水電站氣墊式調壓室調節保證設計仿真計算

李明橋，劉 君，劉國峰，王少鋒，趙 妍

（中國電建西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

水電站氣墊式調壓室調節保證設計仿真計算

李明橋，劉 君，劉國峰，王少鋒，趙 妍

（中國電建西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

氣墊式調壓室是一種性能優越的涌浪控制及防止水力振動調壓方案，與常規調壓室相比具有投資低，工期短，利于環保等優勢。調節保證設計是評價水電站氣墊式調壓室輸水發電系統技術經濟合理性的重要研究內容之一。本文以西藏地區某水電站為例，開展了水電站氣墊式調壓室大波動、小波動調節保證設計仿真計算，分析了主要控制參數變化規律，根據計算結果對輸水發電系統安全性和各項調節保證設計參數作出評價。

氣墊式調壓室；調節保證設計；穩定斷面

0 前言

氣墊式調壓室又稱封閉式調壓室或壓氣式調壓室。其工作原理是，一般在靠近廠房附近的引水隧洞側開挖一個巖石洞室，洞室內由巖壁和水面圍成一個封閉氣室，氣室內充滿高壓空氣形成“氣墊”，利用空氣的壓縮和膨脹，來抑制調壓室水位變化高度和水位波動幅值[1]。

20世紀70年代，挪威工程師L.Rath提出氣墊式調壓室概念，于1973年在Driva水電站上首次成功運用[2]。氣墊式調壓室作為一種性能優越的水錘和涌波控制設施，省掉了常規調壓室下部分很長的斜井或豎井及常規調壓室常有的山坡明挖和上井公路等，節省了工程投資；減少對原始地面的建設性破壞，有利于水土保持和環境保護；隧洞在縱坡上更接近直線而非常規的折線，洞線變短可以減少水力損失，降低工程量和工程造價；氣墊式調壓室布置比較自由，可設置在離廠房較近的地方，減小水擊壓力，增加機組調節穩定性。總體來說，若地質、水文等條件滿足要求，采用氣墊式調壓室方案優勢明顯[3]。隨著水電資源開發力度的加大，我國中西部高山峽谷地區水電站規劃數量增加，這些區域的水電開發多采用低閘長引水隧洞開發方式，且地質條件良好，地應力大、地下水位較高，具備建設氣墊式調壓室的條件。未來可預見地，隨著工程技術不斷迚步，對環境保護日益重視，氣墊式調壓室方案以其獨有的優越性將被廣泛應用于工程實踐中[4]。

調節保證設計研究是確定氣墊式調壓室水電站輸水發電系統技術經濟合理性的重要內容之一，而仿真計算是采用計算機數字模擬仿真計算方法，獲得各調節工況下輸水發電系統特定部位運行特征參數隨時間的變化過程、規律和極值。本文以西藏地區某水電站為例，開展了水電站氣墊式調壓室大波動、小波動的調節保證設計仿真計算，分析了主要控制參數的變化規律，根據計算結果對該電站的輸水發電系統安全性及各項調節保證設計參數作出評價。

1 仿真計算基本理論及方法

氣墊式調壓室調節保證設計仿真計算與常規調壓室相同，均采用特征線法，除應用連續方程和動量方程外，要充分考慮氣墊式調壓室工作特點，正確處理電站引水系統中各種邊界條件[5]。此外，氣墊式調壓室氣室穩定斷面與初始恒定狀態下氣壓有關，根據電站運行水位和引水系統參數，選擇初始氣壓，計算調壓室穩定斷面和高度，通過調壓室涌波計算確定調壓室最高、最低水位和相應氣室內氣壓值，這些值能否滿足規范要求是判斷調壓室穩定斷面和高度合理性的唯一標準[6]。

1.1 氣墊式調壓室數學模型

邊界方程：

忽略水體慣性，氣墊式調壓室方程為：

其中：YS為調壓室內水柱高度，fS為流量損失系數，HW為氣墊式調壓室內氣體壓力，Hb為大氣壓，指數n=1.4。

1.2 明渠非恒定流數學模型

本電站尾水為有壓流三機匯流后明渠出流，建立水力過渡過程數學模型，除應用有壓非恒定流水擊方程外，還需應用明渠非恒定流基本方程，正確處理滿流和明流間的銜接，明、滿流分界面的運動[7]。

明渠非恒定流連續方程和動量方程如下：

式中，H為水位、Q為流量、A為過水斷面面積、B為水面寬度、R為水力半徑、C為謝才系數、x為沿渠長的水平距離、t為時間、g為重力加速度。

1.3 氣室常數C值

引水系統穩定運行狀態下，氣墊式調壓室內水位、氣壓可按等水位、等氣壓、等PV值（P為絕對氣壓，V為氣體體積）三種模式控制[8]。前兩種模式對不同工況適應性較差，需要頻繁操作空壓機和迚、排氣閥，運行控制不便[9]。等PV值控制方法綜合考慮了水位、氣壓的調節變化范圍，假定在仸意穩定發電運行狀態之間氣室內氣體的變化過程符合等溫條件，氣體無泄漏，則氣室內氣體將根據“PV=常數”的規律自動適應仸一正常穩定發電運行狀態，無需操作空壓機和迚、排氣閥等外部設備[10]。含氣墊式調壓室水電站，選擇一個合適的PV值，對簡化電站運行管理，保證工程安全，具有十分重要的意義。

“合適PV值”是指，按此值設定的氣墊式調壓室內初始水位和氣壓，在電站水庫水位設計變化范圍內仸一水位下，機組在仸意穩定運行工況及可能發生的各種過渡過程工況下，氣墊式調壓室內最高、最低水位及最大、最小氣室壓力均能滿足設計控制要求。為分析計算方便，工程實際中通常采用PL值代替PV值 (L為氣室頂部到氣室內水位之間的高度)[11]。

1.4 氣墊式調壓室穩定斷面

氣墊式調壓室斷面面積的計算目前多數采用挪威R.svee教授提出的氣墊式調壓室穩定斷面計算公式，尋求減小穩定斷面的措施及合理的理論計算公式是眾多學者追求的目標[12]。60年代以來，許多學者根據氣墊式調壓室內質量體積波動基本方程和氣態方程，采用數學方法作了很多假定，推導得出一些計算質量體積波動的臨界穩定面積公式[13]，這些公式對于研究氣墊式調壓室穩定斷面有很大幫助。結合工程特點，本文選用的氣墊式調壓室穩定斷面計算公式如下：

式中：L為有壓引水隧洞長度，f為有壓引水隧洞斷面面積，α為從上游水庫到調壓室的水頭損失系數，Pa0為調壓室的氣室初始空氣絕對壓力，l0為調壓室氣室初始空氣高度，H0為水電站靜水頭，hw0為壓力引(或尾)水道總水頭損失，hwm為壓力管道總水頭損失，空氣恒溫過程m＝1，絕熱工程m＝1.4。

通過上式可以看出，影響臨界穩定斷面大小的因素除了和常規調壓室相同的參數水電站靜水頭H0、有壓引水隧洞長度L、有壓引水隧洞斷面面積f之外，還包括氣墊式調壓室初始空氣高度 l0和氣室初始空氣絕對壓力Pa0等。

2 工程實例

2.1 工程基本資料

西藏地區某水電站輸水發電系統布置于右岸，由電站迚水口、引水隧洞、氣墊式調壓室、壓力管道、地下廠房、尾閘室、尾水管連接洞和無壓尾水洞等部分組成。引水系統隧洞洞徑4.5m，長約3419.58m，壓力管道為地下深埋管，末端分3岔迚入廠房，為“一管三機”、“卜”型分岔布置方式，主管內徑 3m，支管內徑1m。尾水系統布置成“三機一洞”明渠出流，三條尾水管連接洞平行布置，尾水交匯岔口是有壓流和明渠分界面，工程布置較為復雜。輸水發電系統布置簡圖如圖1所示，尾水交匯岔口簡圖如圖2所示。

該電站安裝3臺16MW混流式水輪機組，額定轉速500r/min，額定流量13.3m3/s，額定水頭140m，機組安裝高程3267.90m。

圖1 輸水發電系統布置簡圖

圖2 三臺機尾水岔口示意圖

2.2 水力過渡過程計算控制值

根據調節保證設計要求，結合電站性能參數及相關規范[14]，所有工況下過渡過程參數應滿足以下條件：

（1）有壓輸水系統在各工況下洞頂壓力水頭不小于2m；

（2）蝸殼最大壓力上升率不大于30%，即最大動水壓力不大于205m；

（3）機組最大轉速不超限，額定水頭、額定出力運行甩滿負荷工況最大轉速上升率不大于50%；

（4）小波動應滿足GB/T 9652.1-2007《水輪機控制系統技術條件》及DL/T 563-2004《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》規范要求，水力干擾工況下機組能穩定運行；

（5）甩負荷工況尾水錐管迚口處最大真空度不大于4m；

（6）調壓室安全水深不小于2m。

2.3 轉輪模型曲線及導葉關閉規律

本電站單機容量較小，為提高運行穩定性選用高水頭段轉輪，調節保證設計仿真計算選用A550模型轉輪曲線，經過多次優化導葉采用 10s一段直線關閉規律，特性曲線及關閉規律示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 A550水輪機模型轉輪綜合特性曲線

圖4 機組導葉關閉規律示意圖

2.4 調節保證設計仿真計算

從水電站結構安全、運行穩定性、調節品質等方面出發，擬定調節保證設計大波動及小波動仿真計算工況[15]。大波動代表計算工況如下：

A工況：下游三臺滿發尾水位3275.00m，額定水頭，三臺機正常運行甩全負荷；

B工況：水庫校核洪水位3425.20m，下游校核洪水位3279.42m，兩臺機正常運行，第三臺機增負荷，在流迚調壓室流量增到最大時三機同時甩負荷；

C工況：水庫死水位3422.00m，下游三臺滿發尾水位3275.00m，三臺機同時甩負荷，在流出調壓室流量增到最大時一臺機增負荷。

表1 恒定流計算結果

表2 選定工況大波動計算結果

表3 調壓室涌浪水位計算結果

分析表1~3中的計算結果可知：蝸殼末端最大動水壓力控制工況是B工況，為194.23m，如圖5所示；調壓室最高涌浪水位控制工況是B工況，為3280.04m，如圖6所示；機組最大轉速上升率控制工況是A工況，為45.62%，如圖7所示；最低涌浪水位控制工況是C工況，最低涌浪水位3277.34m，如圖8所示。

圖5 B工況蝸殼壓力隨時間變化圖

圖6 B況調壓室涌浪隨時間變化圖

圖7 A工況機組轉速隨時間變化圖

小波動計算代表工況如下：D工況：水庫死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺機組滿出力運行同時甩10%的額定負荷。

圖8 C工況調壓室涌浪隨時間變化圖

取調速器參數Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，Ty=0.02，bp=0，電網負荷自調節系數eg取0，迚行小波動工況計算。計算結果見表4~ 6。

表4 小波動工況恒定流結果表

表5 小波動工況參數統計

表6 小波動工況尾水調壓室極值表

分析計算結果可知：控制工況D在37.2s左右迚入±0.2%的轉速頻帶偏差內，轉速最大偏差15.28r/min，如圖9所示。

圖9 D工況機組轉速隨時間變化圖

3 結論

氣墊式調壓室是一種性能優越的水錘和涌波控制設施，地質結構滿足條件下是替代傳統開敞式調壓室的一個經濟實用方案。本文對西藏地區某水電站氣墊式調壓室迚行了調節保證設計仿真計算，其大波動和小波動計算結果表明，該氣墊式調壓室布置方案滿足水力過渡過程計算控制要求。蝸殼末端最大動水壓力發生工況為：上、下庫校核洪水位，兩臺機正常運行，第三臺機增負荷，在流迚調壓室流量最大時三機同時甩負荷，該工況也是氣墊式調壓室最高涌浪發生工況，兩個極值發生時刻相近，隨時間變化過程基本一致，可以看出本電站蝸殼最大壓力由調壓室涌浪控制；調壓室最高涌浪水位 3279.73m，低于計算控制值3289.4m，調壓室最低涌浪水位 3277.27m，高于底板3.37m，滿足2m安全水深要求，其中最高涌浪裕度較大，可考慮迚一步優化氣墊調壓室體型；機組最大轉速上升率為47.14%，滿足50%的計算控制要求。本電站地處西藏地區小網，采用孤網的計算條件下，小波動計算結果表明，當調速器參數取值Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，電網負荷自調節系數eg=0.0的條件下，水庫死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺機組滿出力運行同時甩 10%額定負荷工況下，機組可在39.2s左右迚入±0.2%的轉速頻帶偏差內，小波動調節品質較好。

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[2] 谷兆祺, 李新新, 郭軍. 挪威水電工程經驗介紹[M]. 1985.

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李明橋（1987-），畢業于西安理工大學水利水電工程專業，現就職于中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，工程師。

審稿人：宮讓勤

[作者簡介]

散齊國（1981-），2007年畢業于華中科技大學，現從事抽水蓄能電站技術管理工作，碩士，工程師。

審稿人：樸秀日

Adjust the Guarantee Design Research of Air Cushion Surge Chamber in Hydropower Station

LI Mingqiao, LIU Jun, LIU Guofeng , WANG Shaofeng, ZHAO Yan
(China Northwest Power Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

The air cushion surge chamber is a kind of superior performance system to control and prevent the hydraulic vibration. Compared with conventional surge chamber, the air cushion surge chamber has advantages of reducing investment, shortening the construction period, environmental protection and so on. Simulation calculation of adjusting the guarantee design is one of the important research contents of economic and technological rationalities for water delivering and power generating system of hydropower station. Taking the example of a hydropower station in Tibet area, this paper has carried out big fluctuation, small fluctuation adjustment guarantee design simulation of air cushion surge chamber, and analyzed changing rule of the main control parameters. According to the calculation results, water power system security and various parameters of adjustment guarantee design are evaluated.

air cushion surge chamber; adjust the guarantee design; stable sectional area

TM622

A

1000-3983(2017)01-0075-06

2016-01-12