變頂高尾水調壓室的小波動穩(wěn)定性分析

1尾水調壓室小波動穩(wěn)定的分析在節(jié)水電氣工程中，水壓和調節(jié)的計算是一個重要的內容。對于具有較大水流慣性和較高壓力尾水道的電氣站，由于找不到合適的駕駛員關閉時間和關閉規(guī)律，水壓和旋轉的上升值往往大于允許合理，因此有必要采取措施改善調整和調節(jié)參數。設置尾水調壓室是其中一項常用措施.根據調壓室的功用,它應能保證調壓室中發(fā)生的一切水位波動都是逐漸衰減的,并且衰減越快越好.針對這一問題,托馬于1910年提出了著名的調壓室波動穩(wěn)定條件:F＞FthF＞Fth這是保證小波動穩(wěn)定的必要條件.對于下游水位變幅較大的水電站,還可以將尾水洞設計成變頂高(圖1)新結構型式.變頂高尾水洞的特點是讓下游水位與洞頂任意處銜接,將尾水洞分成有壓滿流段和無壓明流段.下游處于低水位時,水輪機的淹沒水深比較小,但無壓明流段長,有壓滿流段短,過渡過程中負水擊壓力小,所以尾水管進口斷面的最小絕對壓力不會超過規(guī)范的要求.隨著下游水位升高,盡管無壓明流段的長度逐漸減短,有壓滿流段的長度逐漸增長,負水擊越來越大,直到尾水洞全部呈有壓流,但水輪機的淹沒水深逐漸加大,而且有壓滿流段的平均流速也逐漸減小,正負兩方面的作用相互抵消,使得尾水管進口斷面的最小絕對壓力能控制在規(guī)范的范圍之內,保證機組安全運行.因此,變頂高可起到取代尾水調壓室的作用.但由于下游水位的變化,當尾水洞中明流段較長時,尾水洞中產生一種類似于調壓室質量波的重力波,在過渡過程中往復運動,形成衰減很慢的尾波,直接影響著電站運行的穩(wěn)定性.無論是尾水調壓室還是變頂高尾水洞,其小波動穩(wěn)定問題實際上是由于調速器對水輪機的調節(jié)引起的,沒有調速器的調節(jié)也就不會出現波動穩(wěn)定與否的問題.因此,其小波動穩(wěn)定性除了與各自的體型有關外,還與調速器參數、電網負荷自調節(jié)系數等有關聯.本文結合某電站的實際數據,計算與分析了兩種尾水布置型式在超低水頭下的小波動穩(wěn)定性.2調速器主要參數的選取某電站采取單機單洞方案,其尾水系統的設計中考慮了變頂高尾水洞和尾水調壓室兩種布置型式.最小工作水頭是54.0m,最大工作水頭是80.1m,機組額定轉速93.8r/min.由于有防洪要求,其上游防洪限制水位控制在?287.0m,樞紐在20年一遇洪水下泄流量19900m3/s(對應下游尾水位為?248.63m),需要電站下泄流量2000m3/s,平均每臺機組過流量400m3/s.扣去管道系統的水頭損失,形成37.0m極端最小工作水頭(即超低水頭).另外,該電站作為調峰、調頻電站,電網系統對其品質和運行性能有著較高的要求,即使汛期也需投入運行.20年一遇以下洪水是常遇洪水,因此電站在最小水頭下的37.0～54.0m水頭之間的運行時段較多,亦即出現在超低水頭下運行的情況.進行一系列計算與分析后,選取調速器主要參數:緩沖時間常數Td=12.0s,暫態(tài)轉差系數bt=0.8,測頻微分時間常數Tn=2.0.電網負荷自調節(jié)系數eb=0.0,甩棄10%初始出力的負荷.2.1小波動過渡過程計算結果首先,以最小工作水頭為前提確定托馬臨界穩(wěn)定斷面,并根據《水電站調壓室設計規(guī)范》(DL/T5058-1996),乘以系數1.0～1.1,得到調壓室斷面積.如此一來,在超低水頭情況下就出現調壓室實際斷面積小于托馬臨界穩(wěn)定斷面的問題,其小波動過渡過程計算結果如表1、圖2所示.其次,以極端最小工作水頭為前提確定托馬臨界穩(wěn)定斷面.與之前相比,調壓室斷面積增加了46%,其小波動過渡過程計算結果如表2、圖3所示.對比表1和表2及圖2和圖3可以看出:(1)調壓室斷面積增加,水位波動周期增長,因為波動周期與調壓室斷面積的二分之一方成正比.(2)除調壓室斷面積增加之外,其他計算條件完全一致,因此調壓室水位波動向下最大振幅和向上最大振幅有所減小是必然的.(3)調壓室斷面積擴大,對機組轉速最大偏差值(第一個波峰即主波的幅值)幾乎沒有影響,說明該指標主要取決于甩棄負荷的大小和調速器參數.(4)調壓室斷面積擴大,機組轉速的超調量(第一個負波的幅值占最大偏差的百分比)減小28%,衰減度(第一個波峰與第二個波峰值之差的相對值)增加0.046,說明這兩項指標主要取決于調壓室尾波(即調速器的調節(jié)動作完成之后,仍在調壓室與尾水洞之間往復運動的波)的大小,并且影響調節(jié)時間和振蕩次數(即調節(jié)時間內出現的振蕩波峰個數的一半).斷面積擴大后,進入頻率偏差±0.4%帶寬(即波動幅值控制在±0.4%N0范圍內)的調節(jié)時間幾乎提前了一半,振蕩次數降至一個半波,但進入頻率偏差±0.2%帶寬的調節(jié)時間仍在250s以上,說明調壓室斷面積的擴大,并不能十分有效地改善電站的調節(jié)品質.2.2運行效果好,符合無調壓室調節(jié)品質在選定尾水洞出口高程、頂坡、底坡的基礎上進行的小波動過渡過程計算結果如表3、圖4和圖5所示.從表3與圖4及圖5可以看出:超低水頭時,調速器具有很強的校正能力.機組轉速在不到60s的時間內很快進入頻率偏差±0.2%帶寬,只經歷了半個波,且不久后就趨于額定轉速.閘門井水位也在很短的時間內(100s)趨于一恒定值,同樣只經過了半個波次.因此,超低水頭下電站的調節(jié)品質非常好,其原因是在洪水期,下游水位一直高于變頂高尾水洞出口的頂部高程,整個尾水洞呈有壓滿流,水力過渡過程中只有水擊波的影響,而不再被尾水洞的尾波所控制,所以衰減迅速,完全滿足規(guī)范對無調壓室調節(jié)品質的要求.2.3尾水門井涌浪水位波動的影響由上述計算與分析知:(1)兩方案對應的轉速最大偏差值相差較大,這是由于兩者甩棄負荷大小不一樣所致,也是初始出力不一致的原因.(2)變頂高方案的機組轉速超調量明顯小于調壓室方案,衰減度明顯要大,致使相應的調節(jié)時間短,振蕩次數少.這仍然說明調壓室尾波對這些指標有極大的影響,而變頂高尾水洞中沿整個洞長均是有壓滿流,只有水擊波,它是一種彈性波,周期短,變化快,調速器對其產生的振蕩具有較強的校正能力.(3)根據三峽地下電站變頂高尾水洞方案帶模型機組的水力過渡過程試驗結果可知:尾水閘門井的斷面積很小,其涌浪水位的高低主要取決于負荷變化的大小.負荷變化越大,水擊壓力越大,尾水閘門井涌浪變幅越大.在負荷變化一定的前提下,尾水閘門井涌浪水位波動過程的周期取決于明滿混合流的往返波動,而衰減的快慢由調速器參數所決定.在超低水頭下,整個尾水洞不存在往復運動的明滿混合流,因此,由負荷變化引起的波動在調速器的校正下很快又穩(wěn)定下來,而調壓室水位在很長一段時間內還不能停止波動,即使增加46%的斷面積也改善不了很多.3變頂高尾水壓系統的特性綜合上述分析比較可知:尾水調壓室對超低水頭的適應性較差,如果按《水電站調壓室設計規(guī)范》擴大46%的調壓室斷面積,不僅會給水工布置、圍巖穩(wěn)定帶來極大的困難,而且其