海甸峽水電站調(diào)壓室穩(wěn)定斷面選定及其涌波計(jì)算

王明鋒

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,蘭州 730000)

1 概述

海甸峽水電站位于甘肅省臨洮縣西南約38km的洮河干流上,是洮河水能梯級(jí)開發(fā)的第21個(gè)梯級(jí)電站。海甸峽水電站采用混合式開發(fā)方式,水庫(kù)正常蓄水位2002.00m,校核洪水位2004.00m,設(shè)計(jì)引水流量244.2m3/s,設(shè)計(jì)水頭29.5m。電站總裝機(jī)容量52.5MW。海甸峽水電站屬中型III等工程,電站主體工程由樞紐、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房三大部分組成,其中引水系統(tǒng)包括進(jìn)水口、壓力引水道、調(diào)壓室和壓力管道。在整個(gè)引水系統(tǒng)中調(diào)壓室占有相當(dāng)大的一部分投資。設(shè)置調(diào)壓室雖然能減小壓力引水道和壓力管道的內(nèi)水壓力,降低它們的造價(jià),能比較全面的解決水電站的調(diào)節(jié)保證問題,但其投資大、工期長(zhǎng)將直接影響電站效益,所以給調(diào)壓室做優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)電站來說是很有必要的,尤其是中小型水電站。

設(shè)置調(diào)壓室是改善有壓長(zhǎng)輸水道水電站運(yùn)行條件的一種可靠措施。調(diào)壓室穩(wěn)定斷面積的選擇涉及較多影響因素。合適的調(diào)壓室穩(wěn)定斷面積不但能保證水位波動(dòng)的快速衰減,而且能夠提高水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。調(diào)壓室穩(wěn)定斷面積的最優(yōu)選擇,擬根據(jù)具體情況采用電算法對(duì)引水系統(tǒng)作小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算確定。傳統(tǒng)的調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積的選擇依靠托馬 (Thoma)公式計(jì)算值乘以安全系數(shù)來確定。

1 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)基本資料及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

本工程中調(diào)壓室上接引水洞即壓力引水道,下接壓力管道。壓力引水道長(zhǎng)為839.77m,斷面為圓形,直徑9.0m。壓力管道位于引水系統(tǒng)末端,采用一管三機(jī)的 “Y” 型布置方案,主管長(zhǎng)130.35m,內(nèi)經(jīng)8.0m;岔管設(shè)置為兩個(gè) “Y”型岔管嵌套布置,三條支管內(nèi)經(jīng)均為4.8m。根據(jù)上游調(diào)壓室的設(shè)置條件,壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw大于其允許值 (2～4s)時(shí)需設(shè)上游調(diào)壓室,該電站壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)15.45s,故該電站需設(shè)上游調(diào)壓室。引水系統(tǒng)水頭損失計(jì)算見表1。

表1 引水系統(tǒng)水頭損失計(jì)算成果表

2.2 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積計(jì)算

上游調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積按托馬(Thoma)準(zhǔn)則計(jì)算,并乘以系數(shù)K決定:

式中:Ath——托馬臨界穩(wěn)定斷面面積,m2;

L——壓力引水道長(zhǎng)度 ,m;

A1——壓力引水道斷面面積 ,m2;

H0——發(fā)電最小靜水頭 ,27.1m;

v——壓力引水道流速,v=3.84m/s;

hw0——壓力引水道水頭損失,m;

hwm——壓力管道水頭損失 ,m;

K——系數(shù),一般可采用1.0～1.1;本次計(jì)算取K=1.0。

計(jì)算得穩(wěn)定斷面面積:A=758m2,相當(dāng)于直徑為31.1m的圓形室筒,即調(diào)壓室豎室直徑必須等于或大于31.1m。

3 穩(wěn)定斷面面積的選定

依據(jù)托馬公式所計(jì)算的室筒直徑達(dá)31.1m,施工難度大、投資高。因本電站調(diào)壓室圍巖為砂質(zhì)粘土巖夾砂巖,地質(zhì)條件較差,如此大直徑和深度的調(diào)壓室不但工程量大、造價(jià)高,且施工難度很大。為此,應(yīng)對(duì)調(diào)壓室斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。托馬公式計(jì)算所得斷面的穩(wěn)定條件是:①波動(dòng)是線性的,即擾動(dòng)為無(wú)限小;②水電站孤立運(yùn)行;③調(diào)速器絕對(duì)靈敏并嚴(yán)格保持出力恒定;④忽略水輪機(jī)效率的變化。托馬公式計(jì)算所得斷面面積偏于保守,現(xiàn)在的水電站都是并網(wǎng)運(yùn)行的,隨著電力系統(tǒng)容量的日趨擴(kuò)大,單個(gè)水電站在系統(tǒng)中所占的比重也日趨減小,特別中小型電站。海甸峽水電站的送出系統(tǒng)直接進(jìn)入了西北大電網(wǎng),其發(fā)電負(fù)荷在西北電網(wǎng)中所占比例極小,負(fù)荷波動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響,且該電站也不會(huì)存在單獨(dú)供電給某一地區(qū)的情況,所以在調(diào)壓室的面積計(jì)算中充分考慮了其運(yùn)行的邊界條件。海甸峽水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)參照國(guó)內(nèi)已建電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在考慮系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件和調(diào)速器作用的前提下,將調(diào)壓室的實(shí)際斷面面積取按托馬(Thoma)準(zhǔn)則計(jì)算的穩(wěn)定斷面面積的40%,由計(jì)算的穩(wěn)定斷面面積758m2減小到303.2m2,經(jīng)換算得調(diào)壓室直徑為19.65m,實(shí)際設(shè)計(jì)中,將調(diào)壓室直徑取用21m,調(diào)壓室實(shí)際采用斷面面積為346m2。

4 調(diào)壓室的涌波計(jì)算

4.1 調(diào)壓室涌波計(jì)算工況

調(diào)壓室最高涌波計(jì)算工況:水位為正常蓄水位2002.00m時(shí),共用同一調(diào)壓室的全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷。調(diào)壓室最低涌波計(jì)算工況:上游水庫(kù)死水位時(shí),共用同一調(diào)壓室的全部n臺(tái)機(jī)組由(n-1)臺(tái)增至n臺(tái)或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷突增至滿載,并復(fù)核正常蓄水位2002.00m時(shí)共用同一調(diào)壓室的全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷時(shí)的第二振幅。計(jì)算調(diào)壓室涌波水位時(shí),丟棄負(fù)荷時(shí)引水道和尾水道的糙率均取最小值;增加負(fù)荷時(shí)引水道和尾水道的糙率均取最大值。其水頭損失值見表1。調(diào)壓室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1m,上游調(diào)壓室最低涌波水位與調(diào)壓室處壓力引水道頂部之間的安全高度不小于2m。

4.2 調(diào)壓室最高涌波計(jì)算

求最高涌波時(shí),水頭損失要取用可能的最小值。根據(jù)隧洞襯砌施工條件及洞身布置,選取糙率n=0.012,且忽略局部損失,按常規(guī)水力學(xué)公式計(jì)算引水道的總水頭損失,具體計(jì)算如下:

式中:Q0——電站設(shè)計(jì)引水流量。Q0=244.2m3/s;

L——壓力引水道長(zhǎng)度。L=839.77m;

D——壓力引水道直徑。D=9.0m;

R —— 水力半徑。R=D/4=2.25m;

f——壓力引水道斷面面積。f=63.62m2;

F——調(diào)壓井豎井面積。F=346.4m2;

V0——壓力引水道水流流速。V0=3.84m/s;

hw0——引水道的總水頭損失;

S——計(jì)算參數(shù)。

經(jīng)過試算得:最高涌波為14.94m。

則調(diào)壓室內(nèi)最高水位為:

2002+14.94 =2016.94m

4.3 調(diào)壓室最低涌波計(jì)算

調(diào)壓室最低涌波計(jì)算考慮以下兩種情況:

第一種情況:上述最高涌波以后發(fā)生的最低涌波。

將最高涌波時(shí)求得的Xm的絕對(duì)值代入下式求A1。

A1=∣Xm∣-ln(1+∣Xm∣)

再?gòu)南率浇馑闫湄?fù)根:

ln(1+X2)-X2=A1

試算得:Z2=-14.19m,相應(yīng)的最低水面高程為2002-14.19=1987.81m。

第二種情況:機(jī)組增荷所產(chǎn)生的最低涌波:

這時(shí)取水庫(kù)的水位為最低運(yùn)行水位1994.0m,n值取可能的最大值0.016,考慮兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行,第三臺(tái)機(jī)組由空轉(zhuǎn)流量0.1Q迅速投運(yùn),即總流量為0.1×Q0/3+2/3×Q0=0.7Q0,故m=0.7。計(jì)算如下(公式中符號(hào)意義同前)。

計(jì)算得:Z m in=6.84,相應(yīng)的最低水面高程為1994-6.84=1987.16m。

綜合以上兩種情況,可見水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí)突然增荷所產(chǎn)生的水面降落是控制值。即最低涌波水位高程為1987.16m。

5 結(jié)語(yǔ)

有壓引水式電站在壓力水道較長(zhǎng)或壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw值較大的情況下,為滿足調(diào)節(jié)保證均設(shè)置上游調(diào)壓室。調(diào)壓室具有較大的容積和自由水面,能使水擊波產(chǎn)生反射,達(dá)到縮短壓力水管以降低水擊壓力的目的,從而減小管道結(jié)構(gòu)厚度,防止管道內(nèi)真空,改善機(jī)組運(yùn)行條件。設(shè)置上游調(diào)壓室雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但也有不可避免的不利因素,建設(shè)調(diào)壓室的投資大、工期長(zhǎng)直接影響電站的效益。海甸峽水電站在充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件和調(diào)速器作用的情況下,根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在實(shí)際運(yùn)行中未出現(xiàn)異常。調(diào)壓室穩(wěn)定斷面的優(yōu)化縮小,很大程度上節(jié)省了工程投資,縮短了工程總工期。由此看來,若中小型水電站不做孤立電站運(yùn)行或電站容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘亢苄〉那闆r下,可視電站實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)調(diào)壓室穩(wěn)定斷面進(jìn)行優(yōu)化縮小,甚至考慮用其他調(diào)節(jié)保證措施,充分研究水擊現(xiàn)象和機(jī)組運(yùn)行條件,進(jìn)行技術(shù)比較后取消上游調(diào)壓室的設(shè)置。

1 DL/T5058-1996水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部,1996

2 潘家錚.水工隧洞和調(diào)壓室(調(diào)壓室部分),[M].北京:水利電力出版社,1990

3 SL266-2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)水利部,2001