向家壩水電站尾水隧洞調(diào)壓室設(shè)置方案的可行性分析

向家壩水電站尾水隧洞調(diào)壓室設(shè)置方案的可行性分析

1地下水主發(fā)酵系統(tǒng)家水庫(kù)水庫(kù)是金沙江下游水庫(kù)的最后一個(gè)級(jí)電站。主要用于發(fā)電，同時(shí)兼有運(yùn)輸、灌溉、防洪、儲(chǔ)沙、階級(jí)反調(diào)節(jié)等綜合利用作用。樞紐建筑物包括:河床中部的泄洪建筑物,河床左岸的通航建筑物,左側(cè)的壩后廠房和右岸的地下廠房。兩岸廠房各安裝4臺(tái)750MW的水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量6000MW。向家壩水庫(kù)為季調(diào)節(jié)水庫(kù),由于流域內(nèi)年徑流分布季節(jié)性規(guī)律明顯,汛期和枯水期電站運(yùn)行時(shí),下游尾水位相差大(水位變幅達(dá)26.41m),而在汛期或枯水期期間,尾水位相對(duì)右岸地下廠房引水系統(tǒng)上游采用單機(jī)單管,下游尾水系統(tǒng)采用兩機(jī)一洞的布置形式,并比較了設(shè)尾水調(diào)壓室的有壓尾水洞及明流洞和不設(shè)尾水調(diào)壓室的變頂高尾水洞三種方案。圖1為兩機(jī)合一變頂高尾水隧洞方案布置示意圖,考慮到變頂高尾水洞水流流態(tài)的復(fù)雜性,除進(jìn)行包含引水系統(tǒng)、機(jī)組、調(diào)速器在內(nèi)的整體模型試驗(yàn)外,還對(duì)水力一機(jī)械、調(diào)速系統(tǒng)采用了數(shù)字仿真計(jì)算,對(duì)大、小波動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析、研究。2求解方程范圍采用數(shù)字仿真程序計(jì)算,是將電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)(包括引水系統(tǒng)、機(jī)組、調(diào)速器和尾水系統(tǒng)作為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體,包括4組引水管路、機(jī)組、調(diào)速器、尾水管及延長(zhǎng)段、尾水閘門、尾水支洞、2組變頂高尾水洞和1組尾水明渠)聯(lián)合進(jìn)行數(shù)字仿真編程。各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型要點(diǎn)如下:(1)有壓管道(隧洞)。采用特征線法計(jì)算,即將如下偏微分運(yùn)動(dòng)方程(1)和連續(xù)方程(2)轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算機(jī)求解的分別適用于管道上、下端面和中間各斷面的正、負(fù)特征線方程(3)、(4)、(5)式中,Q為相應(yīng)流道的流量;H為測(cè)壓管水頭;D為管徑;A為斷面積;a為水擊波速;f為摩擦系數(shù);g為重力加速度;腳標(biāo)P代表當(dāng)前時(shí)段值。Cp、Ca、Cm為與時(shí)段有關(guān)的值,并與Q、H、A等有關(guān)。(2)變頂高尾水隧洞。洞內(nèi)的明滿交替流用Preissmann虛擬狹縫法,隱式差分格式求解圣維南方程。各斷面的方程加上上、下游邊界條件,對(duì)于一個(gè)系統(tǒng),這些方程可以用矩陣表示式中,A為系數(shù)矩陣,X為未知數(shù)各斷面流量Qp和水深Yp組成的列向量;b為各方程右邊的常數(shù)組成的列向量,用列主元消去法,求解上述矩陣。(3)閘門井。將上、下端特征線方程代入閘門井結(jié)點(diǎn)連續(xù)方程,用龍格庫(kù)它法求解微分方程。(4)機(jī)組。將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型特性曲線以數(shù)組形式蓄存,用線性插值求當(dāng)前工作點(diǎn)的水輪機(jī)特性,與上、下端面特征線方程、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性方程、水輪機(jī)能量方程等聯(lián)立求解。(5)調(diào)速器。用龍格庫(kù)它法求調(diào)速器的調(diào)節(jié)微分方程組。3仿真結(jié)果分析(1)兩臺(tái)機(jī)共用一變頂高尾水隧洞的布置(以下簡(jiǎn)稱“變頂高尾水隧洞”),能滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。即滿足蝸殼進(jìn)口斷面最大壓力上升值Hmax≤160m水頭,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率βmax≤52%,尾水管進(jìn)口斷面最大真空度HDmax≤7.5m水頭的設(shè)計(jì)要求(1號(hào)機(jī):Hmax=157.96m,βmax=49.49%,HDmax=4.629m水頭,2號(hào)機(jī)HDmax=5.689m水頭)。(2)尾水閘門井最高涌浪水位時(shí)未出現(xiàn)溢流,最低涌浪水位時(shí),未出現(xiàn)“露底”(尾水閘門井頂高程299.00m,1號(hào)機(jī)閘門井最高涌浪水位297.63m;尾水閘門井底板高程249.62m,1號(hào)最低涌浪水位262.63m)。(3)各機(jī)組水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw≤2.95s,(LV值計(jì)算至尾水閘門處)機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=9.24s(GD2=450000t·m2),滿足《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》規(guī)定的“工作條件”,即對(duì)于PID型調(diào)速器Tw不大于4s,Tw/Ta不大于0.4。仿真計(jì)算結(jié)果表明:空載擾動(dòng)、甩100%額定負(fù)荷至空載運(yùn)行、孤立運(yùn)行突然改變負(fù)荷等工況,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)均符合規(guī)范要求。(4)尾水閘門室在仿真模型中,等同于一個(gè)小斷面的尾水調(diào)壓室,無(wú)疑它不可能滿足“托馬”穩(wěn)定斷面面積的要求,但由于其波動(dòng)周期,已接近于有壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù),調(diào)速器對(duì)尾水閘門井的波動(dòng)過(guò)程有一定調(diào)控能力,因此即使在機(jī)組帶純電阻負(fù)荷孤立運(yùn)行的假定下進(jìn)行小波動(dòng)或水力干擾計(jì)算,閘門井的水位波動(dòng)處于緩慢收斂或臨界振蕩狀態(tài)。但電站實(shí)際投入大網(wǎng)運(yùn)行時(shí),考慮電網(wǎng)負(fù)載特性系數(shù)eb>0以及附加的負(fù)載慣性后,閘門井能穩(wěn)定運(yùn)行。(5)一臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷對(duì)同一尾水隧洞的另一臺(tái)正常運(yùn)行機(jī)組的干擾要大于小波動(dòng)工況下的擾動(dòng)量,但調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠最終使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。由于向家壩水電站機(jī)組最可能的運(yùn)行方式是:空載下轉(zhuǎn)速控制,并網(wǎng)后自動(dòng)切換到功率控制,因此水力干擾不會(huì)直接對(duì)正常運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速形成干擾,投入電網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組,無(wú)論是在轉(zhuǎn)速控制方式下或功率控制方式下,其轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率,水力干擾主要表現(xiàn)為出力振蕩。仿真結(jié)果表明:出力振蕩振幅<10%額定出力,不會(huì)引起發(fā)電機(jī)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作,而且出力振蕩會(huì)很快收斂。(6)變頂高尾水隧洞在下游水位處于隧洞出口洞頂高程以下時(shí),若發(fā)生負(fù)荷較大變動(dòng),將在尾水隧洞內(nèi)產(chǎn)生明滿交替流現(xiàn)象,明滿流交界面將沿上、下游方向來(lái)回振蕩,在振蕩過(guò)程中,未見(jiàn)夾氣現(xiàn)象,即沒(méi)有氣囊發(fā)生。圖2為下游水位大體等于尾水洞中部洞頂高程時(shí),2臺(tái)機(jī)甩額定負(fù)荷工況下(8臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)下游水位273.15m,上