中美水電規(guī)范調(diào)壓室判別計算成果分析

余 揚

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 貴州 貴陽 550081

正文：

1 工程概況

非洲某水電站項目采用中國規(guī)范設計，美標復核。該電站總裝機容量2115MW，年發(fā)電量6307GWh。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩（主壩）、壩身泄水建筑物、右岸引水系統(tǒng)及地面廠房等建筑物組成。

該電站引水系統(tǒng)采用一洞三機布置，線路軸線平均長675m，單機引用流量為235.56m3/s。引水系統(tǒng)由進水口、閘門井、引水隧洞、調(diào)壓井及壓力鋼管等建筑物組成。按中國規(guī)范計算，調(diào)壓井采用阻抗式，阻抗孔直徑8.2m，井筒直徑22m，總高度84m。

2 水頭損失

因為調(diào)壓室判別計算需要引水系統(tǒng)流道特性參數(shù)，所以需先復核引水系統(tǒng)水力學，計算沿程水頭損失和局部水頭損失。

中國標準中，沿程水頭損失計算采用經(jīng)驗公式謝才-曼寧公式，美國標準則使用達西-魏茲巴赫（Darcy-Wiesbach）的摩阻系數(shù)。對于局部水頭損失計算，中美標準規(guī)律公式基本一致，影響因子基本相同。通過計算，中國標準平均糙率時水頭損失為9.067m，美國標準糙度中等時水頭損失為9.531m。

3 調(diào)壓室設置條件

3.1 基于水道特性的調(diào)壓室設置判別

中國標準《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》（NB/T 35021-2014）采用水流慣性時間常數(shù)（Tw）來判別是否設置上游調(diào)壓室。具體公式如下：

式中：

Tw—壓力水道的慣性時間常數(shù)，s；

Li—壓力水道各段長度，m；

Vi—壓力水道各段相應的流速，m/s；

g—重力加速度，9.81m/s2；

Hp—電站的設計水頭；

[Tw]—Tw的允許值，一般取2～4s。

美國標準《美國土木工程師學會水電工程設計導則》上游調(diào)壓室判別公式如下。

式中：H——靜水頭；

L、V——分別為壓力引水道長度和對應流速；

Tw——壓力管道中水流慣性時間常數(shù)，s；

[Tw]——Tw的允許值，建議大于2.5s時調(diào)整引水結(jié)構(gòu)；

3.2 基于機組特性的調(diào)壓室設置判別

根據(jù)中國標準《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》和《水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術條件》的規(guī)定，電站運行穩(wěn)定性與水流慣性時間常數(shù)，機組加速時間常數(shù)相關。即上游調(diào)壓室需要采用水流慣性時間常數(shù)（Tw）與機組慣性時間常數(shù)（Ta）的比值不大于0.4，共同判別調(diào)壓室設置。

Ta= GD2N2/（365P）

式中：

GD2—機組的飛輪力矩，kg·m2；

N—機組的額定轉(zhuǎn)速，r/min；

P—機組的額定出力，W；

查詢美國論據(jù)工程兵團規(guī)劃設計規(guī)范，未列出機組加速時間計算公式，本次采用《水電開發(fā)（墨索尼著作）》中公式:

t=GD2n2/（375N） [sec]

式中：

GD2—機組的飛輪力矩，t·m2；

n—機組的正常操作轉(zhuǎn)速，rpm；

N—機組額定出力，W；

4 調(diào)壓室設置判別對比

根據(jù)中國標準計算，引水系統(tǒng)水流慣性時間Tw=5.36s＞[Tw=4s]，機組慣性時間常數(shù)Ta=0.069，Tw/Ta=77.74，綜合考慮需設置上游調(diào)壓井。

根據(jù)美國標準計算，引水系統(tǒng)水流慣性時間Tw=4.11s＞[Tw=2.5s]，機組慣性時間常數(shù)Ta=0.067，Tw/Ta=61.23，綜合考慮需設置上游調(diào)壓井。

表1 中美標準調(diào)壓室判別計算參數(shù)對比表

表2 調(diào)壓室設置判別中美標準計算對比表

結(jié)合Tw、Ta與調(diào)速性能關系分析，本工程Tw、Ta位于調(diào)速性能差的區(qū)域，引水發(fā)電系統(tǒng)可需設置上游調(diào)壓室。對比中美標準中基于水道特性的判別成果，兩種標準結(jié)果相同均同意設置上游調(diào)壓室。

5 結(jié)論

經(jīng)過中美標準調(diào)壓室判別兩種方法、公式的計算，該工程引水系統(tǒng)均需要設置上游調(diào)壓室。由于中美標準調(diào)壓室判別公式類似，計算成果數(shù)值成果也很接近。本文就中美規(guī)范之間的異同和可操作性進行對比分析，可為涉外工程設計提供參考。