态流量，规定q h 以流向b 点为“+ ”， q i 以流出尾水调压井为“+ ”； l 2 ，缸_ 尾水管及其加长段长度和断面积； h i 、f e 一尾水调压井水面至隧洞底板的高度和尾水调压井断面积； 彘：、拿尾水管及其加长段阻抗系和尾水调压井阳抗系数。 将( 2 - 5 ) 式代入( 2 - 4 ) 鼐： 争+堡+忍=孚+丝29+乃+到妒f+三do西n，f29 g2 妻7， j 卜、 d l | 犯 一尊驯9i - 警n 砉 ( 2 固 过渡过程尚未发生时： 争+ 善+ 乙= 7 p a + z f d + 彘：讲 ( 2 - 7 ) 注意到( 2 6 ) 式和( 2 - 7 ) 式的左边实际就是过渡过程中任一时刻和初始状 态时水轮机出口的比能e 2 和e 2 0 。由( 2 - 6 ) 式减去( 2 - 7 ) 式，并略去恢复水 头和排水系统的损失以及尾水调压井内的惯性水头，则在过渡过程开始后水轮机 出口的比能变化为； 峨= ( z i z l o ) 七誓k 旁 ( 2 8 ) 用尾水管及其加长段的当量等断面积代替也，则： 一i d q hk 堕：_ l ：d q h gd tj 五或d t一 9 由图2 - 1 知，h 2 = z t - z 大游，并规定h 2 以下游水位为其基准，当z t 高于z 下游时，h 2 为。+ ”。 显然，z t - z t o = h 2 - h 2 0 令：1 1 2 - 1 1 2 产h 2 将( a ) 、( b ) 两式代入( 2 - 8 ) 式得： a e 2 = a h 2 + _ 参2d q h d t ， ( 2 - 9 ) 由文献【1 2 】，水轮机装置水头相对升高值为： 郇2 瓦厂 h z = - e l - e 2 ；h z o = - e t o - f a 且 争= 急一急 文献【1 2 】还指出； 嵋= 刍p - z o 式中： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 拿蜗壳内水压力沿周边的平均相对升鬲僵 9 一等【1 + 赤+ 4 - 面“g s 塑d , 将( 2 - 9 7 式和( 2 - 1 2 ) 式代入( 2 - 1 1 ) 式并化简整理得到带尾水调压井的电 站水轮机装置水头沿周边平均相对升高值的基础方程式： 争= 却盖( 1 n 助+ 和+ 毛= 西q r z , o ，巩= _ g h l 2 v 。2 i o g = 鲁 弘去 l l 、v l o 、f 1 引水管长度，初始速度和断面积； r 1 b 2 ，r p 一弓i 水管，排水管和水轮机装置特征系数； 1 0 t s 一导叶关闭( 或开启) 时间； r o 一导叶分布圆半径； m d - 一蜗壳包角； b 0 一导叶高度； 6 蜗形体螺旋角； k 、l 2 旷一尾水管长度和初始流速： h 2 0 、q o 一水轮机装置静态装置水头和初始流量； g 、1 一相对流量和相对时间 2 1 3 、带尾水调压井的电站大波动过渡过程水轮机动态流量 带尾水调压井的电站大波动过渡过程水轮机动态流量根据文献1 1 0 ，水轮机 动态流量为； 玑= q 1 + 争 ( 2 - 1 4 ) 将( 2 1 3 ) 式代入并化简整理得： 誓= 品一学) 2 + 篙， 协t 5 ， 2 1 4 、带尾水调压井的电站大波动过渡过程尾水管压力 由( 2 - 6 ) 式忽略尾水调压井恢复水汉与惯性水汉，则得： 争专r ( z t - z 2 ) 堆o n i q nl 一坤卜甍+ 参等( 2 - 1 6 ) 式中2 f 2 0 一尾水管进口处断面积。 由于z t = z t o + h 0；z t o - z 2 = h s则( 2 - 1 6 ) 式可写为： 争= 手+ 胁一 2 屹蚓q 日i - 鲤枷卜韭2 9 f 2 百d o + 去誓( 2 - 1 7 ) 式中； h r 机组初始状态吸出高 在调压井的水面波动计算中，调压并与隧洞连接处b 的动态压力是一个重 要参数。由( 2 5 ) 式忽略尾水调压井的恢复水头，则： 等= h d + 砌+ 7 p a 一器r 鲁7e 固i t h d 下游水位与b 点的高程差。 ( 2 - 1 8 ) 2 1 5 、带尾水调压井的电站大波动过渡过程菟内动态压力 根据文献 1 2 1 ，蜗壳内各点压力上升的相对值为： 矢= - 6 l ( 1 鲁咖 = - b x 0 2 ) 鲁献帆 。 式中： 毛= 去靠+ 南铲面丽蓊；雨+ 耐 屯= 去岍扫 m 、r 广座环进口处半径和导叶分布圆半径 乞= 呐叶主( 1 n 肋+ 老警 q 珈， 2 2 大波动过渡过程中尾水调压井水面波动的基本方程 在大波动过渡过程中发生时，流过水轮机的流量将发生急剧变化，从而使得 。尾水调压井一尾水隧洞”内的流量，压力发生变化，引起尾水调压井的水位 波动。研究水位波动的目的是为了确定调压井水位波动的最大正负振幅和大波动 过渡过程所要求的极限断面面积。反映“尾水调压井一尾水隧洞”的方程主要 有连续方程压力平衡方程。 2 2 1 大波动过渡过程中的连续方程 如图2 1 所示，在过渡过程中，尾水隧洞的流量由两部分组成：流过水轮机 的流量( h 和尾水调压井供给的流量q i ，因而， q o = q a + q h ( 2 - 2 1 ) 仍采用前一节的规定：q i 以流出调压井为“+ ”；q ! i i 以流向b 点为。+ ”；q o 以流向b 点为“一”；尾水调压井以下游水位为基准， 于下游水位为“一”，于是： q i = - r 鲁 或：鲁一鲁 高出下游水位为。+ ”，低 2 ，2 2 大波动过渡过程中的压：f j 平衡万程 对图2 - i 所示系统，列b 点至下游的平衡方程； 孚+ 若+ 磊= 老+ 善+ 乙+ 免玩l q o i + 言警f 口妄 q - 2 4 ， 将( 2 - 5 ) 式代入上式，并略去恢复水头和尾水调压井内惯性水头，经整理 化简得； ； ；1 d 出q op f 赛= ( z ，一乙) 一c q , i q , i 一先q g l q g l 考虑( 2 2 1 ) 式以及h 2 钇一z f 并以当量的等断面面积代替尾水隧洞的断面 积，则上式变为： 警；粤( 嘞q g i q g l 一点啪p 一警 ( 2 - 2 5 ) 讲 厶 “ 以上( 2 - 2 ) 式，( 2 - 2 3 ) 式和( 2 2 5 ) 式为计算尾水调压井水面波动的基本 方程式。但是，上述三式必须同机组大波动过渡过程各动态参数的解析表达式联 合才可以求解。 ) ” 彩 m q ( 第三章带尾水调压井的电站动态过程计算 目前，水轮机装置过渡过程广泛采用的电子计算机数值计算方法大体可分为 两类：第一类，以水轮机模型静态全特性或完整综合特性曲线为基础和边界条件 的传统的外特性数值解法，这种计算方法存在着两方面难以克服的缺点，一，对 缺乏水轮机模型完整的综合特性曲线或全特性曲线时，难以进行计算，二、由于 这种计算方法所依赖的这些曲线是静态的，模型的，同原型动态特性存在着差别， 因而计算结果难以精确；第二类，以水轮机内特性解析为基础的数值解法，这种 计算方法经过近年来的日益完善，已经成为具有严密完善的理论基础，丰富的计 算方法，计算简单方便，准确度较高，适用范围广和不依赖于水轮机完整综合特 性的成熟方法。本文第二章提出的带尾水调压井的电站大波动过渡过程基本方 程，就是建立在刚性理论基础上内特性解析的一种数值解法。 水力发电机组大波动过渡过程的各动态工况参数的计算，是否应计入调压井 水位波动的影响，一些专家和工程技术人员曾对此有不同的看法。本章将通过详 细的计算来对此加以说明 3 1 带尾水调压井的电站大波动过渡过程数值计算 3 1 。1 大波动过渡过程计算的数学模型 根据( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 2 3 ) 、 和( 2 - 2 5 ) 以及文献 1 0 1 1 1 1 1 ，写出大波动过渡过程数学模型如下： 譬= 譬一学2 2 + 告 警= 譬如龟q 。l q g l 一倒娜一警 堕；一盟 d tf t 1 4 ( 5 1 ) ( 5 2 ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) 吼哼+ 墨警 ，1 ，= 二：! 二 畿+ 鼍嗽2 而口只 = 嘞o + g ) 1 7 2 铲吨鼍t , j 百d o s + 瓮 w i i = ( 1 + 善) 万= 即) 一磊白譬 l 争= 争+ 乩+ 如+ 彘：鳊训一蠡q 训一番+ 击譬 睁= 以+ 如+ 争一器一磊q j l q j i 一! g 堕# tj f b 堕f , ( 5 5 ) ( 5 6 ) ( 5 7 ) ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 一1 1 ) ( 5 - 1 2 ) i i 。，f l 广水轮机静态效率和初始静态效率5 w c 广胡组初始静态角速度： 6 机组转速上升相对值，由( 2 - 2 ) 式求解； r 2 、e 2 、82 转轮中阅流面在叶片出口边处的半径，过水断面与水流角； 其余符号参见第二章。 上述1 2 个方程中共有q o 、q l 、q ! l i 、q 。、w e 、6p 、；l 、w h 、6 、p a 、p 2 等1 2 个未知数。在给定导叶动作规律a = a ( t ) 的条件下，用上述方程组联立求解， 便可得到过渡过程中1 2 个参数的瞬变规律 3 1 2 大波动过渡过程计算的计算步骤及计算框图 l 、输入原始数据： 1 ) 电站参数：引水管道，尾水管及加长段和隧洞的长度，断面积与阴抗系 数；尾水调压井工作面积和阻抗系数；上、下游高程、机组安装高程、尾水调压 井底部高程等 2 ) 机组原始参数；水轮机各通流元件几何参数，机组转动部分惯量，水化 机最高效率和最优开度，空载流量和空载开度等。 3 ) 工况参数：水轮机初始工况的静态水头、流量、转数、功率、初始开度 等。 2 、输入导叶动作规律：a o ( 耳) 3 、根据( 3 9 ) 计算水轮机动态角速度w h ，并确定转速上升是否合适，如 不合适，回到第2 步。 。 4 、初算装置水头的平均上升p 1 0 1 。 旷要( 以+ 属面 5 、预算静态效率【1 0 】 n 一料2 缈考拦3 0 蛔、 l i n 严r i m a ( a y 一矿一b ( a y a ) 4 a - - m ( a y - a x ) 2 b - - ni iu ( a y - - a x ) 2 式中： q 圹一水轮机最优效率； 幻，a f - 水轮机最优开度和空载开度； m 、n - - - - - 系数，对于混流式水轮机m = o 1 铷3 5 ， n = o 8 5 0 6 5 ，玛大者取大值。 6 、按( 3 - 5 ) 式计算水轮机静态流量。 7 、计算静态轴端力矩 1 0 l ”l v l c - ；r 坼 l 互c t 西y c t + i r 2 c t y p 2 ) q o 一】 8 、修正静态效率 亿= r h 。q c m y 。 如果吲 。进行一下黼碱令 i i 尹ai i c + ( 1 - 2 ) 珑 并返回第6 步 1 6 如果 9 、由式( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 和( 3 7 ) 计算：q 小q i 、h 2 、；p ， 。进行下一步计算。否则，返第5 步。 l o 、由式( 3 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) 和( 3 - 1 2 ) 计算；i 、p 8 、p l 1 l 、输入计算结果，计算完毕 上述计算步骤详见计算框图。 根据( 3 1 ) 至( 3 1 2 ) 式和计算步序，至1 1 ，采用f o r - t r a n t i 计算机语 言，在1 b m - p c 及其兼容机上进行数值计算，绘制计算框图如图3 - 1 所示。 3 2 大波动过渡过程数值计算结果与试验结果的比较 3 2 1 尾水调压井水位波动的 t 较 求解尾水调压井水位波动的真实规律是本文研究的重点。利用本文提供的数 学模型和计算方法对镜泊湖水电站新厂突增负荷和突减负荷进行了模拟计算，并 与现场试验的结果作了比较。图3 - 2 和图3 - 3 分别示出了这两种情况下的计算值 和现场试验值。图中为实测曲线，一一一为计算曲线。由图中可见尾水调压井 的水位波动计算有足够的准确度。 3 2 2 机组动态工况参数的比较 基于内特性解析的数值计算方法求解大波动过渡过程的机组动态工况参数 的准确性，已经被若干次现场试验和工程实践反复证明了。本文在运用这种方法 求解尾水调压井动态水位波动规律的同时，也计算了机组的动态工况参数。需要 特别指出的是，由于本文的研究重点在于求解尾水调压井的水位波动规律，因而， 仅对照现场试验计算了两个主要机组动态工况参数，即蜗壳进口压力和尾水管压 力。表3 1 示出了与图3 2 和图3 3 对应的突减、突增负荷蜗壳进口压力的计算 值与试验值。两者比较可见计算结果与试验结果相当接近。 表3 - 1 镜泊湖新厂蜗壳进口压力实测值与计算值 单机增5 0 负荷单机突减满负荷 实测值计算值实测值计算值 5 2 8 1 k g e m 2 )5 2 4 ( k g e m 2 )5 6 5 ( k g e m 2 )5 6 2 s ( k g t a m 2 ) 1 7 图3 - i 大波动过度过程计算框图 9 3 口 h 阳 9 ，0 8 9 d 8 7 0 8 5 d 警 e 、 o _ _ 一 ，j 、 拿 k ， 。、， o ， 也 d 01 2 0 02 4 0 03 6 0 04 8 0 06 0 0 07 2 0 0 图3 - 2 镜泊湖电站新厂尾水调压井水位波动 9 6 0 捌讯， 9 4 d 9 2 d 9 d 0 8 8 d 一 多 0 j l， ，- i ， 兮 夕 ， v ， 蕾 _ _ 一 t ( s ) d 01 2 0 02 4 0 03 6 0 0 4 8 0 0 6 0 0 07 2 0 0 图3 3 镜泊湖电站新厂单机增5 0 负荷尾水调压井水位波动 3 3 尾水调压井的水位波动对机组动态参数的影响 3 3 1 不考试尾水调压井水位波动时的影响 不考试尾水调压并水位波动，带尾水调压井的电站大波动过渡过程内特性解 法的数学模型与常规电站相同，根据文献【1 0 】可以写出： 警一嚣u 一皆2 】 盼莓吝 磊一以白警 轰= t 蠹譬 争= 孚+ 见+ 彘z 鳊珐l + 万l 2i d q 一研q h 2 tt镯，m霸二 式中符号与( 3 1 ) 式至( 3 1 2 ) 式中符号相同。 ( 5 - 1 3 ) ( 5 1 4 ) ( 5 一t s ) ( 5 一1 6 ) ( 5 - 1 7 ) ( 5 1 8 ) ( 5 1 9 ) 3 3 2 尾水调压并的水位波动对机组动能参数的影响 ( 3 1 3 ) 式至( 3 1 9 ) 式计算步序和计算框图与( 3 - 1 ) 式至( 3 - 1 2 ) 式的一 样图3 _ 4 a ，图3 4 b 和图3 4 c 示出了国家“十一五”重点建设项目大朝山水电 站带尾水调压井的水力机组，在三种不同的导叶关闭规律下甩负荷过渡过程，采 用两种计算方法所得的结果。其中，图a 为一段直线关闭，关闭时间8 ”；图b 为两段关闭，t s l = b ”，t a = 1 0 ”，拐点位置k - - - - 6 0 , 图c 为三段关闭，1 , 1 - - 3 ”， t | 酃”，t , z = 1 8 ”，拐点位置k 1 = 7 5 ，k 2 = 3 5 。从图中可以看出，即使总达2 3 秒的第三种情况，两种方法所得曲线也是重合的，这说明由于尾水调压井的水位 波动周期比水轮机过渡过程的全部时间要长得多，尾水调压井水位波动值在t 时间内甚小，对机组大波动过渡过程各动态参数的反向影响可以忽略不计 4 0 0 0 0 3 0 仉口口 2 d o 口口 i d o d 口 n o d d 4 d 0 0 2 0 o o o 玑o 口 图3 4 a 尾水调压井水位波动对机组动态工况参数的影响 图3 - 4 b 尾水调压井水位波动对机组动态工况参数的影响 4 d 0 0 0 d o o 0 8 纠巾 口 口 嘶 舢 舢 伽 仇 口 心 饥 孤 图3 4 c 尾水调压井水位波动对机组动态工况参数的影响 砂咖 一 伽 仇 硇 跏 弛 们 第四章本项研究的工程实践试算 科学研究的成果同生产实践楣结合是一切科学研究工作的根本宗旨，是所有 科学技术工作者追求的目标。降低带长尾水隧洞的电站尾水调压井工作断面面积 的研究成果在工程实践中的实施应用是从事这项研究的初衷。下面将针对大朝山 水电站降低尾水调压井工作面积的研究成果，做一简要介绍 4 1 大朝山水电站概况 大朝山水电站位于云南省境内的澜沧江流域，总装机6 x 2 1 万千瓦，定于九 三年开工，九八年两台机组发电，2 0 0 0 年建成。电站的主要特点是： 1 、电站地处高地震烈度区，地质条件为活断层结构； 2 、地下厂房，首部开发的引水式电站，具有长达1 3 1 4 米的尾水隧洞。初设 时确定设置两座尾水调压井，每三台机共用一座。尾水调压井的尺寸为：长1 0 5 米，宽2 0 米，高8 3 3 6 米，工作断面积为2 1 0 0 平方米，挖方运1 7 5 万立方米。 3 、尾水位变幅较大，最高尾水位和最低尾水位之差达3 3 米。 4 、电站总装置容量1 2 6 万k w ，承担工作容量9 5 至1 2 0 万k w ，在负荷图上 工作位置基本处于腰荷。水库为季调节水库。 4 。2 大朝山水电站尾水调压井工作断面的确定 用水力装置基于内特性解析的数值计算方法求解尾水调压井的水位在大波 动过渡过程中的波动规律是本文的重点。本文第二章提出的尾水调压井水位流动 基本议程，其正确性和计算结果的准确性已被现场试验的结果所证实因此，采 用本文所提出的计算方法求得的大朝山电站尾水调压井水位波动规律是可靠的 大朝山电站的电气主结线型式为：低压则为发展机高压器单元结线；高 压测为双母线分段结线，第两台机一段。图6 - l 为其主结线示意图，其中1 ，矿， 3 0 机组共同一个尾水调压井，矿，5 4 ，6 。机组共用一个尾水调压井。从图中可以 看出，结线方式上已避免了一个尾水调压井内三台相同时甩负荷的可能。此外， 如果对换一下1 ( 或2 ) 机组与5 0 ( 或) 机组的防置，甚至可以从主结线型 式上避免一个尾水调压井内同时两台机甩负荷的可能性 图6 - 2 所示了当尾水调压井面积为原设计方案的一半，即f i = 1 0 5 0 m 2 f 游水 位为最高尾水位( 8 4 1 8 m ) 时，一台机组在8 ”；捌点位置k l - - 8 0 ，k 2 = 6 0 的 导叶关闭方式甩满负荷，尾永调压井水位波动情况。图中为增负荷尾水调压井水 位波动曲线，为两台机甩负荷水调压井水位波动曲线，其第三个波峰为调压井中 水位波动的上限，为8 4 8 3 米。 图6 3 示出了f t = 1 0 5 0 m 2 ，下游水位为最低尾水位8 0 8 6 5 米时，一台机和两 5 0 0 k v 输电线 l # 硝3 #辅甜甜 图4 1 大朝山电站电气主结线示意图 ， 台机以t l i - - - 4 ”；t a = 8 ”：k - - 7 0 的导叶关闭方式甩负荷，尾水谳压井水位波动 规律。图中，为一台机甩负荷尾水调压井水位波动曲线，为两台机甩负荷尾水调 压井水位波动曲线，其第一个波峰为尾水调压井涌浪的下限，其值为海拔高程 8 0 0 6 米。 大朝山电站尾水隧洞项板的高程为7 8 9 9 米，调压井的最高工作高程为 8 6 7 2 4 米。因此，采用本文提出的计算方法后，即使将原设计方案的尾水调压进 断面积减小一半，也可以使得尾水调压井的最低涌浪高于尾水隧洞顶板l 米以 上，从而保证甩负荷过渡过程中尾水隧洞内不会掺入气体，尾水调压井的最高涌 浪比原设计方案的最高工作高程低1 8 9 4 米 表6 - 1 还列出了t 1 1 = 3 ”；t 2 f f i 8 ”；t s 3 = 8 ”：k z = 8 0 + k 2 = 6 0 和t - i = 4 ”； t + 2 = 8 ”；k f f i 7 0 两种关闭方式下机组的动态参数最大值，可以看出这些数值均 在规范允许的范围内应当指出，寻求最佳的控制方式不是本文讨论的重点，因 ，一、 ， 、 ； 、 ， 一 0 0 0 2 0 0 04 0 , 0 0 蚰n nr n n nl ，n 加柚，l nt 舫肌 图4 - 2 大朝山电站最低尾水位8 4 1 8 米时，一台机和 两台机甩负荷尾水调压井水位波动 k k么 ， 、 ， - 夕 、一 口0 02 0 加4 0 0 06 口o o8 0 o o ，口o r 0 01 2 0 0 0f 4 0 0 01 6 0 0 0 图4 3 大朝山电站最低尾水位8 0 8 6 5 米时，一台机和 两台机甩负荷尾水调压井水位波动 此，上述关闭方式可能并非大朝山电站机组的最优导叶关闭方式，各动态工况参 数敢并非最佳数值。 表4 - if 严1 0 5 0 i n 不同关闭方式下过渡过程计算结果 淤 蜗壳压力上升( )尾水管压力( m )转速上升 导叶关闭方式 两段关闭3 0 91 2 14 9 9 三段关闭 2 9 41 3 14 6 5 4 3 本文研究成果推广应用的技术经济评价 鲡本章第一节所述，大朝山电站地处地震烈度区，地质条件为活断层，若开 挖原设计方案那样巨大的地下洞室必然会构成施工的技术困难，大口延缓施工 期，最终影响电站的建设进程，而由此导致的追加投资和浪费可能会远远大于挖 调压井本身的投资。 我国水电建设长期一贯的指导方针是，降低工程造价，缩短建设周期。随着 我国水力资源的进一步开发，投资省、施工便利的水电建设项目将逐渐减少。国 家已确定把西南建设成为我国的能源、原材料基地。乌江梯级开发，红水河梯级 开发，澜沧江梯级开发的及长江上游的金沙江开发已经相继开工。众所周知，西 南地区水力资源的蕴藏量和可开始量均居全国首位，分别达创4 9 亿k w 和2 5 亿k w ，各占全国的7 2 6 7 1 2 但是西南多为山区，尤其上述江河的流域两 岸大都是陡峭的高山，电站的布置常采用具有很长有压隧洞的岸边引水式。因此， 许多电站不得不设置调压井，其中有些需要设置下游调压井，例如，乌江梯级开 发中的洪家渡电站，位于红水河的我国装机容量最大的电站龙滩电站，大朝山下 游的小湾电站，金沙江上的二滩电站等等。这些都是装机容量在1 0 0 万k w 至5 0 0 万k w 以上的国家重点建设项目。它们的建成投产将对我国国民经济建设起到不 可估量的巨大促进作用。然而，西南地区为典型的岩溶山区，有的电站的地质条 件甚至比大朝山皂站更为恶劣。因而，在地下开挖巨大的尾水调压井的旌工技术 困难已成影响到某些电站能否上马的关键因素。寻求一条安全可靠、科学合理地 减少尾水调压井尺寸的途径已成为水电建设实践中急待解决的关键问题。本文的 研究便是针对这种情况提出并结合大朝山电站的工程实际开展的。 抽水蓄能电站是今后相当长的时期内，我国电力建设的另一个重点。由于抽 水蓄能电站水泵工况的特殊要求，抽水蓄能电站通常采用地下式厂房，一旦需要 设置调压井，构成的旅工技术难题同上述常规电站一样因此，本文的研究成果 对“十一五”间期将要兴建的大批世型抽水蓄能电站也同样具有十分重要的意义。 上游调压并的工作原理与尾水调压并大致相同。随着研究工作的深入进行， 不难在本文的基础上建立起真实反映上游调压井的动态过程的基本方程和精确 求解这一动态过程的计算方法。从而，更进一步地促进我国水电事业的大力发展。 本章第二节的计算表明，大朝山电站尾水调压井的工作面积由积原设计方案 的2 1 0 0 米2 减小一半到1 0 5 0 米2 ，仍能保证机组的安全运行尾水调压井的面 积减小一