滞留气体对水电站引水系统运行稳定性的影响

李小芹,孟利平,李 浦,蔡正华,刘建伟,王福军

(1.中国农业大学,北京100083;2.大唐国际发电股份有限公司,北京100033;3.四川金康电力发展有限公司,四川康定626000)

滞留气体对水电站引水系统运行稳定性的影响

李小芹1,孟利平2,李 浦3,蔡正华3,刘建伟2,王福军1

(1.中国农业大学,北京100083;2.大唐国际发电股份有限公司,北京100033;3.四川金康电力发展有限公司,四川康定626000)

水电站输水管道中局部高点易形成空气集中,滞留气体将增加管道的水力损失并引发水力激振,危及引水系统的安全运行。针对某水电站调水管道引水沟钢筋混凝土盖板水力冲击破损问题,就引水系统中存在的滞留气体对电站运行带来的影响进行了研究。受机组运行工况变化的影响,管道中滞留气体向上游传播形成水击,是导致上游建筑物破损的主要原因。对输水管路存在局部高点的电站,当管路中水流的佛劳德数小于临界佛劳德数时,在工程设计中应设置固定的排气装置。

水电站；引水系统；运行稳定性；滞留气体

0 引 言

受地理、地质和施工条件的限制,水电站引水系统管道的布置有时会出现起伏,形成局部高点[1]。在这些起伏部位易形成空气集中,会降低管路的通流能力,增加输水系统的阻力,同时气团的压缩性使管路中声速降低,容易引起直接水击,给管路系统的稳定性及机组运行的安全性带来威胁。

管道充水时,需要排出大量气体,为保证空气迅速排出,并防止充水过程发生爆管等事故,大多在水力系统局部高点处设置空气阀或者开设通气孔等[2]。一般水电站引水系统中无局部高点,因此很少设置排气阀、通气孔等排气设施。由于水电站引用流量一般较大,当局部高点处的空气无法正常排出时,对引水系统造成的危害会更大。

目前,国内外一些学者就管道中滞留气体对输水系统的影响进行了一些研究。Bendiksen等通过量纲分析,得出管道中气泡启动的临界流速是表面张力、佛劳德数、雷诺数以及水力坡度的函数,并给出了忽略表面张力时管道中气泡启动的临界条件[3]。Daniel等对水柱分离现象进行研究,分析了原型中滞留气泡对管道流量和输水能力的影响,得出空穴体积是由吉普森定律决定的,同时应用高速摄影技术拍摄,采用一维理论考虑管道弹性、直径以及气体对声速的影响,进行了水锤数值计算[4]。郭永鑫等基于气体热力学原理,建立原模型之间气泡的几何关系,并针对北京某引水暗涵的现有通气孔设计,结合模型试验结果,分析了原型中滞留气泡对输水能力的影响[5]。郑源等对输水管道系统水流冲击截留气团进行了研究,得出水流冲击截留气团的最大压力与其在一个大气压下的初始体积占管道总体积的比例有关[6]。现有研究主要是长引水管路中气体对管路的输水能力、过渡过程中的破坏进行分析,对大引用流量的水电站输水系统中滞留气体的工程危害研究较少。

本文针对某水电站调水管道引水沟钢筋混凝土盖板破损问题,分析了引水系统中滞留气体对管道系统的影响,并提出了消除管道滞留空气的措施。

1 管道中滞留气体的存在条件

管道中气体滞留的形成和含气水流流态的变化有关,而管线形状对气体析出影响较大。当管道中存在局部高点时,空气会在管路上弯驼峰段积聚；下倾管道的上游水平段有时也会形成气体聚集。当管道驼峰处存在截留空气,在输水管道未经排气就立即充水时,有压水流高速冲击气团的现象无法避免。气体的存在使水流无法顺畅流入下游,形成水流阻塞。由于流速的快速变化,产生较大的水击,极易损坏管道。因此,气体的存在不仅增加了阻力,产生较大的水力损失,同时,也可能引起管路中压力震荡,造成管路破裂,给电站的安全运行带来隐患。

根据Bendiksen等得出的结论,可知,当忽略表面张力的影响时,管道中气泡启动的临界流速为

(1)

由此可知,管子直径越大,临界速度越大,更容易发生空气滞留现象。当Fr

2 实例分析

2016年5月,某水电站尾水明渠有大量气泡溢出(超过正常补气),同时上游调水管道引水沟钢筋混凝土盖板遭到严重损坏,初步分析为滞留空气引起的。

2.1 工程概述

该电站为引水式水电站,枢纽建筑物主要由引水建筑物、调水建筑物以及地面厂房等组成。引水系统的示意图如图1所示。调水建筑物由取水坝、引水渠及引水副洞等组成。引水建筑物由混凝土闸坝、塔式进水口、引水隧洞、调压井和压力管道等组成。引水洞线自进水口至厂房纵轴线的平面投影长16.789 km。过水断面为马蹄形,底宽3.90 m,净高5.25 m。由于当时施工条件所限,在3号和4号支洞的B点和E点之间以及4号支洞和调压井之间的E点和H点之间分别存在一个局部高点D和F。图2所示为引水系统中局部高点附近尺寸图。压力管道采用一条主管经一个对称“Y”形岔管分别为两条支管向两台机组供水。

图1 水电站引水系统示意

图2 局部高点附近尺寸示意(单位：m)

电站的主要参数为：设计引用流量32.22 m3/s,发电引用设计流量32.04 m3/s,压力管道首端中心高程2 474.000 m,水库正常蓄水位2 610.00 m,死水位 2 602.00 m,水轮机额定水头417.0 m,电站装机2×60 MW。

2.2 事件现象

2016年5月9日早,电站值班人员发现尾水渠水流比以前混浊,且气泡较多,如图3所示。巡检发现调水系统引水沟钢筋混凝土盖板被掀开,其他正常。上午11:00左右附近施工人员听到声响,疑似爆破声,并见一大股水从引水渠喷出(图1中N点处),高度约5～6 m,喷射距离约20 m,随后逐渐消退。5月10日,工人在二十分钟内看到引水支沟两次涌水,声音大。组织人员现场查看,发现边坡稳定,看不出人为破坏的痕迹,调水明渠引水沟钢筋混凝土盖板被整体掀翻破坏,盖板与边墙连接的65根钢筋全部断裂,如图4所示。随后对引水系统沿途边坡、冲沟、调压井等进行了检查,均未发现异常,但尾水出口气泡很多,约占尾水渠面积的2/3。采集引水隧洞所有监测数据,无异常突变；同时机组的振动、摆度、噪声等参数均无明显异常；关闭机组补气,尾水出口处的气泡无明显减少。

图3 尾水出口的大量气泡

图4 损坏的侧向溢流堰顶板

2.3 原因分析

当时机组负荷为22 MW,对应流量约6.7 m3/s,分析认为隧洞塌方可能性小,极可能是引水隧洞有二处反坡(图2中B点到D点,隧洞纵坡i=0.3%(反坡)；E点到F点隧洞纵坡i=0.1%(反坡))。这两处反坡导致隧洞中气体没有排出,发生气阻现象,并使管路中的声速减小,由间接水击转为直接水击的可能性增大；由于引水管路长,流量较大,当流速稍有变化,即可发生较大的压力变化,此压力随着管路向上传播,造成侧向溢流堰顶板损坏,同时水流将气体带至水轮机尾水管中,致尾水明渠有大量气泡溢出。

按设计要求,该电站引水隧洞的充水流量为2.4 m3/s,对应流速为0.118 m/s,小于产生气泡的临界流速,因此可能在局部最高点发生气体滞留现象。于是现场停机后对管路进行排水,2016年5月21日隧洞排水完毕。工作人员从进水口、3号洞进人孔、4号洞进人孔进洞对引水隧洞进行了全面检查,发现在3号洞下游段P点到Q点隧洞壁有明显的水位线痕迹,从隧洞底板起算高度从约4.0 m逐步降至0.3 m左右,D点附近洞顶干燥,长度约为20 m,证明了此处存在气体的推断。第二局部高点F附近均为全湿润,说明此处全部充满水,无滞留气体,综合分析原因可能为此段地质条件较好,引水隧洞采用砼喷护处理,同时此处的坡度也比D处附近的小,部分气体经喷护的岩石缝隙渗入山体,另一部分被水流带到下游。

对管中存在气体时最小断面处的临界流速进行计算,马蹄形断面,最小断面处的水力直径约为1.328 m。两个高点处对应的临界流速分别为1.296、1.278 m/s,机组出力分别约为5.8、5.7 MW。由于机组的正常运行工况对应的流量均大于临界流量,因此运行过程中会将滞留在隧洞中的部分气体带出一部分到下游尾水渠中。机组设计流量下的隧洞内水流速度为1.577 m/s,小于全湿润状态下的临界流速,因此会有大部分气体无法排出。滞留气泡的再启动和能量聚集,流量的变化引起压力波,直到产生了水击现象,造成引水沟钢筋混凝土盖板损坏。

2.4 解决方案

对隧洞中存在的气体体积进行计算(如图2所示),反坡点下游段的体积约为12.6万m3。当存在滞留气体时,根据检查情况,气体段长约840 m,气体空腔最高处过水断面仅0.3 m左右,此时的气体体积约为6 750 m3。由于电站已经建成,且引水隧洞埋深大,在局部高点处安装排气阀已不可能。分析尾水气泡及溢流堰顶板损坏情况,即便引水进口在水下约12 m(当时机组在高水位下运行),水流中仍有夹带气体在D点附近不断聚集,说明不能通过控制水位运行方式减少气体聚集,必须设置固定的排气装置。

经研究,决定在引水隧洞设置DN100钢管,由高点D经3号施工支洞,从支洞人孔门引出。虽然高点F附近为全湿润,但考虑到当流速较小时有可能出现气体滞留的现象,同时,此处距离引水管及施工支洞的进出口均很远,因此采用在F处附近喷护段顶拱位置设置几个直径为Φ120的排气孔,将滞留气体从岩石裂隙中排出。于5月25日完成3号洞下游排气管的安装。在充水过程中3号洞下游布置的引气钢管有大量高压气体排出,大约3天所有气体被排出。机组已于2016年5月30日00:15并网发电,机组负荷54 MW,相应的流量约为14.7 m3/s,尾水有少量气泡,30日上午8:00发现尾水渠有大量气泡,并逐步减小,于13:30气泡全部消失,推断为F处隧洞反坡段气体随水流排出的原因。电站运行至今,一直运行稳定,证明所采取的措施得当。

3 结 论

根据该电站气体对引水系统的影响分析,可以得出如下结论：

(1)水电站引水系统的直径较大,当存在局部高点时,更易出现空气滞留现象。引水系统应尽量避免出现局部高点,下倾管道的上游侧尽量采用微小的倾角,以利于消除滞留气体。

(2)滞留气体的再启动和排出引起压力波,产生水击,严重时将对引水系统造成损坏。

(3)对已运行电站,若无法安装排气阀,可以考虑从引水隧洞中设置钢管将气体排出。当局部高点距离管路进出口均很远且埋深较大时,可采用打排气孔的方式将气体从岩石裂隙中排出；当管路中水流的佛劳德数小于临界佛劳德数时,在设计阶段应考虑排气问题,并设置永久的排气装置。

[1]俞韵祺, 万五一, 潘锦豪. 海底输水管道中气阻及水击问题研究进展[J]. 水利水电科技进展, 2015, 35(3): 114- 118．

[2]戚兰英, 刘勇, 谢明利. 南水北调中线大型输水系统空气阀性能与运行分析[J]. 水利水电技术, 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, 杨开林, 郭新蕾, 等. 大型管道输水系统充水过程滞留气泡对输水能力的影响 [J]. 水利学报, 2013, 44(3): 262- 267．

[6]郑源, 张健, 索丽生, 等. 输水管道水流对截留气团的冲击[J]. 水利学报, 2005, 36(11): 1365- 1370．

(责任编辑高 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

国家自然基金重点项目(51139007)

李小芹(1971—)，女，河北迁安人，副教授，博士，研究方向为水力机械系统及运行．

TV732.4

：A

：0559- 9342(2017)06- 0089- 04