大渡河丹巴水電站上游調(diào)壓室水力學(xué)研究

姜宏軍

（華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

丹巴水電站位于大渡河上游河段丹巴縣境內(nèi)，是干流梯級(jí)規(guī)劃22個(gè)梯級(jí)水電站中的第8個(gè)水電站，上接巴底水電站，下臨猴子巖水電站。根據(jù)規(guī)劃階段前期的設(shè)計(jì)成果，工程壩址位于丹巴縣境內(nèi)水卡子溝下游400 m處，壩址以上集水面積為42 844 km2，多年平均流量為 573 m3/s，水庫(kù)正常蓄水位2 040 m，死水位2 035 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.4億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。工程采用混合式開(kāi)發(fā)，攔河壩為礫石土心墻堆石壩，引水系統(tǒng)總長(zhǎng)約17 km，布置在大渡河左岸山體中，為兩洞4機(jī)布置，2機(jī)共用一個(gè)圓形阻抗式上游調(diào)壓室，尾部地下廠房在小金河右岸的山體內(nèi)，尾水系統(tǒng)為單洞單機(jī)布置，電站總裝機(jī)容量1 560 MW。

2 研究思路

規(guī)劃階段前期的設(shè)計(jì)成果為：引水隧洞直徑12.5 m、長(zhǎng)約17 km，水輪機(jī)額定水頭163 m、額定流量268 m3/s、發(fā)電機(jī)單機(jī)容量390 MW。

根據(jù)規(guī)范公式[1]計(jì)算，上游調(diào)壓室托馬臨界穩(wěn)定斷面面積接近1 000 m2，而調(diào)壓室內(nèi)還需布置事故閘門(mén)，實(shí)際開(kāi)挖斷面還需增大。調(diào)壓室區(qū)域處于二云片巖軟巖區(qū)，如此大規(guī)模的開(kāi)挖斷面施工難度非常大，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出。因此有必要對(duì)調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值仿真模型計(jì)算，若不能減小調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積，需進(jìn)一步研究多調(diào)壓室組合方式、所需總面積、抑制涌浪振幅及共一調(diào)壓室兩機(jī)間的水力干擾情況，最終確定合適的多調(diào)壓室布置方式。

3 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積研究

3.1 面積的控制標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)壓室的面積要滿(mǎn)足機(jī)組負(fù)荷擾動(dòng)量發(fā)生一定變化時(shí)產(chǎn)生的調(diào)壓室涌波是衰減的，即通常所說(shuō)的小波動(dòng)穩(wěn)定性。采用解析公式計(jì)算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積常用托馬公式，采用數(shù)值仿真模型計(jì)算時(shí)，可以用涌波周期衰減度來(lái)衡量調(diào)壓室面積是否滿(mǎn)足小波動(dòng)穩(wěn)定性要求，涌波周期衰減度的定義為：

涌波周期衰減度＝(第1周期涌波振幅-第2周期涌波振幅)/第1周期涌波振幅

針對(duì)不同型式的調(diào)壓室，滿(mǎn)足小波動(dòng)穩(wěn)定性的機(jī)組負(fù)荷擾動(dòng)量及涌波周期衰減度也不同，具體見(jiàn)表1。

3.2 單一調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積計(jì)算

因本工程引水隧洞長(zhǎng)約17 km，上游調(diào)壓室涌波振幅大，波動(dòng)周期長(zhǎng)，因此簡(jiǎn)單式調(diào)壓室型式不適合該工程，只對(duì)阻抗式調(diào)壓室和差動(dòng)式調(diào)壓室的穩(wěn)定面積進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算。

表1 不同型式調(diào)壓室穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)

電站在孤網(wǎng)運(yùn)行、且不考慮調(diào)壓室底部流速頭的影響時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為：阻抗式調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面面積為1 130 m2，差動(dòng)式調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面面積為1 070 m2。無(wú)論是阻抗式還是差壓式，隨著負(fù)荷擾動(dòng)量的減小，計(jì)算所得到的穩(wěn)定斷面非常接近，在1 100 m2到1 130 m2之間，最后選取調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積為1 100 m2。

3.3 多調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積計(jì)算

調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積數(shù)值計(jì)算結(jié)果，較解析公式計(jì)算結(jié)果還稍大，因此需要研究多調(diào)壓室的布置形式，以減小調(diào)壓室的開(kāi)挖跨度。根據(jù)規(guī)范及教科書(shū)[2]的研究成果，多調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面面積隨調(diào)壓室間距的增加而增大，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果：由于引水隧洞較長(zhǎng)，多調(diào)壓室間距在200 m以?xún)?nèi)時(shí)，調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面面積與單一調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積基本相同，隨著調(diào)壓室間距的增加調(diào)壓室總面積而增大，具體見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)壓室間距與所需穩(wěn)定斷面之間的關(guān)系

3.4 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面的影響因素分析

托馬公式在推導(dǎo)過(guò)程中假定水電站孤立運(yùn)行，調(diào)速器絕對(duì)靈敏能?chē)?yán)格保持出力恒定，波動(dòng)是極微小的，且忽略機(jī)組效率的變化等。這些假定中忽略了一些對(duì)穩(wěn)定不利的因素，如水輪機(jī)的效率、尾水管和壓力管道中水流的慣性等；也忽略了一些對(duì)穩(wěn)定有利的因素，如電網(wǎng)系統(tǒng)、引水道管壁和水體的彈性等。

一般認(rèn)為托馬公式忽略的主要因素有：電網(wǎng)因素、調(diào)壓室下流速頭、調(diào)速器和水輪機(jī)特性，以阻抗式調(diào)壓室為例對(duì)以上主要影響因素進(jìn)行分析、數(shù)值計(jì)算：

1）理論研究證明：當(dāng)電站容量小于電網(wǎng)容量的1/3時(shí)，任意小的調(diào)壓室斷面面積都能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，但對(duì)于骨干水電站和擔(dān)任事故備用的抽水蓄能電站，在電網(wǎng)事故解列后很有可能獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)調(diào)壓室水位波動(dòng)穩(wěn)定性、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)必須在水電站設(shè)計(jì)中予以考慮，這兩種電站的調(diào)壓室面積應(yīng)滿(mǎn)足托馬穩(wěn)定斷面面積要求。

2）考慮井下流速頭的影響后計(jì)算所需的上游調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積為1 040 m2，較不考慮時(shí)小約8%。

3）將緩沖強(qiáng)度bt值從0.8增加到1.6，調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面只減9 m2，將緩沖時(shí)間常數(shù)Td值從12 s增加到24 s，調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面只減10 m2，而bt＝1.6或Td＝24 s時(shí)的調(diào)速系統(tǒng)的品質(zhì)已經(jīng)非常差了。因此計(jì)算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面時(shí)不應(yīng)考慮調(diào)速器的影響。

4）根據(jù)多個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)：在機(jī)組效率上升區(qū)域內(nèi)所需穩(wěn)定斷面可以小于托馬臨界斷面，在機(jī)組效率基本平坦區(qū)域所需穩(wěn)定斷面與托馬臨界斷面基本相同，而在機(jī)組效率下降區(qū)域所需穩(wěn)定斷面則要大于托馬臨界斷面。丹巴工程的計(jì)算也證明了這一點(diǎn)，當(dāng)共一調(diào)壓室的2臺(tái)機(jī)組各帶240 MW負(fù)荷（額定負(fù)荷的61.5%）時(shí)，所需的調(diào)壓室穩(wěn)定斷面不到750 m2。因此機(jī)組效率特性對(duì)調(diào)壓室穩(wěn)定斷面影響十分顯著，不可忽視其影響；因混流式機(jī)組的效率下降區(qū)一般在額定負(fù)荷的80%～85%以上，所以在研究分析調(diào)壓室穩(wěn)定性時(shí)，計(jì)算工況點(diǎn)選取應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)組出力不小于額定出力85%的要求。

4 調(diào)壓室布置方案初擬

通過(guò)調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積研究，多調(diào)壓室布置間距在200 m以?xún)?nèi)時(shí)的總穩(wěn)定斷面面積與單調(diào)壓室相同，為減小在軟巖區(qū)域開(kāi)挖大跨度調(diào)壓室的施工難度，初擬兩大井、兩大井一小井和一大井兩小井共三個(gè)阻抗式多調(diào)壓室布置方案，各方案的調(diào)壓室間通過(guò)上室相連，還能形成差動(dòng)效應(yīng)，加速涌波的衰減速度。

單調(diào)壓室方案：面積1 100 m2，阻抗孔面積42 m2，上室長(zhǎng)162 m，井底分出兩條壓力管道，井內(nèi)布置閘門(mén)。

兩大井方案：大井面積分別為610/490 m2，阻抗孔面積分別為6/36 m2，共用上室長(zhǎng)162 m，井中心距離78 m，后井底分岔且布置事故閘門(mén)。

兩大一小方案：大小井面積分別為450/450/200 m2，阻抗孔面積分別為4/8/36 m2，共用上室長(zhǎng)162 m，井中心距離77/75 m，后井底分岔且布置事故閘門(mén)。

一大兩小方案：大小井面積分別為610/245/245 m2，阻抗孔面積分別為6/18/18 m2，兩小井布置在引水隧洞岔管后的支洞上，共用上室長(zhǎng)162 m，井中心距離75 m，小井內(nèi)布置事故閘門(mén)。

對(duì)以上4個(gè)方案在涌波振幅、涌波衰減速度及水力干擾方面進(jìn)行分析比較，確定合適的布置方案。

5 調(diào)壓室涌波研究

5.1 調(diào)壓室涌波研究

因4個(gè)調(diào)壓室方案均為阻抗式，故只選取上涌波水位作為研究對(duì)象。以上下游均為最高發(fā)電水位時(shí)，共一調(diào)壓室2臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩全部負(fù)荷為代表性工況，分別計(jì)算調(diào)壓室上涌波，具體涌波水位見(jiàn)表2。

表2 不同調(diào)壓室布置方案的上涌波匯總表

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，所有的調(diào)壓室組合方案在抑制上涌波方面，均優(yōu)于等斷面的單一阻抗式調(diào)壓室方案，兩大井方案與一大兩小方案在抑制上涌波方面相同，兩大一小方案抑制上涌波能力最強(qiáng)。

5.2 調(diào)壓室涌波衰減度研究

以共一調(diào)壓室2臺(tái)機(jī)組同時(shí)負(fù)荷擾動(dòng)80 MW為代表性工況，分別計(jì)算調(diào)壓室涌波第一周期的衰減程度，具體見(jiàn)表3。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，所有的調(diào)壓室組合方案在加速涌波衰減時(shí)間方面基本相同，但都明顯優(yōu)于單一阻抗式調(diào)壓室方案。

5.3 調(diào)壓室涌波研究小結(jié)

通過(guò)以上計(jì)算，所有的調(diào)壓室組合方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰減時(shí)間方面基本相同，但都明顯優(yōu)于單一阻抗式調(diào)壓室方案。

表3 不同調(diào)壓室布置方案的涌波衰減度匯總表

6 水力干擾研究

同一水力單元的2臺(tái)機(jī)組，當(dāng)其中1臺(tái)發(fā)生負(fù)荷變化，必然影響調(diào)壓室水位，進(jìn)而對(duì)另1臺(tái)機(jī)組發(fā)生水力干擾，下面對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行較詳細(xì)的數(shù)值分析計(jì)算。

6.1 頻率調(diào)差方式運(yùn)行

假定機(jī)組并大網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行方式為頻率調(diào)差方式。因?yàn)檫@種假定方式最能反映機(jī)組間水力干擾的嚴(yán)重程度，同時(shí)頻率調(diào)差方式也是電站最普遍采用的運(yùn)行方式。

當(dāng)共一調(diào)壓室的2臺(tái)機(jī)額定出力運(yùn)行，一臺(tái)機(jī)甩額定負(fù)荷對(duì)另1臺(tái)的影響見(jiàn)表4。

表4 水力干擾情況匯總表

通過(guò)以上數(shù)值計(jì)算，不管哪種調(diào)壓室布置方案，當(dāng)機(jī)組采用頻率調(diào)差方式運(yùn)行時(shí)，兩機(jī)間的水力干擾過(guò)于嚴(yán)重；兩大井方案在第一周期轉(zhuǎn)速收斂度方面有較大優(yōu)勢(shì)，但收斂時(shí)間也長(zhǎng)達(dá)近1 h，單井的收斂時(shí)間更長(zhǎng)。

6.2 自動(dòng)調(diào)功方式運(yùn)行

以?xún)纱缶桨笧槔M(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)調(diào)功條件下當(dāng)1臺(tái)機(jī)甩額定負(fù)荷時(shí)，對(duì)另1臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷偏離值為10 MW，負(fù)荷偏差不到額定負(fù)荷的3%，但后井的涌波收斂較慢，使被擾機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)收斂也較慢，長(zhǎng)達(dá)1 h時(shí)多。

機(jī)組甩滿(mǎn)負(fù)荷工況在實(shí)際運(yùn)行中是很少發(fā)生的，但機(jī)組正常調(diào)節(jié)負(fù)荷則是電站經(jīng)常發(fā)生的工況。那么在1臺(tái)機(jī)組大幅度調(diào)負(fù)荷時(shí)，對(duì)另1臺(tái)機(jī)組會(huì)產(chǎn)生怎樣的水力干擾呢？假定一臺(tái)機(jī)組用60 s的時(shí)間從額定負(fù)荷減到空載，另1臺(tái)機(jī)組最大負(fù)荷偏離值只有約3 MW，不到1%，但后井涌波收斂仍較慢，時(shí)間也近1 h。

在調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面不變的前提下，加快涌波哀減時(shí)間的唯一辦法是進(jìn)一步減小前井阻抗孔的面積。計(jì)算表明，將前井阻抗孔面積由6 m2減至4 m2，調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減速度增快約一倍。

6.3 水力干擾研究小結(jié)

綜合比較，各調(diào)壓室布置方案間在負(fù)荷、水頭和轉(zhuǎn)速最大偏離值方面基本相同，但多井布置方案在轉(zhuǎn)速收斂度方面有較大優(yōu)勢(shì)。機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組間的水力干擾有重大影響，采用自動(dòng)調(diào)功方式比采用頻率調(diào)差方式在抗水力干擾的性能方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié)論

大渡河丹巴水電站為長(zhǎng)引水、中低水頭、大流量水電站，調(diào)壓室托馬穩(wěn)定斷面面積大、涌波振幅大、波動(dòng)衰減時(shí)間長(zhǎng)、同一水力單元的相鄰機(jī)組水力干擾嚴(yán)重情況為其它工程所不多見(jiàn)。通過(guò)本階段的研究，確定了調(diào)壓室小波動(dòng)穩(wěn)定性的控制標(biāo)準(zhǔn)，研究了托馬穩(wěn)定斷面的主要影響因素，明確了多調(diào)壓室布置方案較單一調(diào)壓室布置方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰減時(shí)間方面均有較大優(yōu)勢(shì)，考慮軟巖區(qū)大跨度地下洞室的圍巖穩(wěn)定性及工程投資，二大井調(diào)壓室布置方案更具優(yōu)勢(shì)；通過(guò)水力干擾研究，也明確了較優(yōu)的機(jī)組運(yùn)行方式。

[1]DL/T5058—1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[2]劉啟釗，彭守拙合編.水電站調(diào)壓室[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1995，9.