水電站氣墊式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)調(diào)整水力計(jì)算研究

趙 萍，鞠小明,2

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

0 引 言

氣墊式調(diào)壓室是利用氣室內(nèi)高壓空氣形成“氣墊”來(lái)控制室內(nèi)水位波動(dòng)并能有效減小水錘壓力的一種性能較好的調(diào)壓設(shè)施，與常規(guī)調(diào)壓室相比具有投資省，工期短，利于環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，氣墊式調(diào)壓室的體型設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到調(diào)壓室的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和水力性能[1]。我國(guó)已經(jīng)建成投產(chǎn)了若干個(gè)采用氣墊式調(diào)壓室的水電站，如四川省境內(nèi)的自一里水電站、小天都水電站、金康水電站等。在氣墊式調(diào)壓室研究方面，工程設(shè)計(jì)人員和科研人員針對(duì)氣墊式調(diào)壓室的布置方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力計(jì)算和水力設(shè)計(jì)參數(shù)控制等方面給出了一定的參考和建議[2-4]。氣墊式調(diào)壓室在運(yùn)行時(shí)對(duì)氣室的密閉性要求較高，需要專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)氣設(shè)備，而且隧洞壓力大，設(shè)計(jì)要求高，實(shí)際運(yùn)行中氣墊式調(diào)壓室普遍存在或多或少的漏氣問(wèn)題[5]，因此研究氣墊式調(diào)壓室有效面積或體積，選擇合適的氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)尺寸，確保運(yùn)行安全和引水發(fā)電系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定仍然是目前氣墊式調(diào)壓室研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)例建立水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行引水系統(tǒng)大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算和小波動(dòng)穩(wěn)定性分析，對(duì)氣墊式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，研究不同工況下氣墊式調(diào)壓室的水力性能，結(jié)果表明氣墊式調(diào)壓室長(zhǎng)度的改變是可行的，能夠保證電站正常的運(yùn)行。論文可為氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒和參考。

1 設(shè)有氣墊式調(diào)壓室的水電站引水系統(tǒng)水力計(jì)算方法

設(shè)有氣墊式調(diào)壓室的水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力計(jì)算的基本方法是應(yīng)用瞬變流的基本理論，求解有壓瞬變流的基本方程，將氣墊式調(diào)壓室作為有壓輸水系統(tǒng)的一個(gè)邊界進(jìn)行求解計(jì)算。本文僅介紹氣墊式調(diào)壓室的邊界方程，其他邊界方程和求解方法參考有關(guān)文獻(xiàn)[6-8]。

1.1 氣墊式調(diào)壓室水力計(jì)算的主要內(nèi)容

我國(guó)已建成的氣墊式調(diào)壓室，其常用的結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)廊形，城門(mén)洞形斷面，也有一些正在建設(shè)或設(shè)計(jì)的水電站擬采用圓筒形、臥式圓管形或球形,臥式圓管形和球形氣墊式調(diào)壓室室內(nèi)水面面積和氣體體積均隨水深呈非線性變化，水力計(jì)算更加復(fù)雜[9]。本算例工程采用長(zhǎng)廊形氣墊式調(diào)壓室，其橫截面為城門(mén)洞形，為方便計(jì)算，通常采用的方法是將圓拱頂折算為等體積的平頂進(jìn)行計(jì)算[10]，其室內(nèi)水面面積保持不變，室內(nèi)氣體體積與氣室高度成正比，氣墊式調(diào)壓室橫截面積和整體體積與城門(mén)洞長(zhǎng)度成正比。氣墊式調(diào)壓室的水力計(jì)算內(nèi)容應(yīng)包括氣墊式調(diào)壓室長(zhǎng)度變化后氣室常數(shù)的選擇計(jì)算[11]、大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析和小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算分析等。

1.2 氣墊式調(diào)壓室邊界方程簡(jiǎn)介

有壓瞬變流的基本方程可以轉(zhuǎn)化為兩個(gè)特征方程，采用特征線方法求解的氣墊式調(diào)壓室邊界方程主要有：

C+:HP1=CP1-B1QP1

(1)

C-:HP2=CM2+B2QP2

(2)

HP1=HP2=HPS

(3)

QP1-QP2=QS

(4)

(5)

氣體狀態(tài)方程：

PVn=C0

(6)

P=HPS-kQ2S-Z+Ha

(7)

式中：HP為計(jì)算節(jié)點(diǎn)的壓力或水頭，m；下標(biāo)1和2分別表示氣墊式調(diào)壓室前面管和后面管的參量；QP為計(jì)算節(jié)點(diǎn)的流量，m3/s；CP和CM分別是有壓瞬變流計(jì)算的中間量，僅與計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)在計(jì)算時(shí)刻初的量有關(guān)，對(duì)計(jì)算時(shí)刻是已知量；B=a/gA，稱(chēng)為管路特性；a為水擊波速，m/s；g為重力加速度，m/s2；A為管道截面積，m2；QS為流入氣墊式調(diào)壓室的流量；z為氣墊式調(diào)壓室內(nèi)的水位；P為氣墊式調(diào)壓室氣室絕對(duì)壓力；K為水流進(jìn)出調(diào)壓室時(shí)的阻力系數(shù)，流出時(shí)應(yīng)取不同的值；Ha為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，m。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 工程概況

某水電站采用低閘引水式開(kāi)發(fā)，引水隧洞采用“一坡到底”的布置方式，壓力管道為地下埋藏式，采用兩個(gè)“卜”形岔管分別向廠房?jī)?nèi)三臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)合供水的布置方式，三條尾水支洞交匯于一條無(wú)壓尾水洞。水輪機(jī)額定水頭270.00 m，引用流量69.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，單機(jī)容量為55 MW。氣墊式調(diào)壓室采用長(zhǎng)廊型，布置在引水隧洞左側(cè)，城門(mén)洞形斷面，寬9.8 m，高15.9 m，長(zhǎng)140 m。施工過(guò)程中受到地質(zhì)條件制約，需要將氣墊式調(diào)壓室位置向引水隧洞下游平移16.0 m，調(diào)壓室長(zhǎng)度由可行性研究階段的140 m調(diào)整為110 m，凈尺寸(長(zhǎng)×寬×高)調(diào)整為110 m×9.8 m×15.9 m，斷面面積1 078 m2，對(duì)調(diào)整后的氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行水力計(jì)算研究。

2.2 氣室常數(shù)的選擇

氣墊式調(diào)壓室的運(yùn)行主要采用“等PV值”的控制方式[12]。對(duì)于本文水電站，調(diào)壓室截面積不變，等“PV值”也就是等“PL值”，這里L(fēng)是氣墊式調(diào)壓室的氣室高度，P為氣墊式調(diào)壓室內(nèi)的絕對(duì)壓力。

此水電站氣墊式調(diào)壓室底板高程2 167.70 m，內(nèi)拱頂高程2 183.60 m，折算后的氣墊式調(diào)壓室總高度為14.85 m，頂高程2 182.55 m。以水庫(kù)正常蓄水位2 440.00 m電站不發(fā)電(全部停機(jī))工況作為氣室常數(shù)“PL=C0”的設(shè)計(jì)取值工況，根據(jù)氣室內(nèi)壓力平衡關(guān)系，若不發(fā)電工況氣墊式調(diào)壓室內(nèi)水深為3.5 m，即氣室高度為L(zhǎng)=11.35 m，計(jì)算得P=277.74 m，此時(shí)C0=PL=3 152.349 m2，或C0=PV=3 398 232.222 m4。由于氣室常數(shù)C0值對(duì)設(shè)有氣墊式調(diào)壓室的水電站引水發(fā)電系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程影響較大，需要對(duì)不同的氣室常數(shù)C0值進(jìn)行選擇計(jì)算，并最終確定采用值。

根據(jù)對(duì)氣墊式調(diào)壓室的水力計(jì)算研究，多方指數(shù)越大，表現(xiàn)為氣體的可壓縮性越差，故以控制調(diào)壓室最高最低水位為目的，擬取多方指數(shù)1.0計(jì)算，這樣做偏于保守和安全。而對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算，是以控制連接隧洞和蝸殼壓力為目的，擬取多方指數(shù)1.4計(jì)算，這樣做也偏于保守和安全。計(jì)算圖如圖1-圖4。

圖1 氣室常數(shù)隨室內(nèi)水深的變化Fig.1 Variation of air chamber constant with water depth

圖2 不同多方指數(shù)下調(diào)壓室水位隨氣室常數(shù)的變化 Fig.2 Variation of surge level with air chamberconstant under different polytropic index

圖3 不同多方指數(shù)下最大氣室壓力隨氣室常數(shù)的變化Fig.3 Variation of the maximum pressure of air chamber with air chamber constant under different polytropic index

圖4 不同多方指數(shù)下最大蝸殼壓力隨氣室常數(shù)的變化Fig.4 Variation of the maximum turbine volute pressure with air chamber constant under different polytropic index

分析可知隨著C0值增大，氣體體積增大，氣室的最大壓力和蝸殼的最大壓力會(huì)減小，也就是增大C0值對(duì)降低蝸殼最大壓力有利，氣墊式調(diào)壓室要能夠起到“調(diào)壓”的作用，必須達(dá)到一定的C0值要求。結(jié)合該水電站小波動(dòng)穩(wěn)定性要求，建議該電站的C0取值在2 864.259～3 152.349 m2比較合適，對(duì)應(yīng)的氣墊式調(diào)壓室靜態(tài)初始水深為4.5～3.5 m，氣室高度為10.35～11.35 m，當(dāng)氣室內(nèi)氣體漏損到C0值小于2 864.259 m2時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)氣。

2.3 大波動(dòng)過(guò)程計(jì)算

選取幾個(gè)大波動(dòng)典型計(jì)算工況如下：

工況1：上游水庫(kù)正常蓄水位2 440.00 m，下游水位2 157.00 m，計(jì)算3臺(tái)→0丟棄負(fù)荷，引水隧洞取較小的糙率值，氣體狀態(tài)方程多方指數(shù)取1.0。

工況2：上游水庫(kù)正常蓄水位2 440.00 m，下游水位2 157.00 m，計(jì)算2臺(tái)→3臺(tái)增負(fù)荷，引水隧洞取較大的糙率值，氣體狀態(tài)方程多方指數(shù)取1.0。

工況3：上游水庫(kù)正常蓄水位2 440.00 m，下游水位2 157.00 m，計(jì)算3臺(tái)→0丟棄負(fù)荷，引水隧洞取平均糙率值，氣體狀態(tài)方程多方指數(shù)取1.4。

工況4：上游水庫(kù)正常蓄水位2 440.00 m，下游最低發(fā)電尾水位2 151.81 m，計(jì)算3臺(tái)→0丟棄負(fù)荷，引水隧洞取平均糙率值，氣體狀態(tài)方程多方指數(shù)取1.0。

以工況1和工況2來(lái)分別計(jì)算氣墊式調(diào)壓室最高涌浪水位和最低涌浪水位，計(jì)算的工況1最高涌浪水位2 172.661 m，最低涌浪水位2 169.920 m，工況2最高涌浪水位2 170.990 m(初始水位)，最低涌浪水位2 170.231 m。

比較知：工況1的最低涌浪水位比工況2的最低涌浪水位更低，氣墊式調(diào)壓室底板高程2 167.70，最低涌浪水位距離底板2.22 m，超過(guò)2.0 m的規(guī)范要求，水位波動(dòng)過(guò)程分別如圖5、圖6所示。

圖5 工況1氣墊式調(diào)壓室水位波動(dòng)過(guò)程Fig.5 Water level fluctuation process of air cushion chamber under working condition 1

圖6 工況2氣墊式調(diào)壓室水位波動(dòng)過(guò)程Fig.6 Water level fluctuation process of air cushionchamber under working condition 2

由大波動(dòng)計(jì)算水輪機(jī)蝸殼壓力變化過(guò)程可以看到，機(jī)組丟棄負(fù)荷后由于氣墊式調(diào)壓室的作用，在水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉的初始階段，蝸殼壓力升高并不大，之后隨著調(diào)壓室水位升高，氣室壓力升高，當(dāng)調(diào)壓室水位和氣室壓力升高至最大值時(shí)，蝸殼壓力也達(dá)到最大值，如圖7所示。從圖7可以看出，氣墊式調(diào)壓室出現(xiàn)最高涌浪水位的時(shí)刻相對(duì)較晚，此時(shí)水輪機(jī)導(dǎo)葉已經(jīng)關(guān)閉完成，而最高涌浪水位和最大氣室壓力與水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)機(jī)時(shí)間關(guān)系不大，也就是說(shuō)，該水電站的蝸殼最大壓力是由氣墊式調(diào)壓室的氣室最大壓力和調(diào)壓室最高涌浪水位決定的，導(dǎo)葉關(guān)機(jī)時(shí)間僅影響剛開(kāi)始階段的蝸殼壓力值，綜合考慮后選擇有效關(guān)閉時(shí)間較小的7 s一段直線關(guān)閉規(guī)律。計(jì)算的水輪機(jī)蝸殼最大壓力355.124 m，如圖8；機(jī)組最高轉(zhuǎn)速662.721 m，相對(duì)額定轉(zhuǎn)速升高32.544 m；尾水管最小壓力值為4.598 m，如圖9；電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》[13]要求。

圖7 工況3水輪機(jī)蝸殼壓力波動(dòng)過(guò)程Fig.7 Working condition3 pressure fluctuationprocess of spiral caseafter load rejection

圖8 工況3丟棄負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速升高過(guò)程Fig.8 Working condition3 Unit speed rise process

圖9 工況4丟棄負(fù)荷尾水管壓力變化Fig.9 Working condition4 pressure changes in the draft tube

2.4 電站引水系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

以工況3的上下游水位計(jì)算研究電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣墊式調(diào)壓室的小波動(dòng)穩(wěn)定性，研究表明，氣墊式調(diào)壓室截面積1 078 m2，靜態(tài)水深取3.5 m，氣室高度11.35 m，實(shí)際氣體體積12 235.3 m3，穩(wěn)定氣體體積安全系數(shù)達(dá)到1.47，滿(mǎn)足氣墊式調(diào)壓室小波動(dòng)穩(wěn)定氣體體積要求。機(jī)組額定負(fù)荷波動(dòng)5%，調(diào)速器參數(shù)bt=45%，bp=0，Td=6 s，Tn=0.75 s，轉(zhuǎn)速最大偏差僅為1.57%；無(wú)超調(diào)量，波動(dòng)次數(shù)0.5，調(diào)節(jié)時(shí)間19.16 s，負(fù)荷小波動(dòng)干擾后轉(zhuǎn)速波動(dòng)收斂，調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)氣墊式調(diào)壓室水位波動(dòng)也穩(wěn)定收斂，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定調(diào)節(jié)過(guò)程和調(diào)壓井水位穩(wěn)定波動(dòng)曲線如圖10和圖11所示。

圖10 機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)整過(guò)程Fig.10 The unit speed regulation process cushion

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用瞬變流計(jì)算方法對(duì)水電站氣墊式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整計(jì)算是有效可行的，四川某水電站氣墊式調(diào)壓室長(zhǎng)度縮短后的水力計(jì)算表明，調(diào)整后氣室最大氣壓、室內(nèi)最小水深、蝸殼最大升壓、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率、尾水管最小壓力以及小波動(dòng)穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[14]，調(diào)整后的氣墊式調(diào)壓室長(zhǎng)度減小了30 m，具有較明顯經(jīng)濟(jì)效益。

□

圖11 氣墊式調(diào)壓室水位波動(dòng)穩(wěn)定收斂Fig.11 Steady attenuation of water levelfluctuation in air surge chamber

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