海甸峽水電站調壓室穩定斷面選定及其涌波計算

王明鋒

(甘肅省水利水電勘測設計研究院,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,是洮河水能梯級開發的第21個梯級電站。海甸峽水電站采用混合式開發方式,水庫正常蓄水位2002.00m,校核洪水位2004.00m,設計引水流量244.2m3/s,設計水頭29.5m。電站總裝機容量52.5MW。海甸峽水電站屬中型III等工程,電站主體工程由樞紐、引水系統及發電廠房三大部分組成,其中引水系統包括進水口、壓力引水道、調壓室和壓力管道。在整個引水系統中調壓室占有相當大的一部分投資。設置調壓室雖然能減小壓力引水道和壓力管道的內水壓力,降低它們的造價,能比較全面的解決水電站的調節保證問題,但其投資大、工期長將直接影響電站效益,所以給調壓室做優化設計對整個電站來說是很有必要的,尤其是中小型水電站。

設置調壓室是改善有壓長輸水道水電站運行條件的一種可靠措施。調壓室穩定斷面積的選擇涉及較多影響因素。合適的調壓室穩定斷面積不但能保證水位波動的快速衰減,而且能夠提高水電站運行的穩定性和供電質量。調壓室穩定斷面積的最優選擇,擬根據具體情況采用電算法對引水系統作小波動穩定性計算確定。傳統的調壓室穩定斷面面積的選擇依靠托馬 (Thoma)公式計算值乘以安全系數來確定。

1 調壓室穩定斷面計算

2.1 設計基本資料及相關參數計算

本工程中調壓室上接引水洞即壓力引水道,下接壓力管道。壓力引水道長為839.77m,斷面為圓形,直徑9.0m。壓力管道位于引水系統末端,采用一管三機的 “Y” 型布置方案,主管長130.35m,內經8.0m;岔管設置為兩個 “Y”型岔管嵌套布置,三條支管內經均為4.8m。根據上游調壓室的設置條件,壓力水道中水流慣性時間常數Tw大于其允許值 (2～4s)時需設上游調壓室,該電站壓力水道中水流慣性時間常數15.45s,故該電站需設上游調壓室。引水系統水頭損失計算見表1。

表1 引水系統水頭損失計算成果表

2.2 調壓室穩定斷面面積計算

上游調壓室的穩定斷面面積按托馬(Thoma)準則計算,并乘以系數K決定:

式中:Ath——托馬臨界穩定斷面面積,m2;

L——壓力引水道長度 ,m;

A1——壓力引水道斷面面積 ,m2;

H0——發電最小靜水頭 ,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,一般可采用1.0～1.1;本次計算取K=1.0。

計算得穩定斷面面積:A=758m2,相當于直徑為31.1m的圓形室筒,即調壓室豎室直徑必須等于或大于31.1m。

3 穩定斷面面積的選定

依據托馬公式所計算的室筒直徑達31.1m,施工難度大、投資高。因本電站調壓室圍巖為砂質粘土巖夾砂巖,地質條件較差,如此大直徑和深度的調壓室不但工程量大、造價高,且施工難度很大。為此,應對調壓室斷面進行優化設計。托馬公式計算所得斷面的穩定條件是:①波動是線性的,即擾動為無限小;②水電站孤立運行;③調速器絕對靈敏并嚴格保持出力恒定;④忽略水輪機效率的變化。托馬公式計算所得斷面面積偏于保守,現在的水電站都是并網運行的,隨著電力系統容量的日趨擴大,單個水電站在系統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直接進入了西北大電網,其發電負荷在西北電網中所占比例極小,負荷波動不會對系統的供電質量產生實質性影響,且該電站也不會存在單獨供電給某一地區的情況,所以在調壓室的面積計算中充分考慮了其運行的邊界條件。海甸峽水電站調壓室設計參照國內已建電站運行經驗,在考慮系統運行邊界條件和調速器作用的前提下,將調壓室的實際斷面面積取按托馬(Thoma)準則計算的穩定斷面面積的40%,由計算的穩定斷面面積758m2減小到303.2m2,經換算得調壓室直徑為19.65m,實際設計中,將調壓室直徑取用21m,調壓室實際采用斷面面積為346m2。

4 調壓室的涌波計算

4.1 調壓室涌波計算工況

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

4.2 調壓室最高涌波計算

求最高涌波時,水頭損失要取用可能的最小值。根據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,按常規水力學公式計算引水道的總水頭損失,具體計算如下:

式中:Q0——電站設計引水流量。Q0=244.2m3/s;

L——壓力引水道長度。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——計算參數。

經過試算得:最高涌波為14.94m。

則調壓室內最高水位為:

2002+14.94 =2016.94m

4.3 調壓室最低涌波計算

調壓室最低涌波計算考慮以下兩種情況:

第一種情況:上述最高涌波以后發生的最低涌波。

將最高涌波時求得的Xm的絕對值代入下式求A1。

A1=∣Xm∣-ln(1+∣Xm∣)

再從下式解算其負根:

ln(1+X2)-X2=A1

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

第二種情況:機組增荷所產生的最低涌波:

這時取水庫的水位為最低運行水位1994.0m,n值取可能的最大值0.016,考慮兩臺機組運行,第三臺機組由空轉流量0.1Q迅速投運,即總流量為0.1×Q0/3+2/3×Q0=0.7Q0,故m=0.7。計算如下(公式中符號意義同前)。

計算得:Z m in=6.84,相應的最低水面高程為1994-6.84=1987.16m。

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

5 結語

有壓引水式電站在壓力水道較長或壓力水道中水流慣性時間常數Tw值較大的情況下,為滿足調節保證均設置上游調壓室。調壓室具有較大的容積和自由水面,能使水擊波產生反射,達到縮短壓力水管以降低水擊壓力的目的,從而減小管道結構厚度,防止管道內真空,改善機組運行條件。設置上游調壓室雖然有很多優點,但也有不可避免的不利因素,建設調壓室的投資大、工期長直接影響電站的效益。海甸峽水電站在充分考慮系統運行邊界條件和調速器作用的情況下,根據電站實際運行情況對調壓室的穩定斷面進行了優化設計,在實際運行中未出現異常。調壓室穩定斷面的優化縮小,很大程度上節省了工程投資,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行或電站容量占電力系統總容量很小的情況下,可視電站實際運行情況對調壓室穩定斷面進行優化縮小,甚至考慮用其他調節保證措施,充分研究水擊現象和機組運行條件,進行技術比較后取消上游調壓室的設置。

1 DL/T5058-1996水電站調壓室設計規范[S].中華人民共和國電力工業部,1996

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

3 SL266-2001水電站廠房設計規范[S].中華人民共和國水利部,2001