調壓室位置變化對水力過渡過程的影響

李建斌 張曉宏 郝起禮

【摘要】結合實際工程以及阻抗式調壓室的特點，建立水力過渡過程水錘基本方程及邊界條件，結合工程實例計算研究阻抗式調壓室布置位置的變化對壓力隧洞末端水錘壓力、調壓室涌浪水位、蝸殼末端水錘壓力的影響，這也是進行調壓室水力過渡過程研究的目的所在。

【關鍵詞】調壓室；水錘壓力；涌浪水位；水力過渡過程

引言

任何動力系統在運行的過程中，由于種種原因，正常的和非正常的，不可避免的從一種恒定狀態轉換到另一種恒定狀態。這種轉換不是瞬時完成的，總得有一個過程，這個過程就是過渡過程。當水流狀態從一種穩定狀態變為另一種穩定狀態時，它的中間過渡流態稱為水力過渡過程[1-2]。在水力過渡過程中，水錘是一個普遍存在的現象，因此在實際工程建設時常在有壓引水隧洞與壓力管道銜接處建造調壓室以改善水錘壓力的影響。在實際工程中調壓室的布置位置關系到有壓引水隧洞和壓力管道的布置以及水力過渡過程的穩定性[3-4]。本文將結合工程實例在滿足水輪機機組運行工況下，對壓力管道水錘、調壓室水位波動、引水隧洞的水錘壓力進行計算研究，這些方面都是合理布置調壓室所要考慮的主要因素，也是引水系統水力過渡過程研究的目的所在。

1、基本原理

在有壓管道系統中，水流從一個穩定狀態變化到另一個穩定狀態的過程，稱為有壓管道

水力過渡過程。當管道內水流的流量或流速發生變化時會引起水壓力的波動現象，這種現象

稱為水錘（以往亦稱為水擊）現象。

水錘基本方程是依據牛頓第二定律和質量守恒定律并基于如下3條假設推導得出的：

（1）管道中的水流為均勻流，并且流速均勻分布在管道橫截面上。

（2）管壁和液體是線彈性的，即應力與應變成比例，這對于大部分管道如金屬、混凝土、木管以及襯砌和不襯砌的巖石隧洞都是真實的。

（3）計算管道中均勻流狀態下的阻力損失公式，在水利過渡狀態中是有效的。

由文獻[5-7]可知，根據牛頓定理和質量守恒定律可以分別導出管道水流計算的運動方程和連續方程：

式（1）

式（2）

式中：H為水頭；V為流速；X為流程；a為水擊波傳播速度；D為管徑；t為時間；g為水流重力加速度；α為管道計算傾斜角，f為管道的計算摩擦阻力系數。上述兩方程式組成了偏微分方程組[8]，其中為小項可忽略不計，將該方程組簡化并轉化成常微分方程組后，可得以下兩個特征方程：

式（3）

式（4）

把一根長L的管道分成N段，每一段的長度為，并取時間步長，根據特征方程可以繪制出如圖1所示平面上的矩形網格。

將特征方程沿特征線積分，其解的簡化為：

式中CP、BP、CM、BM是時刻t-Δt的已知量，根據上述兩方程可求得時刻t，管道P點的壓力和流量。

2 邊界條件的建立

如圖2所示，調壓室水位以水電站下游尾水位為計算基準面，向上為正，向下為負。

基本假定[9-10]：

（1）調壓室內的水體慣性及摩擦阻力損失忽略不計；

（2）水流經過調壓室阻抗孔口的水力損失符合恒定流定律；

（3）假定水流流入阻抗孔和流出阻抗孔時，阻抗孔的阻抗系數是一定的。

根據阻抗室調壓室的水位波動變化，有：

式（12）

其中：

式中K為阻抗孔阻抗系數；為調壓室斷面面積；為t時刻時調壓室水位；為t時刻時流過阻抗孔的水流流量，流出時為負；為阻抗孔流量系數， =0.6-0.8，取=0.7；S為阻抗孔斷面面積。

3、結果與分析

某水電站整個引水系統由引水隧洞、兩條引水發電支洞、和調壓室三大部分組成。引水隧洞總長482.03米，洞徑為10.0m及9.2m；引水隧洞的末端布置調壓室，調壓室下游兩條發電引水支洞亦即壓力管道的長度分別為246.704m和284.33m，洞徑都是7.9m。

工況I：上游水位為校核洪水位（267.7m）時，兩臺機組同時丟棄負荷；工況II：上游水位為正常蓄水位（263.5m）時，兩臺機組同時丟棄負荷；工況III：上游水位為死水位（242.0m）時，一臺機組停機，另一臺機組增加滿負荷。本工程實例將根據調壓室的不同布置位置分為原始未移動的位置、移動位置1、移動位置2（見圖3），對三種工況進行計算研究。移動位置1是將原調壓室位置靠近廠房20m，移動位置2是將原調壓室位置靠近廠房40m。 工況I計算結果見表1，工況II：計算結果見表2。

3.1 計算結果

3.2 計算結果分析

工況II下經計算分析，調壓室位置變化對隧洞末端壓力、調壓室涌浪、蝸殼壓力的影響跟工況I中的情況基本相同，所以在此不做過多分析。工況III的計算分析只是為了得到最低涌波水位，從而確定調壓室的底板高程。總體分析：①甩負荷時，調壓室位置由未移動向位置2改變使得隧洞末端壓力逐漸升高。②甩負荷時，調壓室位置由未移動向位置2改變使得調壓室第一涌浪振幅逐漸升高，第二涌浪振幅逐漸降低。③甩負荷時，調壓室位置由未移動向位置2改變使得蝸殼末端壓力逐漸降低。④甩負荷時，調壓室由未移動位置向位置2改變時，調壓室涌浪波動衰減沒有太大的變化；蝸殼末端壓力在起始時刻有減小但對之后的衰減過程影響不大。

4、結語

本文結合工程實例，從水輪機的甩負荷工作工況進行分析了在阻抗升管式調壓室中，改變調壓室的位置對水力過渡過程的影響，通過對阻抗升管式調壓室位置變化的計算分析，可以反映出調壓室在不同位置時在水力過渡過程中的特點。本課題是一項很契合工程實際需要的研究，對水利水電工程的建設有很重要的作用和廣泛的意義。

參考文獻：

[1]魏先導.水力機組過渡過程計算[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]吳榮樵，陳鑒治.水電站的水力過渡過程[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[3]左東啟等.水工設計手冊（第七分冊）[M].北京：水利電力出版社，1989.

[4]王樹人. 水錘理論與計算方法[M]. 北京：清華大學出版社.1981.

[5]楊開林. 電站與泵站中的水力瞬變及調節[M]. 北京：中國水利水電出版社，1997.

[6]丁浩. 水電站有壓引水系統非恒定流[M]. 北京：水利電力出版社，1986.

[7]E.B.懷利[美] V.L.斯特里特編， 瞬變流[M]. 北京：水利電力出版社，1983.2.

[8]劉啟釗.水電站（第三版）[M].中國水利水電出版社，1998.

[9]王樹人.調壓室計算理論及方法[M].北京：清華大學出版社，1989.

[10]潘家錚，傅華編.水工隧洞和調壓室[M].北京：水利電力出版社，1992.

作者簡介：李建斌（1989- ），男，碩士研究生，甘肅金昌人，助理工程師，主要從事土地工程、水利工程研究。