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)家水庫水庫是金沙江下游水庫的最后一個級電站。主要用于發(fā)電，同時兼有運輸、灌溉、防洪、儲沙、階級反調(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750MW的水輪發(fā)電機組,總裝機容量6000MW。向家壩水庫為季調(diào)節(jié)水庫,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行時,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,尾水位相對右岸地下廠房引水系統(tǒng)上游采用單機單管,下游尾水系統(tǒng)采用兩機一洞的布置形式,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)、機組、調(diào)速器在內(nèi)的整體模型試驗外,還對水力一機械、調(diào)速系統(tǒng)采用了數(shù)字仿真計算,對大、小波動過程進(jìn)行了分析、研究。2求解方程范圍采用數(shù)字仿真程序計算,是將電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)(包括引水系統(tǒng)、機組、調(diào)速器和尾水系統(tǒng)作為一個相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體,包括4組引水管路、機組、調(diào)速器、尾水管及延長段、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)模型要點如下:(1)有壓管道(隧洞)。采用特征線法計算,即將如下偏微分運動方程(1)和連續(xù)方程(2)轉(zhuǎn)化為便于計算機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)前時段值。Cp、Ca、Cm為與時段有關(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,對于一個系統(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)點連續(xù)方程,用龍格庫它法求解微分方程。(4)機組。將水輪機轉(zhuǎn)輪模型特性曲線以數(shù)組形式蓄存,用線性插值求當(dāng)前工作點的水輪機特性,與上、下端面特征線方程、機組轉(zhuǎn)動慣性方程、水輪機能量方程等聯(lián)立求解。(5)調(diào)速器。用龍格庫它法求調(diào)速器的調(diào)節(jié)微分方程組。3仿真結(jié)果分析(1)兩臺機共用一變頂高尾水隧洞的布置(以下簡稱“變頂高尾水隧洞”),能滿足調(diào)節(jié)保證計算要求。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)計要求(1號機:Hmax=157.96m,βmax=49.49%,HDmax=4.629m水頭,2號機HDmax=5.689m水頭)。(2)尾水閘門井最高涌浪水位時未出現(xiàn)溢流,最低涌浪水位時,未出現(xiàn)“露底”(尾水閘門井頂高程299.00m,1號機閘門井最高涌浪水位297.63m;尾水閘門井底板高程249.62m,1號最低涌浪水位262.63m)。(3)各機組水流慣性時間常數(shù)Tw≤2.95s,(LV值計算至尾水閘門處)機組慣性時間常數(shù)Ta=9.24s(GD2=450000t·m2),滿足《水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》規(guī)定的“工作條件”,即對于PID型調(diào)速器Tw不大于4s,Tw/Ta不大于0.4。仿真計算結(jié)果表明:空載擾動、甩100%額定負(fù)荷至空載運行、孤立運行突然改變負(fù)荷等工況,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)均符合規(guī)范要求。(4)尾水閘門室在仿真模型中,等同于一個小斷面的尾水調(diào)壓室,無疑它不可能滿足“托馬”穩(wěn)定斷面面積的要求,但由于其波動周期,已接近于有壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的時間常數(shù),調(diào)速器對尾水閘門井的波動過程有一定調(diào)控能力,因此即使在機組帶純電阻負(fù)荷孤立運行的假定下進(jìn)行小波動或水力干擾計算,閘門井的水位波動處于緩慢收斂或臨界振蕩狀態(tài)。但電站實際投入大網(wǎng)運行時,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)定運行。(5)一臺機甩負(fù)荷對同一尾水隧洞的另一臺正常運行機組的干擾要大于小波動工況下的擾動量,但調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠最終使機組穩(wěn)定運行。由于向家壩水電站機組最可能的運行方式是:空載下轉(zhuǎn)速控制,并網(wǎng)后自動切換到功率控制,因此水力干擾不會直接對正常運行機組的轉(zhuǎn)速形成干擾,投入電網(wǎng)運行的機組,無論是在轉(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,不會引起發(fā)電機過電流保護(hù)動作,而且出力振蕩會很快收斂。(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,若發(fā)生負(fù)荷較大變動,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、下游方向來回振蕩,在振蕩過程中,未見夾氣現(xiàn)象,即沒有氣囊發(fā)生。圖2為下游水位大體等于尾水洞中部洞頂高程時,2臺機甩額定負(fù)荷工況下(8臺機運行時下游水位273.15m,上