某沖擊式水電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)保證計(jì)算摘要第一章介紹了布侖口－公格爾水電站的工程概況以及基本資料。第二章主要完成了水電站主要機(jī)電設(shè)備的選型：包括沖擊式水輪機(jī)的選型；發(fā)電機(jī)的選型；調(diào)速器的選型；閘門、閥門的選型；主變壓器的選型；最后是起重設(shè)備的選型。第三章主要內(nèi)容是輸水發(fā)電系統(tǒng)的布置：包括引水隧洞的設(shè)計(jì)；上下游進(jìn)出水口的設(shè)計(jì)；上游岔管的設(shè)計(jì)以及調(diào)壓室的設(shè)計(jì)。同時(shí)包括確定廠房的型式、位置，進(jìn)出口的位置以及調(diào)壓室的位置。第四章主要內(nèi)容為水電站廠房設(shè)計(jì)。首先確定廠區(qū)的布置，包括主廠房、副廠房、主變場(chǎng)以及開關(guān)站的區(qū)域布置；然后對(duì)主廠房?jī)?nèi)部進(jìn)行布置；接著確定廠房的尺寸；最后確定副廠房的內(nèi)部布置以及主變場(chǎng)的布置。第五章主要完成了水電站的調(diào)節(jié)保證計(jì)算。首先確定調(diào)節(jié)保證計(jì)算的控制值，然后利用TOPSYS程序建立管道模型，確定管道參數(shù)。最后利用TOPSYS進(jìn)行大波動(dòng)、小波動(dòng)以及水力干擾計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。最后對(duì)整本設(shè)計(jì)說明書進(jìn)行總結(jié)，系統(tǒng)的整理了本次設(shè)計(jì)的成果。關(guān)鍵詞：沖擊式水輪機(jī)；輸水發(fā)電系統(tǒng)；地面廠房；水力過渡過程計(jì)算 目錄摘要 )式中：K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Di——定子鐵芯內(nèi)徑，m；li——定子鐵芯長度，m。本設(shè)計(jì)中，，查《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-10，得K=4.5，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：經(jīng)試算，取。5.3.3恒定流水頭損失計(jì)算局部水頭損失,為依據(jù)規(guī)范查得有關(guān)損失系數(shù)，A、Q分別為管道斷面面積和流量，沿程損失，n、L、R分別為管道糙率、長度、水力半徑，其它參數(shù)相同，總水頭損失。糙率取平均值，計(jì)算結(jié)果見表5.2。管線水流加速時(shí)間為，機(jī)組加速時(shí)間為，其中是管線上各管道長度（m），是引水管道中的最大流速（m/s），是重力加速度9.81m/s2，是電站額定水頭605.0（m）。為機(jī)組飛輪力矩900，為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速500r/min，為機(jī)組額定力矩，為機(jī)組額定出力（67MW）。計(jì)算結(jié)果見表5.2。表5.2管道特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果表Ta值（s）上庫至調(diào)壓室調(diào)壓室至水輪機(jī)出口9.201水頭損失（m）水頭損失（m）Tw值（s）Tw/Ta41.86714.0231.3930.151注：1）三條管線的總水頭損失不同，以1#機(jī)（J10）為例說明；2）總水頭損失是按照額定水頭、額定流量下，三臺(tái)機(jī)發(fā)額定出力的情況進(jìn)行計(jì)算；3）按平均糙率計(jì)算。5.4大波動(dòng)過渡過程計(jì)算5.4.1計(jì)算工況根據(jù)電站運(yùn)行特點(diǎn)，確定如下的大波動(dòng)水力過渡過程計(jì)算工況：D1上游正常蓄水位3290.0m，三臺(tái)機(jī)額定出力同時(shí)甩全負(fù)荷；D2額定水頭605m，三臺(tái)機(jī)額定出力同時(shí)甩全負(fù)荷；D3上游死水位3283.0m，三臺(tái)機(jī)最大出力同時(shí)甩全負(fù)荷；D4上游死水位3283.0m，三臺(tái)機(jī)最大出力同時(shí)甩全負(fù)荷；在調(diào)壓室水位上升最快時(shí)，一臺(tái)機(jī)由空載增至全負(fù)荷；D5上游死水位3283.0m，三臺(tái)機(jī)同時(shí)由空載增至全負(fù)荷；D6上游死水位3283.0m，一臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)由空載增至全負(fù)荷；D7上游死水位3283.0m，兩臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)由空載增至全負(fù)荷；D8上游死水位3283.0m，兩臺(tái)機(jī)停機(jī)，一臺(tái)機(jī)由空載增至全負(fù)荷；D9上游死水位3283.0m，三臺(tái)機(jī)相繼由空載增至全負(fù)荷；（30s）D10上游死水位3283.0m，三臺(tái)機(jī)相繼由空載增至全負(fù)荷；（50s）D11上游正常蓄水位3290.0m，兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行，一臺(tái)增至全負(fù)荷，在調(diào)壓室水位下降最快時(shí)，三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷。D12上游校核洪水位3292.16m，三臺(tái)機(jī)額定出力同時(shí)甩全負(fù)荷；D13上游正常蓄水位3290.0m，三臺(tái)機(jī)同時(shí)由空載增至全負(fù)荷；D14上游校核洪水位3292.16m，兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行，一臺(tái)增至全負(fù)荷，在調(diào)壓室水位下降最快時(shí)，三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷。5.4.2阻抗孔口面積敏感性分析及優(yōu)化根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范建議，為了充分發(fā)揮阻抗孔口抑制波動(dòng)幅度和加速衰減的作用，同時(shí)考慮調(diào)壓室底部所能承受的壓力，阻抗式調(diào)壓室的阻抗口面積一般為引水隧洞面積的30%~40%。而本電站調(diào)壓室阻抗口面積為1.666m2，僅為隧洞面積（11.34m2）的14.69%。下面以D2工況（額定水頭，三臺(tái)機(jī)額定出力甩全負(fù)荷）為計(jì)算依托，折向器采用2.5s直線關(guān)閉規(guī)律，針閥采用15s，20s，25s，30s的直線關(guān)閉規(guī)律，分析計(jì)算大波動(dòng)過渡過程。其結(jié)果見表5.3。從表5.3可以看出，在擬定的針閥、折向器關(guān)閉規(guī)律下，調(diào)壓室底板壓差均超過40m，對(duì)調(diào)壓室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很不利。雖然延長針閥關(guān)閉時(shí)間可以減小該壓差，但減表5.3原阻抗孔口條件下，D2工況的計(jì)算結(jié)果針閥關(guān)閉時(shí)間（s）配水環(huán)管末端最大水壓力（m)配水環(huán)管末端最大水壓力升高（%）最大轉(zhuǎn)速升高（%）調(diào)壓室最高涌浪（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室最低涌浪（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室底板向下壓差最大值（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室底板向上壓差最大值（m）及時(shí)間（s）15716.229.017.923297.37（387.62）3245.83（1.54）1.55（499.98）47.07（16.06）20702.336.728.083297.38（388.32）3245.83（1.56）1.53（500.02）45.25（21.34）25693.805.318.283298.39（391.24）3245.83（1.56）1.48（500.02）44.15（26.34）30688.594.468.503297.41（392.28）3245.83（1.58）1.44（500.02）43.43（31.34）小幅度有限，因此有必要對(duì)該電站調(diào)壓室阻抗孔口面積進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。下面以D2工況為計(jì)算依托，取20s針閥直線關(guān)閉規(guī)律及2.5s折向器直線關(guān)閉規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表5.4及圖5.2。表5.4阻抗口面積優(yōu)化計(jì)算（D2工況）阻抗孔口面積（m2）與引水隧洞面積的比值（%）配水環(huán)管末端最大水壓力（m)最大轉(zhuǎn)速升高（%）調(diào)壓室最高涌浪（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室最低涌浪（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室底板向下壓差最大值（m）及時(shí)間（s）調(diào)壓室底板向上壓差最大值（m）及時(shí)間（s）2.219.4687.168.073300.78（361.86）3245.83（1.56）1.97（531.24）28.51（21.34）2.824.7678.198.073303.22（349.88）3245.83（1.56）1.67（531.24）18.58（21.34）3.430.0676.538.073304.76（343.52）3245.83（1.56）1.35（531.34）12.98（21.34）3.934.4677.698.063305.63（339.5）3245.83（1.56）1.12（531.3）10.02（21.34）4.539.7679.308.063306.36（338.72）3245.83（1.56）0.92（510.08）7.62（21.34）圖5.2不同調(diào)壓室阻抗孔面積下，調(diào)壓室底板壓差隨時(shí)間變化過程線通過優(yōu)化分析，根據(jù)調(diào)壓室底板向上壓差的取值，阻抗孔口面積暫時(shí)擬定為3.9m2（直徑為2.23m）。另外，從表5.2中調(diào)壓室涌浪的計(jì)算結(jié)果可以看出，阻抗孔口的大小對(duì)調(diào)壓室最高涌浪也有影響，阻抗孔口面積越大，調(diào)壓室最高涌浪有上升的趨勢(shì)。5.4.3關(guān)閉規(guī)律選常規(guī)工況D2作為針閥、折向器關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化的計(jì)算依托工況。其計(jì)算結(jié)果見表5.5。由表5.5可知：在噴嘴關(guān)閉規(guī)律相同時(shí)，折向器關(guān)閉規(guī)律的改變只影響機(jī)組轉(zhuǎn)速，對(duì)配水環(huán)管最大壓力值及其上升率沒有影響?？紤]沖擊式水電站針閥關(guān)閉時(shí)間一般較長≥20s，以及到組合工況可能引起配水環(huán)管水壓力升高、機(jī)組轉(zhuǎn)速升高兩個(gè)指標(biāo)的增大，初步擬定針閥采用直線關(guān)閉規(guī)律，有效關(guān)閉時(shí)間（從額定開度到完全關(guān)閉的直線關(guān)閉時(shí)間）為25s；折向器關(guān)閉時(shí)間（從初始開度到完全關(guān)閉的時(shí)間）為2.5s；針閥直線30s開啟（從機(jī)組空載開度到額定開度的時(shí)間）。具體的針閥、折向器啟閉規(guī)律見圖5.3~圖5.5，需要說明的是：所有開度均用相對(duì)開度表示。對(duì)于針閥，以模型滿開度為100%開度，額定開度相對(duì)值97.8％，折向器全開為100%開度。表5.5關(guān)閉規(guī)律的計(jì)算結(jié)果折向器關(guān)閉時(shí)間（s）針閥關(guān)閉時(shí)間配水環(huán)管末端最大水壓力（m)配水環(huán)管末端最大水擊壓力時(shí)間（s）最大轉(zhuǎn)速升高（%）配水環(huán)管末端最大水壓力升高（%）15685.0014.466.473.852.0s20677.69337.746.672.6425677.19342.606.902.5630676.94347.507.142.5215685.0014.467.913.852.5s20677.69337.748.062.6425677.19342.608.272.5630676.94347.508.482.5215685.0014.469.373.853.0s20677.69337.749.472.6425677.19342.609.642.5630676.94347.509.832.52注：配水環(huán)管末端最大水壓力升高率的計(jì)算公式為：[配水環(huán)管末端最大水壓力-（上庫校核洪水位-機(jī)組安裝高程）]/額定水頭×100%圖5.3針閥關(guān)閉規(guī)律圖（25s）圖5.4折向器關(guān)閉規(guī)律圖（2.5s）圖5.5針閥開啟規(guī)律圖（30s）5.4.4計(jì)算結(jié)果及分析布侖口-公格爾水電站GD2為900，阻抗孔口面積取優(yōu)化的3.9，流進(jìn)調(diào)壓室和流出調(diào)壓室的阻抗系數(shù)均為0.006702。采用圖5.1至圖5.3所示的啟閉規(guī)律按平均糙率計(jì)算進(jìn)行大波動(dòng)過渡過程計(jì)算，對(duì)于調(diào)壓室涌浪的控制工況進(jìn)行最不利糙率校核計(jì)算。各工況的恒定流及大波動(dòng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表5.6～表5.8。大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明：（1）壓力管道末端最大壓力常規(guī)工況發(fā)生在D12，其值為683.33m；疊加工況發(fā)生在D14，其值為683.08m。均小于計(jì)算得配水環(huán)管承受的最大壓力782.70m。表5.6恒定流計(jì)算結(jié)果工況上游水位（m）機(jī)組初始開度（%）凈水頭（m）流量（m3/s）出力（MW）1#96.7609.9412.3867.03D132902#96.7610.0012.3867.043#96.7609.9012.3867.021#97.8605.2012.4767.00D232862#97.8605.2512.4767.013#97.8605.1512.4767.001#97.8602.4312.4466.55D332832#97.8602.4812.4466.553#97.8602.3812.4466.541#97.8602.4312.4466.55D432832#97.8602.4812.4466.553#97.8602.3812.4466.541#1652.540.130.77D532832#1652.540.130.773#1652.540.130.77D61#1646.900.130.7632832#97.8645.7912.8873.861#1629.700.130.73D732832#97.8628.6112.7170.933#97.8628.3812.7170.89D832831#1652.540.130.771#1652.540.130.77D932832#1652.540.130.773#1652.540.130.771#1652.540.130.77D1032832#1652.540.130.773#1652.540.130.771#1636.950.130.74D1132902#96.7635.8712.6471.353#96.7635.6412.6471.311#96612.6112.3266.98D123292.162#96612.6612.3266.993#96612.5612.3266.981#1659.540.130.78D1332902#1659.540.130.783#1659.540.130.781#1639.350.130.74D143292.162#96638.2812.5771.243#96638.0612.5771.20表5.7機(jī)組調(diào)節(jié)保證參數(shù)計(jì)算結(jié)果工況機(jī)組號(hào)配水環(huán)管末端最大水壓力（m)配水環(huán)管末端最大水壓力升高（%）最大轉(zhuǎn)速升高（%）1#681.133.218.37D12#681.183.228.373#681.173.228.371#677.132.558.26D22#677.192.568.273#677.182.568.261#674.132.068.22D32#674.192.078.223#674.182.068.221#659.28-0.408.22D42#659.18-0.428.223#659.12-0.438.221#652.53-1.520.00D52#652.53-1.520.003#652.53-1.520.00D61#645.48-2.680.002#646.55-2.500.001#629.43-5.330.00D72#628.21-5.530.003#627.81-5.600.00D81#653.09-1.420.001#652.53-1.520.00D92#652.53-1.520.003#652.53-1.520.001#653.26-1.390.00D102#654.74-1.150.003#654.61-1.170.001#680.863.171.55D112#680.933.181.553#680.953.181.551#683.283.578.43D122#683.333.588.433#683.323.578.431#659.53-0.360.00D132#659.53-0.360.003#659.53-0.360.001#682.993.521.54D142#683.053.531.543#683.083.531.54表5.8調(diào)壓室涌浪計(jì)算結(jié)果工況調(diào)壓室初始水位（m）最高涌浪（m）時(shí)間（s）最低涌浪（m）時(shí)間（s）底板向下壓差最大值（m）時(shí)間（s）底板向上壓差最大值（m）時(shí)間（s）D13250.423309.61340.483250.421.561.10499.989.5826.34D23245.833305.63342.723245.831.561.09499.989.7226.34D33243.023302.63341.563243.011.561.09499.989.6826.34D43243.023285.38376.983243.011.560.09500.029.6826.34D53283.003283.000.023236.67317.029.1831.340.03445.58D63278.143278.140.023260.38316.201.0831.340.02476.94D73264.273264.270.023242.46500.021.0331.940.000.00D83283.003283.000.023267.91236.201.1231.340.18407.16D93283.003283.000.023236.71349.207.3191.320.03473.76D103283.003283.000.023237.08375.185.89131.320.02500.02D113271.483307.58333.923269.2139.761.0231.944.9657.54D123252.983311.75339.903252.981.561.10499.829.4926.34D133290.003290.000.023243.95315.929.0831.340.03445.58D143273.833309.70333.923271.5639.941.0131.944.9157.74（2）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率常規(guī)工況發(fā)生在D12，其值為8.43％；疊加工況發(fā)生在D4，其值為8.22％，均小于30％。（3）調(diào)壓室最高涌浪常規(guī)工況發(fā)生在D12，其值為3311.75m；疊加工況發(fā)生在D14，其值為3309.70m，考慮2.00m的安全超高，滿足設(shè)計(jì)要求（調(diào)壓室頂板高程3314m）。調(diào)壓室最低涌浪常規(guī)工況發(fā)生在D5其值為3236.67m；疊加工況發(fā)生在D4，其值為3243.01m，考慮2.00m的淹沒水深，滿足設(shè)計(jì)要求（調(diào)壓室底部高程3234m）。（4）調(diào)壓室后的上平段（調(diào)壓室出口至上彎頭，長為20m），是沿程最小壓力關(guān)注的重點(diǎn)。表5.7列出了各大波動(dòng)工況下壓力鋼管第一豎井段起始處管軸線處（高程為3226m）的最小壓力值。圖5.6D12工況配水環(huán)末端壓力波動(dòng)圖圖5.7D14工況配水環(huán)末端壓力波動(dòng)圖圖5.8D12工況調(diào)壓室水位波動(dòng)圖圖5.9D14工況調(diào)壓室水位波動(dòng)圖圖5.10D5工況調(diào)壓室水位波動(dòng)圖圖5.11D4工況調(diào)壓室水位波動(dòng)圖表5.9各大波動(dòng)工況壓力鋼管起點(diǎn)軸線處的最小壓力列表工況壓力鋼管軸線處最小壓力值（m）與管軸線高程的差值（m）D13248.6722.67D23244.0618.06D33241.2515.25D43241.2515.25D53235.699.69D63259.9233.92D73241.4815.48D83267.841.8D93235.749.74D103236.1110.11D113267.5741.57D123251.2525.25D133242.9916.99D143269.9543.95從中可以看出，壓力管道軸線處的最小壓力值為9.69m（發(fā)生在工況D5），則壓力鋼管起點(diǎn)頂部的最小壓力為8.19m（9.69m-1.5m），滿足頂部有2.00m正壓的控制要求（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）；如果考慮高程修正（3300m的大氣壓約為m），則需要滿足5.6m的正壓控制要求，同樣滿足控制要求。5.5小波動(dòng)過渡過程計(jì)算5.5.1計(jì)算工況根據(jù)電站運(yùn)行特點(diǎn)，確定如下的大波動(dòng)水力過渡過程計(jì)算工況：X1上游正常蓄水位3290.0m，機(jī)組同時(shí)從額定出力甩10.0％額定負(fù)荷；X2額定水頭605.0m，機(jī)組同時(shí)從額定出力甩10.0％額定負(fù)荷；X3上游最低運(yùn)行水位3283.0m，機(jī)組同時(shí)從滿出力甩10.0％額定負(fù)荷；X4上游正常蓄水位3290.0m，機(jī)組同時(shí)60%額定出力時(shí)各增10%出力；X5額定水頭605.0m，機(jī)組同時(shí)60%額定出力時(shí)各增10%出力；X6上游最低運(yùn)行水位3283.0m，機(jī)組同時(shí)60%額定出力時(shí)各增10%出力；5.5.2調(diào)速器參數(shù)整定調(diào)速器參數(shù)首先按照斯坦因建議公式取值，即：，，，其中為水流加速時(shí)間常數(shù)，為機(jī)組加速時(shí)間常數(shù)。在額定水頭下的斯坦因建議值，，。選取額定水頭下，甩10%額定負(fù)荷工況（即工況X2）進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)不同調(diào)速器參數(shù)計(jì)算，如表5.10所示。表5.10調(diào)速器參數(shù)整定調(diào)速器參數(shù)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)（eg）調(diào)節(jié)時(shí)間（s）最大偏差振蕩次數(shù)衰減度超調(diào)量Td（s）btTn（s）3.00.30.2017.214.831.50.850.414.00.40.2017.616.031.00.990.095.00.50.2015.617.040.50.990.046.00.60.2021.017.980.50.990.02調(diào)速器參數(shù)整定的最終結(jié)果為，，，。由上表可知在調(diào)速器參數(shù)調(diào)整范圍內(nèi)，擾動(dòng)為甩10%額定負(fù)荷工況下的最大轉(zhuǎn)速偏差為17.04r/min，即為3.41%的額定轉(zhuǎn)速。5.5.3計(jì)算結(jié)果本次計(jì)算采用了沖擊式水輪機(jī)的特性曲線，取調(diào)速器參數(shù)s，＝0.5，，（由公式比例增益，積分增益，微分增益換算得，，。）電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)，折向器的初始開度為全開，即指定為1.0，計(jì)算結(jié)果表5.11和表5.12。5.5.4結(jié)果分析由小波動(dòng)計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）調(diào)速器參數(shù)取s，＝0.5，s，s，電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)=0.0時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)均能夠進(jìn)入±0.2%轉(zhuǎn)速頻帶偏差內(nèi)，且調(diào)節(jié)時(shí)間較短（最長時(shí)間為15.6s），轉(zhuǎn)速最大偏差也較?。?7.04r/min，額定轉(zhuǎn)速的3.41%），該電站調(diào)節(jié)品質(zhì)能滿足要求。表5.11小波動(dòng)過渡過程計(jì)算結(jié)果工況機(jī)組號(hào)機(jī)組最大轉(zhuǎn)速（r/min)時(shí)間（s）N1（r/min）時(shí)間（s)N2（r/min）時(shí)間（s)±2%調(diào)節(jié)時(shí)間（s）最大偏差（r/min）機(jī)組最大轉(zhuǎn)速偏差（%）振蕩次數(shù)衰減度超調(diào)量1#516.884.6499.3321.4500.1338.415.416.883.380.50.990.04X12#516.874.6499.3421.4500.1338.415.416.873.370.50.990.043#516.864.6499.3421.4500.1338.415.416.863.370.50.990.041#517.044.6499.321.4500.1338.415.617.043.410.50.990.04X22#517.034.6499.321.4500.1338.415.617.033.410.50.990.043#517.034.6499.321.4500.1338.415.617.033.410.50.990.041#516.994.6499.2721.4500.1438.415.616.993.400.50.990.04X32#516.994.6499.2821.4500.1338.415.616.993.400.50.990.043#516.984.6499.2821.4500.1338.415.616.983.400.50.990.041#491.744.4500.3921.4499.943914.48.261.650.50.990.05X42#491.744.4500.3921.4499.943914.68.261.650.50.990.053#491.744.4500.3921.4499.943914.68.261.650.50.990.051#491.684.4500.421.6499.943914.68.321.660.50.990.05X52#491.694.4500.421.6499.943914.68.311.660.50.990.053#491.694.4500.421.6499.943914.68.311.660.50.990.051#491.644.4500.4121.6499.943914.68.361.670.50.990.05X62#491.644.4500.4121.6499.943914.68.361.670.50.990.053#491.644.4500.4121.6499.9439.214.68.361.670.50.990.05表5.12小波動(dòng)過渡過程調(diào)壓室水位特征值計(jì)算結(jié)果工況初始水位（m）最高涌浪水位（m）時(shí)間（s）最低涌浪水位（m）時(shí)間（s）向上最大振幅（m）向下最大振幅（m）X13250.423259.42659.23250.421.490X23245.833254.98671.443245.831.49.150X33243.023252.13669.143243.011.49.110X43277.213277.210.023273.74341.3803.47X53273.063273.060.023269.56343.2603.5X63269.933269.930.023266.4344.8403.53圖5.12X2轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖圖5.13X2調(diào)壓室水位波動(dòng)圖圖5.14X6轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖圖5.15X6調(diào)壓室水位波動(dòng)圖（2）從X2工況（100%額定出力甩10%）的調(diào)壓室水位波動(dòng)圖（如圖5.13）可以看出，調(diào)壓室水位在約為600s后，幾乎不再變化，波動(dòng)情況不明顯；X6（60%額定出力增10%）調(diào)壓室波動(dòng)（如圖5.15）也是如此。經(jīng)分析，是引水隧洞長度長（約17km），水頭損失較大（約為41m）造成的。若引水隧洞按不同長度進(jìn)行試算不難發(fā)現(xiàn)隨著隧洞減短調(diào)壓室周期性波動(dòng)愈加明顯。這種波動(dòng)情況并不影響調(diào)壓室波動(dòng)的衰減和穩(wěn)定。5.6水力干擾過渡過程計(jì)算水力干擾穩(wěn)定計(jì)算的參數(shù)和小波動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算的參數(shù)相同。計(jì)算中考慮了兩種情況：（1）機(jī)組聯(lián)入有限電網(wǎng)，在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)頻的任務(wù)，調(diào)速器跟蹤機(jī)組頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，其能力將影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量[21]，數(shù)值計(jì)算的目的就是研究運(yùn)行機(jī)組在受擾動(dòng)情況下的調(diào)節(jié)品質(zhì)；（2）機(jī)組聯(lián)入無窮大的電網(wǎng)條件下，機(jī)組的頻率波動(dòng)由電網(wǎng)承擔(dān)，調(diào)速器跟蹤機(jī)組針閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)值計(jì)算的目的是研究正常運(yùn)行機(jī)組在受擾動(dòng)情況下的出力擺動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)機(jī)組自身的影響。但是，聯(lián)合供水單元內(nèi)機(jī)組的水力干擾問題要比小波動(dòng)問題劇烈得多，因此不能要求調(diào)頻調(diào)峰機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)到和小波動(dòng)一樣的良好品質(zhì)，而只能以波動(dòng)是否衰減為判斷條件，以保證事故不進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致運(yùn)行機(jī)組接踵甩負(fù)荷。5.6.1計(jì)算工況GR1：上游正常蓄水位3290.0m，同單元機(jī)組兩臺(tái)額定出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)額定出力突甩全部負(fù)荷；GR2：額定水頭605m，同單元機(jī)組兩臺(tái)額定出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)額定出力突甩全部負(fù)荷；GR3：上游最低運(yùn)行水位3283m，同單元機(jī)組兩臺(tái)最大出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)最大出力突甩全部負(fù)荷；GR4：上游正常蓄水位3290.0m，同單元機(jī)組兩臺(tái)額定出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)突增全部負(fù)荷；GR5：額定水頭605m，同單元機(jī)組兩臺(tái)額定出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)突增全部負(fù)荷；GR6：上游最低運(yùn)行水位3283m，同單元機(jī)組兩臺(tái)最大出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)突增全部負(fù)荷。5.6.2計(jì)算結(jié)果（1）運(yùn)行機(jī)組參與頻率調(diào)節(jié)水力干擾結(jié)果運(yùn)行機(jī)組調(diào)速器參與頻率調(diào)節(jié)即機(jī)組聯(lián)入有限電網(wǎng)，在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)頻的任務(wù)，其能力將影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，調(diào)速器跟蹤運(yùn)行機(jī)組頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算選取與小波動(dòng)相同的調(diào)速器參數(shù)[21]。運(yùn)行機(jī)組調(diào)速器參與頻率調(diào)節(jié)條件下水力干擾的計(jì)算結(jié)果如表5.13、表5.14。（2）運(yùn)行機(jī)組參與針閥調(diào)節(jié)水力干擾結(jié)果運(yùn)行機(jī)組調(diào)速器參與針閥調(diào)節(jié)即機(jī)組聯(lián)入無窮大的電網(wǎng)，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)由電網(wǎng)承擔(dān)，調(diào)速器跟蹤運(yùn)行機(jī)組針閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)工況GR1～GR6進(jìn)行水力干擾計(jì)算，結(jié)果如表5.15、表5.16。表5.13參與頻率調(diào)節(jié)水力干擾機(jī)組計(jì)算結(jié)果表工況機(jī)組初始出力（MW）最大出力（MW）最小出力（MW）最大擺動(dòng)幅度（MW）最大擺動(dòng)幅度（%）±0.2%調(diào)節(jié)時(shí)間（s）轉(zhuǎn)速最大偏差（r/min）轉(zhuǎn)速最大偏差（%）振蕩次數(shù)GR12#67.0469.4964.874.626.8936.84.750.951GR22#67.0169.564.814.697.00374.860.971GR32#66.5569.0364.364.677.02374.850.971GR42#6768.3765.572.84.1840.42.290.461.5GR52#66.9968.3765.552.824.2140.42.320.461.5GR62#6768.3965.542.854.2540.62.350.471.5注：表中為正常運(yùn)行機(jī)組計(jì)算結(jié)果。表5.14參與頻率調(diào)節(jié)水力干擾調(diào)壓室計(jì)算結(jié)果表工況初始水位（m）最高涌浪（m）時(shí)間（s）最低涌浪（m）時(shí)間（s）最大振幅（m）GR13250.423276.01484.623250.421.7225.59GR23245.833271.78489.263245.831.7225.95GR33243.023268.87487.863243.011.7225.86GR43273.823273.820.023252.18553.7421.64GR53269.613269.610.023247.69564.7621.92GR63266.443266.440.023244.31574.9222.13表5.15參與針閥調(diào)節(jié)水力干擾機(jī)組計(jì)算結(jié)果表工況機(jī)組初始出力（MW）最大出力（MW）最小出力（MW）最大擺動(dòng)幅度（MW）最大擺動(dòng)幅度（%）GR12#67.0471.9267.004.927.34GR22#67.0171.9966.975.027.49GR32#66.5571.5066.514.997.50GR42#6767.1063.463.645.43GR52#66.9967.0963.393.705.53GR62#6767.1063.353.755.60注：表中為正常運(yùn)行機(jī)組計(jì)算結(jié)果。表5.16參與針閥調(diào)節(jié)水力干擾調(diào)壓室計(jì)算結(jié)果表工況初始水位（m）最高涌浪（m）時(shí)間（s）最低涌浪（m）時(shí)間（s）最大振幅（m）GR13250.423272.79477.343250.421.7222.37GR23245.833268.46481.143245.831.7222.63GR33243.023265.56479.543243.011.7222.55GR43273.823273.820.023254.36485.1419.46GR53269.613269.610.023249.96491.319.65GR63266.443266.440.023246.64495.7419.85.6.3結(jié)果分析通過對(duì)運(yùn)行機(jī)組頻率調(diào)節(jié)和針閥調(diào)節(jié)兩種條件下水力干擾的計(jì)算結(jié)果分析可知：表5.17水力干擾機(jī)組及調(diào)壓室計(jì)算結(jié)果對(duì)比表工況頻率調(diào)節(jié)針閥調(diào)節(jié)最大出力擺幅（MW）調(diào)壓室最大振幅（m）最大出力擺幅（MW）調(diào)壓室最大振幅（m）GR14.6225.594.9222.37GR24.6925.955.0222.63GR34.6725.864.9922.55GR42.821.643.6419.46GR52.8221.923.7019.65GR62.8522.133.7519.8（1）水力干擾對(duì)運(yùn)行機(jī)組穩(wěn)定性的影響比起小波動(dòng)的影響要嚴(yán)重，但是嚴(yán)重程度相對(duì)較小。頻率調(diào)節(jié)時(shí)，GR6（上游最低運(yùn)行水位3283m，同單元機(jī)組兩臺(tái)最大出力正常運(yùn)行，另一臺(tái)突增全部負(fù)荷），正常運(yùn)行機(jī)組進(jìn)入±0.2％穩(wěn)定帶寬的調(diào)節(jié)時(shí)間最長，為40.6s，振蕩次數(shù)達(dá)到1.5次，調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。（2）對(duì)比工況GR1與GR4、工況GR2與GR5、工況GR3與GR6三組工況可知：在相同條件下，調(diào)速器參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)，甩負(fù)荷引起的水力干擾要比增負(fù)荷引起的水力干擾嚴(yán)重；頻率調(diào)節(jié)時(shí)最大轉(zhuǎn)速偏差增負(fù)荷工況也較相應(yīng)的甩負(fù)荷工況小。同時(shí)，由于引水隧洞特別長的緣故，半個(gè)周期的時(shí)間后，調(diào)壓室水位停留在某一水位，作低振幅的波動(dòng)，振幅很小，幾乎保持不變，由此可知，調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減較快。（3）由表5.17、圖5.16~5.19可以看出：三種水頭工況GR1、GR2和GR3下調(diào)速器參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)運(yùn)行機(jī)組的最大出力擺幅比調(diào)速器參與針閥調(diào)節(jié)時(shí)要小，三種工況下調(diào)壓室水位最大振幅針閥調(diào)節(jié)時(shí)??；三種水頭工況GR4、GR5和GR6下調(diào)速器參與針閥調(diào)節(jié)時(shí)運(yùn)行機(jī)組的最大出力擺幅比調(diào)速器參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)要大。三種工況下調(diào)壓室水位最大振幅針閥調(diào)節(jié)時(shí)小。圖5.16GR2出力波動(dòng)對(duì)比圖圖5.17GR4出力波動(dòng)對(duì)比圖圖5.18GR2調(diào)壓室涌浪波動(dòng)對(duì)比圖圖5.19GR4調(diào)壓室涌浪波動(dòng)對(duì)比圖由GR2和GR4出力波動(dòng)對(duì)比圖可知：當(dāng)收到水力干擾時(shí)，機(jī)組通過頻率調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)出力到初始出力，機(jī)組通過針閥調(diào)節(jié)不能調(diào)節(jié)出力到原始出力，而是調(diào)節(jié)出力到了一個(gè)新的恒定出力。分析GR2可知，新的恒定出力為71.75MW，比初始出力略高，增大幅度為7.07%，變化范圍較為合理。分析發(fā)生該現(xiàn)象的原因，可知受到水力干擾時(shí)正常運(yùn)行機(jī)組的針閥開度不變，但隨著時(shí)間的變化，通過機(jī)組的流量以及水頭會(huì)先進(jìn)行短暫的波動(dòng)，接著逐漸增大到達(dá)一個(gè)極大值，最后趨于穩(wěn)定，均高于初始狀態(tài)。分析GR4可知，新的恒定出力為63.55MW，比初始出力略低，減小幅度為5.15%，變化范圍較為合理。分析發(fā)生該現(xiàn)象的原因，可知受到水力干擾時(shí)正常運(yùn)行機(jī)組的針閥開度不變，但隨著時(shí)間的變化，通過機(jī)組的流量以及水頭會(huì)先進(jìn)行短暫的波動(dòng)，接著逐漸減小到達(dá)一個(gè)極小值，最后趨于穩(wěn)定，均低于初始狀態(tài)。5.7結(jié)論經(jīng)過恒定流、大波動(dòng)、小波動(dòng)及水力干擾計(jì)算，現(xiàn)得到以下結(jié)論：（1）從恒定流計(jì)算結(jié)果知，該電站引水隧洞很長（約為17km），進(jìn)水口至調(diào)壓室的水頭損失很大（約為41m）；壓力管道長度較短（約為1360m），Tw/Ta比值很?。?.151）。（2）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范建議，阻抗式調(diào)壓室的阻抗口面積一般為引水隧洞面積的30%~40%，而本電站調(diào)壓室阻抗口面積為1.666m2，僅為隧洞面積（11.34m2）的14.69%，以至于大波動(dòng)甩負(fù)荷時(shí)調(diào)壓室底板壓差特別大（超過40m），這是十分不利于調(diào)壓室結(jié)構(gòu)安全的，本報(bào)告做出系列優(yōu)化，最終擬定調(diào)壓室阻抗孔口面積為3.9m2（為隧洞面積的34.39%），底板壓差降為12m以內(nèi)。（3）按上述優(yōu)化的調(diào)壓室阻抗孔口面積及優(yōu)化的25s針閥、2.5s折向器直線關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行大波動(dòng)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來看：①壓力管道末端最大壓力常規(guī)工況為D12（683.33m），疊加工況D14（683.08m），滿足782.70m的控制要求；機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率常規(guī)工況為D12（8.43％）；疊加工況為D4（8.22％），均小于30%的控制要求；②調(diào)壓室最高涌浪常規(guī)工況發(fā)生在D12，其值為3311.75m；疊加工況發(fā)生在D14，其值為3309.70m，低于調(diào)壓室頂板高程（3314m），滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)壓室最低涌浪常規(guī)工況發(fā)生在D5其值為3236.67m；疊加工況發(fā)生在D4，其值為3243.01m，考慮2.00m的淹沒水深，滿足設(shè)計(jì)要求（調(diào)壓室底部高程3234m）。③壓力管道頂部最小壓力為9.69m，如果不考慮高程修正，那么滿足頂部有2.00m正壓的控制要求；如果考慮高程修正值，滿足頂部有5.60m的正壓控制要求。（4）從小波動(dòng)的計(jì)算結(jié)果來看：擬定調(diào)速器參數(shù)為，，，，，。（對(duì)應(yīng)的，，）時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)均能夠進(jìn)入±0.2%轉(zhuǎn)速頻帶偏差內(nèi)，且調(diào)節(jié)時(shí)間較短（最長時(shí)間為15.6s），轉(zhuǎn)速最大偏差也較?。?7.04r/min，額定轉(zhuǎn)速的3.41%），該電站調(diào)節(jié)品質(zhì)能滿足要求，小波動(dòng)品質(zhì)較好。（5）從水力干擾過渡過程計(jì)算結(jié)果來看：水力干擾對(duì)運(yùn)行機(jī)組穩(wěn)定性的影響比起小波動(dòng)的影響較嚴(yán)重，但總的趨勢(shì)是衰減的。調(diào)壓室水位振幅小，波動(dòng)穩(wěn)定。6總結(jié)本文首先對(duì)布倫口－公格爾水電站進(jìn)行初步布置設(shè)計(jì)，完成了主要機(jī)電設(shè)備選型設(shè)計(jì)、輸水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電站地面廠房設(shè)計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上利用Topsys程序?qū)﹄娬镜倪^渡過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，詳細(xì)分析了該電站不同水力過渡過程的穩(wěn)定性。通過上述工作，本文得出的設(shè)計(jì)成果及結(jié)論如下：（1）機(jī)電設(shè)備選型設(shè)計(jì)電站選用3臺(tái)單機(jī)容量為67MW的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)輪直徑，機(jī)組轉(zhuǎn)速取。發(fā)電機(jī)形式為懸式發(fā)電機(jī)，通風(fēng)冷卻方式為空冷式。調(diào)速器形式為沖擊式水輪機(jī)專用微機(jī)調(diào)速器，型號(hào)為CJT6/6-6.3型，油壓裝置選用分離式，型號(hào)為YS-8。水輪機(jī)前進(jìn)水閥選用球閥，球閥直徑為1.5m，型號(hào)為QF150-500。電站主變壓器型號(hào)選為SSPL-90000/220。主廠房采用一臺(tái)起重機(jī)型號(hào)為250t/30t單小車橋式起重機(jī)。（2）引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)電站引水隧洞直徑取3.8m，額定水頭發(fā)電時(shí)隧洞中水流流速為3.31m/s。電站上水庫進(jìn)水口采用側(cè)式進(jìn)水口，底板高程為3273m。上庫進(jìn)水塔后部設(shè)工作閘門，閘孔尺寸取3.6m×4m（寬×高），閘門下游側(cè)設(shè)通氣孔，通氣孔直徑為1.2m。電站下水庫出水口采用側(cè)式出水口，底板高程為2615m。上庫進(jìn)水塔后部設(shè)工作閘門，閘孔尺寸取3.3m×3.5m（寬×高），閘門下游側(cè)設(shè)通氣孔，通氣孔直徑為1.2m。引水系統(tǒng)采用一洞三機(jī)的布置方式。上游引水隧洞縱坡為1/500，長17558m；壓力管道供水方式采用聯(lián)合供水，在廠房前采用卜形布置分岔成三個(gè)岔管對(duì)3臺(tái)機(jī)組供水。壓力管道的布置采用三級(jí)斜井，斜井的傾角為60°，內(nèi)徑3m，布置兩個(gè)長70m的平臺(tái)以利施工開挖