第6期总第148期 浙江水利科技 No.6 Total No.148 2006年11月 Zhejiang Hydroteclufics November 2oo6 宝泉抽水蓄能电站输水系统取消尾水调压室研究 张伟 ,张健 (1.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭 I"1 310014; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京210098) 摘要:为给河南宝泉抽水蓄能电站输水系统是否可取消尾水调压室提供设计依据,对其输水系统和机组 进行了研究。根据国内规范和国外经验对是否设置尾水调压室进行了初步判断,并进行仿真计算。研究结果表 明,在尾水隧洞洞径由6.5 m扩大到8.2 m的基础上,可以取消尾水调压室。上述研究成果已作为取消尾水调压 室的重要依据经有关部门审查通过并作为设计优化应用于该工程。 关键词:抽水蓄能电站;输水系统;尾水调压室;研究 中圈分类号:TV743 文献标识码:B 文章编号:1008.701X(2006)06,0O24.04 1工程概况 下库设计洪水位(P=1%)264.72 m,正常蓄水位260.00 m。死水位220.00 m。输水系统1井水力单元简图如图1。 河南宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁镇大王 庙以上2.4 krn的峪河上,距新乡市45 k『n,距焦作市约 2研究内容的提出 30 krn,距郑州市直线距离约8O l(m。该电站设计安装4台单 该工程可研阶段输水系统设置了上游调压室和尾水调 机容量为300 MW的可逆式水泵水轮机组,总装机容量 压室(见图2)。相应引水、尾水隧洞洞径均为6.5 m。可研 1 200 MW。工程枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房、 补充阶段对宝泉输水系统设计进行了进一步研究。根据 下水库、地面开关站等建筑物组成。 《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058--1996)n 调压室的设 输水系统和厂房洞室群均位于地下,地下厂房采用中 置条件,计算得压力引水道水流惯性时间常数Tw I.5 s< 部开发方式。哈水系统全长约2 380 m。共分2个水力单元, [Tw](2~4 s)。根据初步掌握的机组资料,计算得机组加 每个水力单元的机组上游侧为“一洞两机”形式输水,机 速时间常数(Ta≥8.5,根据规范中“Tw、Ta与凋速性能关 组下游侧为“两机一洞”形式输水,引水道长(平均)约 系图”可知机组处于调速性能好的区域。因此,根据(Tw 1 448 m,尾水道长(平均)约892 m。输水系统主要建筑物 <[Tw]和机组调速性能,并参考类似已建工程设计、运 ~塑 为:上水库进/出水口及闸门井、引水上平洞、引水上斜 行经验,取消了输水系统上游调压室,但仍保留尾水调压 井、引水中平洞、引水下斜井、引水下平洞、引水岔管、 室,相应引水、尾水隧洞洞径仍为6.5 m。可研补充阶段输 引水高压支管、尾水支管、尾水岔管、尾水隧洞、下水库 水系统布置见图3。 进/出水71及闸门井。引水隧洞洞径6.5 rn,引水支管管径 3.5 m,尾水支管管径4.4 Ill,尾水隧洞洞径8.2 m。电站发 电最大净水头为567.1 m,抽水最大扬程为573.9 m,额定 水头510 m,水轮机额定流量67.56 /s,水泵最大流量 58.13 /s。水库特征水位如下:上库设计洪水位(P= 1%)790.35 m,正常蓄水位789.60 m,死水位758.00 m; 图2可研阶段1#水力单元输水系统布置图 ? 单元输水系统布置示意图 圈3可研补充阶段1#水力单元输水系统布置圈 收稿日期:2006.08—05 作者简介:张伟(1972一),男,高级工程师,大学本科, 根据凋整后的输水系统经布置(见图3)。采用类似水 主要从事水利水电工程设汁。 头和转速有关工程的全特性曲线,进行了各种可能工况的 -24・ 一 参 维普资讯 http://www.cqvip.com
水力过渡过程计算。计算结果表明,在各种最不利工况下, 尾水管进口最小压力38.83 m。可见在设置尾水调压室的情 况下,尾水管最小压力有较大的裕度,宝泉工程有取消尾 水调压室的可能性。 尾水调压室的主要作用是限制水击波进入压力尾水道, 减小尾水管水击压力,改善机组运行条件及供电质量。输 水系统是否设置尾水词压室,主要由以下两方面决定:① 尾水管进口最大真空度要求;②机组正常运行的稳定性要 求。对于第①条要求,可通过初步判断以及输水系统确保 计算加以验证。对于第②条要求,属于小波动范畴,主要 取决于调速器本身性能。如果第①条满足,可通过改进转 轮设计、合理整定调速器参数等措施来满足正常运行的稳 定性要求,从而达到取消尾水调压室的目的。 对于抽水蓄能电站,考虑水泵运行工况,其安装高程 较常规水电站低很多,而且一般水头较高,客观上具有取 消尾水调压室的条件。目前国际工程界正在探索高水头抽 水蓄能电站长尾水隧洞取消调压井的可能性,并进行试验 研究。调压室规范中举出国内外长压力尾水道抽水蓄能电 站下设下游调压室的工程实例,如日本奥美浓电站,尾水 道长度764 m,因吸出高度日.为一79.5 m,未设尾水调压 室。宝泉抽水蓄能电站水轮机最大吸出高度 为一70 m, 尾水道长度近900 m,具有取消尾水调压室的条件,但国内 外目前还未有在这个长度区段取消尾水调压室的先例,且 可研补充阶段进行较精确的过渡过程计算缺乏基本资料 (包括机组全特性曲线等)的支持。尾水调压室的取消需要 科学、谨慎、客观、详细的研究。因此。将尾水调压室取 消的研究工作推后到招标阶段进行。 3尾水调压室设置初步判断 3.1 国内规范 根据中华人民共和国电力行业标准《水电站调压室设 计规范》(DL/T 5058--1996),设置下游调压室的条件,以 尾水管内不产生液柱分离为前提,其必要性可按下式作初 步判断: > (s一 一鲁一 ㈩ 式中: 为压力尾水道实际长度(ITI); 为水轮机 导叶关I ̄H,-j间(s);v,o为稳定运行时压力尾水道中流速 (m/s); 为水轮机转轮后尾水管入口处的流速(m/s); 日 为吸出高度(ITI); 为机组安装高程(ITI)。 压力尾水道实际长度L =892 ITI。公式中的参数, , 和尾水管进口直径相对固定,导叶的关闭时间 。参考 国内已建成的抽蓄电站导叶关闭时间取低值15 s,尾水隧 洞直径的改变对 影响较大,对公式右侧结果影响较大。 尾水隧洞直径分别选择6.5,7.O。7.5,8.O,8.2,8.5 m, 取相应的流速 分别代人式(1)中进行敏感性计算,结 果见表1。 总第148期・浙江水利利.技・2006年第6期 表1 尾水调压室设置初步判断表 I11 由表1可见,根据规范初步判断公式,在尾水隧洞洞 径为6.5 m的情况下尾水隧洞实际长度小于计算长度,就 可以不设尾水凋压室,如果尾水隧洞洞径加大,则不设尾 水调压室的安全性加大。 式(1)实际上是满足机电设计要求,即压力尾水道上 设置尾水调压室的条件,可按机组丢弃全部负荷时,尾水 管内最大真空度不大于0.08 MPa(即绝对压力大=F 0.02 MPa)的要求决定。抽水蓄能电站调压室的设置条件与常规 水电站设置条件相同,但由规范的条文说明可知,式(1) 主要是针对常规低水头电站尾水调压室设置条件而言的, 该类型水电站水锤一般为极限(末相)水锤,而对于抽水 蓄能电站,如按水头上划分,大部分均为高水头电站,按 照常规水锤理论,高水头电站水锤一般为首相水锤,而且 由于双向水流的存在,抽蓄电站水泵水轮机组的过流特性 远较常规水电站机组复杂,机组的“截流效应(转速变化 引起的水锤效应)”显著,其水锤既非极限水锤,也非首相 水锤。因此,式(1)只是一个较粗略的判别标准。 3.2国外经验 日本抽水蓄能电站总装机容量居世界首位(约25 100 MW),其在抽水蓄能领域有着丰富的经验。近年来,为了 减少土建工程量、降低工程投资,日本抽水蓄能工程界正在 探索高水头抽水蓄能电站长尾水隧洞取消尾水调压室的可能 性,并进行了相应的试验研究,提出了以下初步判断公式 : T :— (2) 式中: 为尾水隧洞时间参数(s);L为尾水隧洞长 度; 为尾水隧洞流速(m/s);Hs为吸出高度。日本根据 多座抽水蓄能电站的设计经验,认为T ≤4 s则可以不设 尾水调压室, >i6 s须设置尾水调压室,4<T <6需要 详细研究不设的可能性。选择不同尾水隧洞直径进行7 敏感性计算,结果见表2。 表2尾水调压室设置初步判断表 尾水隧洞洞径/n T s值/s 6.5 5.56 7.O 4.95 7.5 4.46 8.O 4.o6 8.2 3.91 8.5 3.72 ・ 25 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
总第148期・浙江水利科技-2006年第6期 由表2可见,在尾水隧洞洞径为6.5m的情况下已经具 备不设尾水调压室的条件,在尾水隧洞洞径为8 2 m的情 况下 =3。91 s<4 s,可以不设尾水调压室。 扰动下具有某种性能指标(最大水锤压力、最大转速上升、 尾水管进口最小内水 力等)受控的能力,这样的关闭规 律可以当作一种安全储备,因此,应采用一段直线关闭规 3.3初步判断 从国内规范公式和国外经验公式中得到以下初步结论: ①尾水隧洞直径不变(6.5 m)就已经具备取消尾水调压室 律。参考国内目前已建成抽蓄电站关闭时间(见表3),对 于宝泉电站可逆机组,由于其单机容量、工作水头与广蓄 二期接近,故参考广蓄二期电站,采用30 s一段直线关闭 规律。 的条件;②尾水隧洞直径扩大至8.2 m以上可以取消尾水 调压室。另外,从以上判断公式可以看出,尾水调压室是 否设置与尾水道流速,即尾水隧洞直径有较敏感的关系。 表3 国内已建成的抽蓄电站导叶关闭时间表 抽蓄电站名称 导叶芙 时间 /s 主要原因是随着尾水隧洞直径的加大,隧洞内流速逐渐减 小,隧洞内单位水体的动量减少,因而在同样的关闭规律 下的流量变化,流速变化梯度减小,水击压力减小,这与 一般的想象是吻合的,即假设尾水隧洞直径扩大至无限大, 隧洞段变为下水库,尾水凋压室自然可以取消。 上述均为初步判断,设置调压室的必要性,应在机组 调节保证计算和运行条件分析的基础上,考虑水电站在电 力系统中的作用、压力水道布置等因素,进行技术经济比 较后确定。因此,取消尾水调压室,需要进一步的水力一 机械过渡过程详细计算的论证。 4大波动过渡过程计算分析 4.1计算控制条件分析 宝泉抽水蓄能电站调保计算控制条件为:机组蜗壳进 口最大内水压力胁一≤8.1 lVIPa(设计静水压力6.4 MPa); 机组最大转速上升率卢 ≤5O%;尾水管进口最小内水压力 日 ≥O.0 MPa;输水道全线洞顶最小内水压力日 ≥O.02 M.Pa;尾水道最大内水压力玑一≤2.2 MPa。 考虑到宝泉抽蓄水头高,可逆机组双向水流以及压力 脉动、计算误差等方面因素,如果取消尾水调压室,必须 能够保证机组运行安全,且有一定裕量,故没有象常规水 电站一样要求尾水管进口最小内水压力大于O.08 MPa,而 是更加严格,要求尾水管进口最小内水压力不小 于0.0 MPa。 4.2大波动计算边界条件 招标阶段机组G 取值很难准确得到,参考类似工程 大致估计其范围,为安全计取G >/3 800 (技施阶段机 组实际G =4 050 ,广蓄二期机组单机容量300 IvIW, 与宝泉站相同,水头与流量与宝泉电站接近,其实际转动 惯量约为4 067.1 tmz)。 在电站事故停机时,导叶关闭规律对整个输水系统的 水锤压强、转速上升等影响较大,通过采用合理的关闭规 律降低水锤压力和限制机组转速升高,不需要额外增加机 组投资,是一种经济有效的措施。因此,选择合适的关闭 规律是凋保计算的主要内容。由于较为可靠的机组资料 (包括调速器性能、模型全特性曲线等)在技施阶段才能确 定,导叶关闭规律的优化(2、3段等)存在较大的不确定 性,因此招标阶段导叶关闭规律应尽可能简单,具有较好 的鲁棒性(强壮性),即导叶关闭规律在不确定参数变化的 ・ 26・ 广州抽水蔷能电站一删(1 200 Mw) 36 广州抽水替能l乜站二蝴(1 200ⅣIW) 3O 天黹坪抽水莆能电站 (1 800 Mw) 约2O Ⅲ卜 三陵抽水蓄能电站 (1 000 Mw) 25 机组转轮全特性曲线是过渡过程计算关键的基础资料。 可研阶段未能开展尾凋研究很大程度上囿于无适合的机组 全特性曲线。招标阶段VATECH公司提供了针对宝泉电站 参数的转轮金特性曲线及数据文件,使过渡过程计算有了 较扎实的基础。 4.3大波动计算分析 经过试算和计算经验,主要选择下列3种最危险的水 轮机工况列出计算分析成果,尾水隧洞直径选择7.0 m。 工况1:上库为最高水位,下库为最低水位,该工况虽 然流量不大,但水头最大,可能同时出现蜗壳进口最大压 力与尾水管进口最小压力2种控制工况。工况2:上下库均 为最高水位,该工况可能出现蜗壳进口最大压力的控制工 况。工况3:上下库均为最低水位,该工况可能出现尾水管 进口最小压力的控制工况。计算结果见表4和图4~9(纵 坐标为水头m,横坐标为时问s)。 表4 30 s一段直线关闭规律计算结果表 - -奁 20 25 3:O 35 dU 州 /s 图4工况1蜗壳进口压力变化过程线图 厂 一、 \ /\八 / 一 0 5 l 0 l5 20 时问/s 图5工况1尾水管进口压力变化过程线图 维普资讯 http://www.cqvip.com
: 厂、 、 ^ / \厂 \ 一 \\ / \/u \/ 0 5 1 0 l 5 20 2 5 0 3 5 40 时间/s 图6工况2蜗壳进口压力变化过程线图 2・0 1.5 重㈨ 奋 0 0 5 lo l5 20 25 30 35 40 时间/s 图7工况2尾水管进口压力变化过程线图 一 _、 /一\ .、 奁 /… / 厂V \/ .5.0 0 5 10 l 5 20 25 J;0 35 时问/s 图8工况3埚壳进口压力变化过程线 重 厂/ ,\ \ / \、/、/ 一\/,、√ 一 ’ 、一—、\./ \ 0 5 l0 15 20 25 时间/s 图9工况3尾水管进口压力变化过程线图 从表4和图4—9的计算结果看,不设置尾水调压室, 采用30 s一段直线关闭规律,计算结果可以满足设计要求。 但尾水管进口最小压力完全裕量还不够大,考虑到机组特 性等的不确定因素较多,应确保尾水管进口最小压力有足 够的安全裕量,因此,适当加大尾水隧洞直径是有益的。 图1O反映了在工况1的情况下尾水管进口最小压力和尾水 隧洞直径的关系计算结果。不难看出,加大尾水隧洞直径, 尾水管进口最小压力随之增大,当洞径加大到8 m以上, 尾水管进口最小压力已大于0.1/VlPa,安全裕量理论上可以 控制负压的存在。另外考虑实际运行中可对机组导叶关闭 规律优化,以及机组CD2值可能大于3 800tm=等有利因素, 因此,通过进一步加大尾水隧洞洞径取消尾调在技术上是 完全可行的。 ; . 0. 尾水洞涧径/m 图10尾水隧洞洞径对尾水管进口最小压力影响图 总第148期・浙江水利利.技・2006年第6期 综合初步判断结果,最终把尾水隧洞直径扩大为 8.2 n1,采用30 s一段直线导叶关闭规律。根据过渡过程计 算结果,机组蜗壳进口最大压力为768.3 131,尾水管进F-1最 小压力为14.4 m,最大转速上升值为692.9 r/rain(最大转 速上升38.6%),其它如输水道全线洞顶最小内水压力等均 满足设计控制要求。图11、12为工况1蜗壳和尾水管压力 变化过程线。 重 时问/s 图11 工况1蜗壳进口压力变化过程线圈 l 2 l 0 蓬 0.d 。2 0 0 5 1o l5 2o 25 3o 35 时问/s 图12工况1尾水管进口压力变化过程线图 考虑到机组关闭时间有小于30 s的可能,为此还进行 了洞径8.2 m情况下25 s和20 s一段直线关闭的敏感性计 算。计算结果表明控制值均满足设计要求,其中25 s一段 直线关闭尾水管进F-1最小压力为0.061 MPa,20 s一段直线 关闭尾水管进口最小压力为一0.029 MPa。进一步计算表明,  ̄nx,-J导叶关闭规律进行优化,不仅可满足20 s关闭尾水管 无负压要求,关闭时间还能进一步减少至18 8左右。 5小波动稳定分析 通过对宝泉电站输水系统水流动力方程、水流连续方 程、机组过流方程、调速器方程进行线性化处理,得到如 下反映机组正常运行工况下的状态方程组,可简记为: DY=AY十C (3) 式中:D为微分算子;A为反映机组及输水系统特性的 系数矩阵;c为常数矩阵。根据《自动控制理论》,废电站 水力——机械系统的小波动稳定性取决于上述系数矩阵,1 的特征值 的实部值的大小,若计A= 十 ( ,cu分别为 该特征值的实部和虚部),则只有当 的所有特征值的实部 口均为负值(即,口<0),系统才是稳定的,否则系统不 稳定。 通过对宝泉电站各种危险工况下的矩阵 的全部特征 值分析,在取消尾水调压室的情况下,只要'用速器参数均 按Stein估算公式整定,矩阵A的全部特征值的实部均为 负,电站各种工况点均处于小波动稳定域内。因此,取消 尾水调压室,输水系统及机组运行可以满足小波动稳定 要求。 (下转第46页) ・ 27 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
总第148期・浙江水利科技・2006年第6期 由表3中可以看出,拦河堰闸的抗滑稳定安全系数在 础处理方案的技术经济比较,选择灌注桩基础是安全合理 各种工况下均满足规范要求,基础应力及其不均匀系数也 的,且是可行的。该工程已于21305年11月开始施工,预计 满足规范的安全性要求。 21308年底竣工发电。 5结语 (责任编辑韩继静) 通过对夹有人为孔洞及中等液化土的深覆盖层闸坝基 ll●…I+…l+川l+…I●…l●…}●…l+…{●l『『l+…l+_llI+…{+川l+…l+…I'*'1111"*'1111"*'1111"*"…l+…l●_lI1"*'111l+…I●…l+…l+…1.…+…l+…I+…l●…l+…I+…}+…I+…I+…l●…l●…l+川l+…l+…l+川l+…l+…l●…l+ (上接第27页) 尾水隧洞直径,降低尾水道流速,可有效地抑制输水发电 宝泉工程采用的是PID型调速器,相对于PI型,在相 系统过渡过程中尾水管进口负压的出现。经估算,在尾水 同的计算工况下,采用PID型凋速器的系统稳定性更好。 隧洞洞径由6.5 iTl扩大到8.2 m的基础上,取消2个尾水调 6 Tw值复核 压室及尾调通气洞,可节省投资约2 000万元,经济效益也 较为显著。上述研究成果已作为取消尾水调压室的重要依 取消尾水调压室后,上游调压室设置判别条件Tw计算 据经有关审查通过并作为设计优化应用于工程(输水系统 基本数据中需增加尾水道LV值,复核计算得压力水道中水 最终布置见图I)。 流惯性时间常数Tw为2.0 s,Tw≤[Tw](2—4 s)。根据目 宝泉工程目前开始进入机电安装阶段,真机模型试验 前的机电资料计算,机组加速时间常数Ta为9.O6,机组处 已经完成,机组制造商已提交试验获得的转轮特性曲线。 于调速性能好的区域。因此取消尾调后,仍然满足不设上 根据真机模型特性曲线资料的后过渡过程计算复核工作正 游调压室的初步判断条件。 在开展,以验证输水系统布置、寻求机组导叶最优关闭规 律等,为电站的调试、试运行等提供参考控制参数。 7结语 参考文献: 宝泉抽水蓄能电站装机容量在河南电网中比重小于 5%,电站不参与调频。经以上初步判断和过渡过程计算分 [I]中华人民共和国电力工业部.DI/I'5058--1996水电站调压室 设计规范[S].北京:中国电力出版社,1996. 析,在考虑机组特性、导叶关闭规律及合理整定调速器参 [2]肖贡元.日本抽水蓄能电站技术的新进展[J].水利水电科技 数的情况下,虽然宝泉抽水蓄能电站尾水道长度近900 m, 进展,2003,23(1):61—65. 但取消尾水调压室从技术上仍是可行的。宝泉工程水头高 (责任编辑韩继静) (额定水头510m)、机组吸出高度低(一7O m),通过加大 7 节约用水立法国际研讨会在北京召开 2006年1O月24—25日,由国务院法制办和美国耶鲁大学中国法研究中心联合举办的节约用水立法国际研讨会在北京 召开,水利部、农业部等相关部委的领导、专家出席会议。来自以色列、美国耶鲁大学、华盛顿大学、加利福尼亚州城市 节水委员会以及世界银行的专家在会议上为我国制定节约用水条例建言献策。 目前,国务院正考虑起草一部规范节约用水的法规。为了促进节约用水,进一步提高用水效率,保障经济社会的持 续、协调和健康发展,我国正在建设节水型社会。这项复杂的系统工程,也是一项复杂的社会工程,需要综合运用经济、 法律、行政和教育等多种措施。在各种相关因素中,制度问题是根本性和全局性的,科学合理的法律制度,是建设节水型 社会的重要保障。 此次会议分为配置、使用水资源中的节水问题以及污水处理回用问题;水权与水市场;用水计量与水价;农业、工商 业和生活领域的节水措施;节水管理条例;公众教育与参与6个议题。 摘自中国水利国际合作与科技网 ・46・
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