滯留氣體對水電站引水系統運行穩定性的影響

李小芹,孟利平,李 浦,蔡正華,劉建偉,王福軍

(1.中國農業大學,北京100083;2.大唐國際發電股份有限公司,北京100033;3.四川金康電力發展有限公司,四川康定626000)

滯留氣體對水電站引水系統運行穩定性的影響

李小芹1,孟利平2,李 浦3,蔡正華3,劉建偉2,王福軍1

(1.中國農業大學,北京100083;2.大唐國際發電股份有限公司,北京100033;3.四川金康電力發展有限公司,四川康定626000)

水電站輸水管道中局部高點易形成空氣集中,滯留氣體將增加管道的水力損失并引發水力激振,危及引水系統的安全運行。針對某水電站調水管道引水溝鋼筋混凝土蓋板水力沖擊破損問題,就引水系統中存在的滯留氣體對電站運行帶來的影響進行了研究。受機組運行工況變化的影響,管道中滯留氣體向上游傳播形成水擊,是導致上游建筑物破損的主要原因。對輸水管路存在局部高點的電站,當管路中水流的佛勞德數小于臨界佛勞德數時,在工程設計中應設置固定的排氣裝置。

水電站；引水系統；運行穩定性；滯留氣體

0 引 言

受地理、地質和施工條件的限制,水電站引水系統管道的布置有時會出現起伏,形成局部高點[1]。在這些起伏部位易形成空氣集中,會降低管路的通流能力,增加輸水系統的阻力,同時氣團的壓縮性使管路中聲速降低,容易引起直接水擊,給管路系統的穩定性及機組運行的安全性帶來威脅。

管道充水時,需要排出大量氣體,為保證空氣迅速排出,并防止充水過程發生爆管等事故,大多在水力系統局部高點處設置空氣閥或者開設通氣孔等[2]。一般水電站引水系統中無局部高點,因此很少設置排氣閥、通氣孔等排氣設施。由于水電站引用流量一般較大,當局部高點處的空氣無法正常排出時,對引水系統造成的危害會更大。

目前,國內外一些學者就管道中滯留氣體對輸水系統的影響進行了一些研究。Bendiksen等通過量綱分析,得出管道中氣泡啟動的臨界流速是表面張力、佛勞德數、雷諾數以及水力坡度的函數,并給出了忽略表面張力時管道中氣泡啟動的臨界條件[3]。Daniel等對水柱分離現象進行研究,分析了原型中滯留氣泡對管道流量和輸水能力的影響,得出空穴體積是由吉普森定律決定的,同時應用高速攝影技術拍攝,采用一維理論考慮管道彈性、直徑以及氣體對聲速的影響,進行了水錘數值計算[4]。郭永鑫等基于氣體熱力學原理,建立原模型之間氣泡的幾何關系,并針對北京某引水暗涵的現有通氣孔設計,結合模型試驗結果,分析了原型中滯留氣泡對輸水能力的影響[5]。鄭源等對輸水管道系統水流沖擊截留氣團進行了研究,得出水流沖擊截留氣團的最大壓力與其在一個大氣壓下的初始體積占管道總體積的比例有關[6]。現有研究主要是長引水管路中氣體對管路的輸水能力、過渡過程中的破壞進行分析,對大引用流量的水電站輸水系統中滯留氣體的工程危害研究較少。

本文針對某水電站調水管道引水溝鋼筋混凝土蓋板破損問題,分析了引水系統中滯留氣體對管道系統的影響,并提出了消除管道滯留空氣的措施。

1 管道中滯留氣體的存在條件

管道中氣體滯留的形成和含氣水流流態的變化有關,而管線形狀對氣體析出影響較大。當管道中存在局部高點時,空氣會在管路上彎駝峰段積聚；下傾管道的上游水平段有時也會形成氣體聚集。當管道駝峰處存在截留空氣,在輸水管道未經排氣就立即充水時,有壓水流高速沖擊氣團的現象無法避免。氣體的存在使水流無法順暢流入下游,形成水流阻塞。由于流速的快速變化,產生較大的水擊,極易損壞管道。因此,氣體的存在不僅增加了阻力,產生較大的水力損失,同時,也可能引起管路中壓力震蕩,造成管路破裂,給電站的安全運行帶來隱患。

根據Bendiksen等得出的結論,可知,當忽略表面張力的影響時,管道中氣泡啟動的臨界流速為

(1)

由此可知,管子直徑越大,臨界速度越大,更容易發生空氣滯留現象。當Fr

2 實例分析

2016年5月,某水電站尾水明渠有大量氣泡溢出(超過正常補氣),同時上游調水管道引水溝鋼筋混凝土蓋板遭到嚴重損壞,初步分析為滯留空氣引起的。

2.1 工程概述

該電站為引水式水電站,樞紐建筑物主要由引水建筑物、調水建筑物以及地面廠房等組成。引水系統的示意圖如圖1所示。調水建筑物由取水壩、引水渠及引水副洞等組成。引水建筑物由混凝土閘壩、塔式進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道等組成。引水洞線自進水口至廠房縱軸線的平面投影長16.789 km。過水斷面為馬蹄形,底寬3.90 m,凈高5.25 m。由于當時施工條件所限,在3號和4號支洞的B點和E點之間以及4號支洞和調壓井之間的E點和H點之間分別存在一個局部高點D和F。圖2所示為引水系統中局部高點附近尺寸圖。壓力管道采用一條主管經一個對稱“Y”形岔管分別為兩條支管向兩臺機組供水。

圖1 水電站引水系統示意

圖2 局部高點附近尺寸示意(單位：m)

電站的主要參數為：設計引用流量32.22 m3/s,發電引用設計流量32.04 m3/s,壓力管道首端中心高程2 474.000 m,水庫正常蓄水位2 610.00 m,死水位 2 602.00 m,水輪機額定水頭417.0 m,電站裝機2×60 MW。

2.2 事件現象

2016年5月9日早,電站值班人員發現尾水渠水流比以前混濁,且氣泡較多,如圖3所示。巡檢發現調水系統引水溝鋼筋混凝土蓋板被掀開,其他正常。上午11:00左右附近施工人員聽到聲響,疑似爆破聲,并見一大股水從引水渠噴出(圖1中N點處),高度約5～6 m,噴射距離約20 m,隨后逐漸消退。5月10日,工人在二十分鐘內看到引水支溝兩次涌水,聲音大。組織人員現場查看,發現邊坡穩定,看不出人為破壞的痕跡,調水明渠引水溝鋼筋混凝土蓋板被整體掀翻破壞,蓋板與邊墻連接的65根鋼筋全部斷裂,如圖4所示。隨后對引水系統沿途邊坡、沖溝、調壓井等進行了檢查,均未發現異常,但尾水出口氣泡很多,約占尾水渠面積的2/3。采集引水隧洞所有監測數據,無異常突變；同時機組的振動、擺度、噪聲等參數均無明顯異常；關閉機組補氣,尾水出口處的氣泡無明顯減少。

圖3 尾水出口的大量氣泡

圖4 損壞的側向溢流堰頂板

2.3 原因分析

當時機組負荷為22 MW,對應流量約6.7 m3/s,分析認為隧洞塌方可能性小,極可能是引水隧洞有二處反坡(圖2中B點到D點,隧洞縱坡i=0.3%(反坡)；E點到F點隧洞縱坡i=0.1%(反坡))。這兩處反坡導致隧洞中氣體沒有排出,發生氣阻現象,并使管路中的聲速減小,由間接水擊轉為直接水擊的可能性增大；由于引水管路長,流量較大,當流速稍有變化,即可發生較大的壓力變化,此壓力隨著管路向上傳播,造成側向溢流堰頂板損壞,同時水流將氣體帶至水輪機尾水管中,致尾水明渠有大量氣泡溢出。

按設計要求,該電站引水隧洞的充水流量為2.4 m3/s,對應流速為0.118 m/s,小于產生氣泡的臨界流速,因此可能在局部最高點發生氣體滯留現象。于是現場停機后對管路進行排水,2016年5月21日隧洞排水完畢。工作人員從進水口、3號洞進人孔、4號洞進人孔進洞對引水隧洞進行了全面檢查,發現在3號洞下游段P點到Q點隧洞壁有明顯的水位線痕跡,從隧洞底板起算高度從約4.0 m逐步降至0.3 m左右,D點附近洞頂干燥,長度約為20 m,證明了此處存在氣體的推斷。第二局部高點F附近均為全濕潤,說明此處全部充滿水,無滯留氣體,綜合分析原因可能為此段地質條件較好,引水隧洞采用砼噴護處理,同時此處的坡度也比D處附近的小,部分氣體經噴護的巖石縫隙滲入山體,另一部分被水流帶到下游。

對管中存在氣體時最小斷面處的臨界流速進行計算,馬蹄形斷面,最小斷面處的水力直徑約為1.328 m。兩個高點處對應的臨界流速分別為1.296、1.278 m/s,機組出力分別約為5.8、5.7 MW。由于機組的正常運行工況對應的流量均大于臨界流量,因此運行過程中會將滯留在隧洞中的部分氣體帶出一部分到下游尾水渠中。機組設計流量下的隧洞內水流速度為1.577 m/s,小于全濕潤狀態下的臨界流速,因此會有大部分氣體無法排出。滯留氣泡的再啟動和能量聚集,流量的變化引起壓力波,直到產生了水擊現象,造成引水溝鋼筋混凝土蓋板損壞。

2.4 解決方案

對隧洞中存在的氣體體積進行計算(如圖2所示),反坡點下游段的體積約為12.6萬m3。當存在滯留氣體時,根據檢查情況,氣體段長約840 m,氣體空腔最高處過水斷面僅0.3 m左右,此時的氣體體積約為6 750 m3。由于電站已經建成,且引水隧洞埋深大,在局部高點處安裝排氣閥已不可能。分析尾水氣泡及溢流堰頂板損壞情況,即便引水進口在水下約12 m(當時機組在高水位下運行),水流中仍有夾帶氣體在D點附近不斷聚集,說明不能通過控制水位運行方式減少氣體聚集,必須設置固定的排氣裝置。

經研究,決定在引水隧洞設置DN100鋼管,由高點D經3號施工支洞,從支洞人孔門引出。雖然高點F附近為全濕潤,但考慮到當流速較小時有可能出現氣體滯留的現象,同時,此處距離引水管及施工支洞的進出口均很遠,因此采用在F處附近噴護段頂拱位置設置幾個直徑為Φ120的排氣孔,將滯留氣體從巖石裂隙中排出。于5月25日完成3號洞下游排氣管的安裝。在充水過程中3號洞下游布置的引氣鋼管有大量高壓氣體排出,大約3天所有氣體被排出。機組已于2016年5月30日00:15并網發電,機組負荷54 MW,相應的流量約為14.7 m3/s,尾水有少量氣泡,30日上午8:00發現尾水渠有大量氣泡,并逐步減小,于13:30氣泡全部消失,推斷為F處隧洞反坡段氣體隨水流排出的原因。電站運行至今,一直運行穩定,證明所采取的措施得當。

3 結 論

根據該電站氣體對引水系統的影響分析,可以得出如下結論：

(1)水電站引水系統的直徑較大,當存在局部高點時,更易出現空氣滯留現象。引水系統應盡量避免出現局部高點,下傾管道的上游側盡量采用微小的傾角,以利于消除滯留氣體。

(2)滯留氣體的再啟動和排出引起壓力波,產生水擊,嚴重時將對引水系統造成損壞。

(3)對已運行電站,若無法安裝排氣閥,可以考慮從引水隧洞中設置鋼管將氣體排出。當局部高點距離管路進出口均很遠且埋深較大時,可采用打排氣孔的方式將氣體從巖石裂隙中排出；當管路中水流的佛勞德數小于臨界佛勞德數時,在設計階段應考慮排氣問題,并設置永久的排氣裝置。

[1]俞韻祺, 萬五一, 潘錦豪. 海底輸水管道中氣阻及水擊問題研究進展[J]. 水利水電科技進展, 2015, 35(3): 114- 118．

[2]戚蘭英, 劉勇, 謝明利. 南水北調中線大型輸水系統空氣閥性能與運行分析[J]. 水利水電技術, 2009, 40(12): 109- 121．

[3]BENDIKSEN K H. An experimental investigation of the motion of long bubbles in inclined tubes[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1984, 10(4): 467- 483．

[4]HIMR D. Investigation and numerical simulation of a water hammer with column separation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2015, 141(3): 04014080.

[5]郭永鑫, 楊開林, 郭新蕾, 等. 大型管道輸水系統充水過程滯留氣泡對輸水能力的影響 [J]. 水利學報, 2013, 44(3): 262- 267．

[6]鄭源, 張健, 索麗生, 等. 輸水管道水流對截留氣團的沖擊[J]. 水利學報, 2005, 36(11): 1365- 1370．

(責任編輯高 瑜)

InfluenceofResidualGasonOperatingStabilityofWaterDiversionSystemforHydropowerStation

LI Xiaoqin1, MENG Liping2, LI Pu3, CAI Zhenghua3, LIU Jianwei2, WANG Fujun1
(1. China Agricultural University, Beijing, 100083, China; 2. Datang International Power Co., Ltd., Beijing 100033, China; 3. Sichuan Jinkang Electric Power Development Co., Ltd., Kangding 626000, Sichuan, China)

The local high point in water conveyance pipeline of hydropower station is easy to form air concentration, and the residual gas will increase the hydraulic loss of pipeline and cause hydraulic exciting vibration, which will endanger the safe operation of water diversion system. Aiming at the hydraulic impact damage of reinforced concrete cover plate of water transfer pipeline branch ditch in a hydropower station, the influence of residual gas in water diversion system on the operation of power station is studied. As the changes of operating conditions of units, the residual gas in pipeline will spread to upstream and form a water hammer that is the main cause of damage of upstream building. In the case of a hydropower station with a local high point in water conveyance pipeline, a fixed venting device shall be provided in engineering design when the Froude number is less than critical Froude number．

hydropower station; diversion system; operation stability; residual gas

2016- 08- 25

國家自然基金重點項目(51139007)

李小芹(1971—)，女，河北遷安人，副教授，博士，研究方向為水力機械系統及運行．

TV732.4

：A

：0559- 9342(2017)06- 0089- 04