海甸峡水电站调压室稳定断面选定及其涌波计算

王明锋

(甘肃省水利水电勘测设计研究院,兰州 730000)

1 概述

海甸峡水电站位于甘肃省临洮县西南约38km的洮河干流上,是洮河水能梯级开发的第21个梯级电站。海甸峡水电站采用混合式开发方式,水库正常蓄水位2002.00m,校核洪水位2004.00m,设计引水流量244.2m3/s,设计水头29.5m。电站总装机容量52.5MW。海甸峡水电站属中型III等工程,电站主体工程由枢纽、引水系统及发电厂房三大部分组成,其中引水系统包括进水口、压力引水道、调压室和压力管道。在整个引水系统中调压室占有相当大的一部分投资。设置调压室虽然能减小压力引水道和压力管道的内水压力,降低它们的造价,能比较全面的解决水电站的调节保证问题,但其投资大、工期长将直接影响电站效益,所以给调压室做优化设计对整个电站来说是很有必要的,尤其是中小型水电站。

设置调压室是改善有压长输水道水电站运行条件的一种可靠措施。调压室稳定断面积的选择涉及较多影响因素。合适的调压室稳定断面积不但能保证水位波动的快速衰减,而且能够提高水电站运行的稳定性和供电质量。调压室稳定断面积的最优选择,拟根据具体情况采用电算法对引水系统作小波动稳定性计算确定。传统的调压室稳定断面面积的选择依靠托马 (Thoma)公式计算值乘以安全系数来确定。

1 调压室稳定断面计算

2.1 设计基本资料及相关参数计算

本工程中调压室上接引水洞即压力引水道,下接压力管道。压力引水道长为839.77m,断面为圆形,直径9.0m。压力管道位于引水系统末端,采用一管三机的 “Y” 型布置方案,主管长130.35m,内经8.0m;岔管设置为两个 “Y”型岔管嵌套布置,三条支管内经均为4.8m。根据上游调压室的设置条件,压力水道中水流惯性时间常数Tw大于其允许值 (2～4s)时需设上游调压室,该电站压力水道中水流惯性时间常数15.45s,故该电站需设上游调压室。引水系统水头损失计算见表1。

表1 引水系统水头损失计算成果表

2.2 调压室稳定断面面积计算

上游调压室的稳定断面面积按托马(Thoma)准则计算,并乘以系数K决定:

式中:Ath——托马临界稳定断面面积,m2;

L——压力引水道长度 ,m;

A1——压力引水道断面面积 ,m2;

H0——发电最小静水头 ,27.1m;

v——压力引水道流速,v=3.84m/s;

hw0——压力引水道水头损失,m;

hwm——压力管道水头损失 ,m;

K——系数,一般可采用1.0～1.1;本次计算取K=1.0。

计算得稳定断面面积:A=758m2,相当于直径为31.1m的圆形室筒,即调压室竖室直径必须等于或大于31.1m。

3 稳定断面面积的选定

依据托马公式所计算的室筒直径达31.1m,施工难度大、投资高。因本电站调压室围岩为砂质粘土岩夹砂岩,地质条件较差,如此大直径和深度的调压室不但工程量大、造价高,且施工难度很大。为此,应对调压室断面进行优化设计。托马公式计算所得断面的稳定条件是:①波动是线性的,即扰动为无限小;②水电站孤立运行;③调速器绝对灵敏并严格保持出力恒定;④忽略水轮机效率的变化。托马公式计算所得断面面积偏于保守,现在的水电站都是并网运行的,随着电力系统容量的日趋扩大,单个水电站在系统中所占的比重也日趋减小,特别中小型电站。海甸峡水电站的送出系统直接进入了西北大电网,其发电负荷在西北电网中所占比例极小,负荷波动不会对系统的供电质量产生实质性影响,且该电站也不会存在单独供电给某一地区的情况,所以在调压室的面积计算中充分考虑了其运行的边界条件。海甸峡水电站调压室设计参照国内已建电站运行经验,在考虑系统运行边界条件和调速器作用的前提下,将调压室的实际断面面积取按托马(Thoma)准则计算的稳定断面面积的40%,由计算的稳定断面面积758m2减小到303.2m2,经换算得调压室直径为19.65m,实际设计中,将调压室直径取用21m,调压室实际采用断面面积为346m2。

4 调压室的涌波计算

4.1 调压室涌波计算工况

调压室最高涌波计算工况:水位为正常蓄水位2002.00m时,共用同一调压室的全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷。调压室最低涌波计算工况:上游水库死水位时,共用同一调压室的全部n台机组由(n-1)台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载,并复核正常蓄水位2002.00m时共用同一调压室的全部机组瞬时丢弃全部负荷时的第二振幅。计算调压室涌波水位时,丢弃负荷时引水道和尾水道的糙率均取最小值;增加负荷时引水道和尾水道的糙率均取最大值。其水头损失值见表1。调压室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1m,上游调压室最低涌波水位与调压室处压力引水道顶部之间的安全高度不小于2m。

4.2 调压室最高涌波计算

求最高涌波时,水头损失要取用可能的最小值。根据隧洞衬砌施工条件及洞身布置,选取糙率n=0.012,且忽略局部损失,按常规水力学公式计算引水道的总水头损失,具体计算如下:

式中:Q0——电站设计引水流量。Q0=244.2m3/s;

L——压力引水道长度。L=839.77m;

D——压力引水道直径。D=9.0m;

R —— 水力半径。R=D/4=2.25m;

f——压力引水道断面面积。f=63.62m2;

F——调压井竖井面积。F=346.4m2;

V0——压力引水道水流流速。V0=3.84m/s;

hw0——引水道的总水头损失;

S——计算参数。

经过试算得:最高涌波为14.94m。

则调压室内最高水位为:

2002+14.94 =2016.94m

4.3 调压室最低涌波计算

调压室最低涌波计算考虑以下两种情况:

第一种情况:上述最高涌波以后发生的最低涌波。

将最高涌波时求得的Xm的绝对值代入下式求A1。

A1=∣Xm∣-ln(1+∣Xm∣)

再从下式解算其负根:

ln(1+X2)-X2=A1

试算得:Z2=-14.19m,相应的最低水面高程为2002-14.19=1987.81m。

第二种情况:机组增荷所产生的最低涌波:

这时取水库的水位为最低运行水位1994.0m,n值取可能的最大值0.016,考虑两台机组运行,第三台机组由空转流量0.1Q迅速投运,即总流量为0.1×Q0/3+2/3×Q0=0.7Q0,故m=0.7。计算如下(公式中符号意义同前)。

计算得:Z m in=6.84,相应的最低水面高程为1994-6.84=1987.16m。

综合以上两种情况,可见水库低水位运行时突然增荷所产生的水面降落是控制值。即最低涌波水位高程为1987.16m。

5 结语

有压引水式电站在压力水道较长或压力水道中水流惯性时间常数Tw值较大的情况下,为满足调节保证均设置上游调压室。调压室具有较大的容积和自由水面,能使水击波产生反射,达到缩短压力水管以降低水击压力的目的,从而减小管道结构厚度,防止管道内真空,改善机组运行条件。设置上游调压室虽然有很多优点,但也有不可避免的不利因素,建设调压室的投资大、工期长直接影响电站的效益。海甸峡水电站在充分考虑系统运行边界条件和调速器作用的情况下,根据电站实际运行情况对调压室的稳定断面进行了优化设计,在实际运行中未出现异常。调压室稳定断面的优化缩小,很大程度上节省了工程投资,缩短了工程总工期。由此看来,若中小型水电站不做孤立电站运行或电站容量占电力系统总容量很小的情况下,可视电站实际运行情况对调压室稳定断面进行优化缩小,甚至考虑用其他调节保证措施,充分研究水击现象和机组运行条件,进行技术比较后取消上游调压室的设置。

1 DL/T5058-1996水电站调压室设计规范[S].中华人民共和国电力工业部,1996

2 潘家铮.水工隧洞和调压室(调压室部分),[M].北京:水利电力出版社,1990

3 SL266-2001水电站厂房设计规范[S].中华人民共和国水利部,2001