廟林水電站阻抗式調壓室水力過渡數值與水力模型試驗成果分析

(1.云南省調水中心，云南 昆明　650051；2.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明　650021；3.云南省水利水電建設管理與質量安全中心，云南 昆明　650221)

1　工程概況

廟林水電站位于云南省昭通市彝良縣和大關縣境內，金沙江一級支流橫江支流洛澤河上，是洛澤河下游河段梯級水能開發的第一級引水式水電站。電站總裝機容量(2×32.5)MW，設計引用流量111.3m3/s，設計水頭94.41m。工程由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐三部分組成。其中首部樞紐重力壩壩高50m，水庫校核洪水位 817.83m，正常蓄水位815.00m，發電最低限制水位806.00m；引水系統隧洞布置于右岸，軸線總長8157.51m，底坡坡降i=3.23‰，混凝土襯砌有效斷面直徑 6.5m，噴混凝土襯砌有效斷面直徑7.2～7.3m，調壓室為地下室帶阻抗孔的簡單圓筒式，井筒高約80m，有效直徑19m，壓力管道內徑4m；廠區樞紐位于洛澤河右岸轉嘴村附近的坡地上，為地面式廠房，電站發電最小靜水頭75.41m。

2　調壓室的布設條件及型式確定

根據廟林水電站工程區域地形地貌和地質情況確定工程建筑物總體布置，廠房內側地形坡度約57°且無明顯不良物理地質的陡崖，因此受實際地形條件的限制，調壓室只能布設在山體內。

從電站隧洞長度、設計引用發電流量和發電運行水頭等特性，對調壓室選取阻抗式、簡單圓筒式和帶上室簡單圓筒式三種型式從水力學、結構和經濟等方面進行計算分析比較，最后選取運行更合理、投資最省的阻抗式地下室調壓室，同時設置一條永久交通洞，作為施工期和運行期通行及補氣使用[1]。引水發電系統布置簡圖如圖1所示。

圖1　水電站引水發電系統布置簡圖

3　阻抗式調壓室數值計算主要方程

3.1　波動穩定斷面方程

(1)

式中A——調壓室井筒斷面積,m2；

Ath——托馬臨界穩定斷面面積,m2；

A1——引水隧洞斷面積,m2；

L——壓力引水隧洞長度,m；

H0——發電最小靜水頭,m；

hw0——壓力引水隧洞水頭損失,m；

hwm——壓力管道水頭損失,m；

α——電站水庫至調壓室水頭損失系數；

K——系數。

3.2　驗證阻抗孔尺寸合理性數值方程

阻抗式調壓室設計關鍵在阻抗系數的選取，也是數值計算取值時的難點。阻抗式調壓室只要設置合適的阻抗系數，在機組最不利運行工況下才能降低壓力管道的受力狀態，有效抑制室內水位波動幅度和加速波動的衰減，同時可最大限度減小室內水位上升過程中產生的對阻抗底板向上壓力和水位下降過程產生的向下壓力[2]。因此，結合廟林電站引水系統的參數特性，經分析比較認為調壓室非常有必要設置阻抗孔，但是如何選取合適的阻抗孔尺寸又是關鍵，式(2)～式(3)為驗證阻抗孔口直徑合理性取值的數值方程，設計計算同時參考已建類似工程的取值。

(2)

(3)

3.3　穩定斷面水位涌波數值方程

丟棄全負荷時的最高涌波方程：

(4)

(5)

增加負荷時的最低涌波方程：

(6)

(7)

(8)

相應流量通過阻抗孔的水頭損失方程：

(9)

式中Q——引水隧洞引用流量,m3/s；

Q0——增加負荷后的流量,m3/s；

S——阻抗孔斷面積,m2；

φ——阻抗孔流量系數；

hc0——最大流量通過阻抗孔時的水頭損失,m；

v——壓力引水隧洞流速,m/s。

根據廟林水電站引水系統水力邊界條件和主要特性參數，由主要計算方程[3]，按托馬準則在合理范圍選取不同井筒斷面和初擬的阻抗孔尺寸，試算結果見表1。

表1　調壓室波動水位試算結果值(初擬阻抗直徑3.3m)

根據《水力發電廠機電設計規范》相關規定[1]，當電站額定水頭在40～100m時，機組突甩全荷時蝸殼最大瞬時壓力升高率宜小于50%～30%。由于廟林水電站額定水頭為68m，蝸殼承受的最大靜水頭為99.14m(不包含水錘壓力)，因此蝸殼最大瞬時壓力升高值應選擇下線30%，其相應組合工況下升高值應控制在128.9m以內，即調壓室最高涌浪應控制在847m以內，經計算，以上三個斷面試算結果在116～119m范圍，均滿足規范要求。另外，從《水電站調壓室設計規范》的穩定斷面相關計算原則及基本要求，按托馬準則和考慮K值系數后的計算結果值，選擇19m直徑作為廟林電站調壓室設計斷面更為經濟和合理。

通過初定調壓室阻抗直徑確定調壓室的穩定斷面，又通過調壓室穩定斷面反過來驗證初定的調壓室阻抗直徑的合理性，計算結果見表2。

表2　不同阻抗斷面下甩荷時調壓室底板壓差和涌浪水位值

從上述五組阻抗斷面的計算結果看出，阻抗孔斷面積與隧洞斷面積比在22.75%～28.99%，面積比均滿足規范要求試驗分析的15%～50%范圍。另外，從機組調節保證計算反映，由于廟林水電站引水隧洞為長壓力隧道，取3.3m阻抗孔直徑更有利于抑制水位波動幅度和加速波動的衰減進程，因此選擇直徑3.3m作為廟林水電站阻抗孔設計斷面。

綜合以上試算分析結果，廟林水電站調壓室選取直徑19m，阻抗孔尺寸3.3m是技術上合理、經濟上可行的。

4　水力模型試驗的驗證

4.1　實施水力模型試驗的目的

為進一步驗證廟林水電站阻抗式調壓室基本數值方程試算過程中參數選取的合理性和試算成果使用的可靠性，開展水力模型試驗和水力過渡過程的分析與研究，目的是驗證廟林水電站在正常運行或最不利組合工況下調壓室的最高、最低涌浪水位及波動衰減周期；驗證調壓室井筒斷面、阻抗孔尺寸斷面和阻抗系數設置的合理性；驗證引水隧洞、阻抗孔口及壓力鋼管的最大和最小壓力值，計算水擊壓力和機組轉速升高值，進一步尋求機組最優關機時間和導葉關閉規律，以及增加負荷時機組開機時間間隔。開展模型試驗為廟林水電站最終安全可靠的運行提供強有力的技術支持和保障。

4.2　水力模型試驗調壓室成果

根據廟林水電站建筑物總體布置和確定的設計參數，試驗根據率定的模型引水隧洞材料糙率值，調壓室采用正態模型進行試驗。考慮廟林水電站引水隧洞較長，若采用調整模型隧洞糙率試驗難以達到引水隧洞正態設計，為保證測試的準確度，試驗時按變態模型設計以減小引水隧洞模型長度開展試驗。

通過水力模型試驗結果，當水庫水位在校核洪水位817.33m，兩臺機組同甩負荷至0臺機組運轉工況，模型試驗結果調壓室最高涌波水位833.07m；當水庫水位在最低發電水位806.00m，由1臺機組正常運行再開啟第2臺機組，模型試驗調壓室最低涌波水位788.34m。

4.3　模型試驗調壓室成果附圖

在水庫校核洪水位817.33m，兩臺機組同甩負荷至0臺機組運轉工況時水力模型試驗的最高涌波圖如圖2所示。

圖2　水庫校核洪水位817.33m，2臺→0臺涌波水位

水庫水位在最低發電水位806.00m，由1臺機組正常運行再開啟第2臺機組，水力模型試驗的最低涌波圖如圖3所示。

圖3　水庫最低發電水位806.00m，1臺→2臺涌波水位

5　數值方程與水力模型試驗結果比較

在水庫校核洪水位817.33m，2臺機由正常運行突甩全負荷，水力模型試驗調壓室最高涌浪水位833.61m，相應工況數值計算結果835.77m，模型試驗值比數值方程值略低2.16m；在水庫最低發電水位806.00m，由1臺機正常運行，另一臺機突開至滿負荷時，模型試驗調壓室最低涌浪水位788.04m，相應工況數值計算結果786.39m，試驗值比計算值略高1.65m，且最低涌波水位均高于調壓室底板2.0m以上，滿足《水電站調壓室設計規范》對涌浪水位的控制要求[3]。通過模型試驗與數值方程計算結果綜合分析，數值方程計算結果的涌波值與水力模型試驗結果基本吻合，且數值方程計算結果更安全于水力模型試驗值。通過對差值進行分析，認為數值方程計算時采用的隧洞糙率值[4]與水力模型試驗室率定的材料糙率值是產生差值的主要因素之一，但差值在可接受范圍內。

因此，通過水力模型試驗證明，廟林水電站調壓室井筒斷面、阻抗孔直徑和阻抗系數的設計是合理可行的。

6　結　論

a.從廟林水電站調壓室的數學試算結果分析，對于邊界條件相似工程的阻抗式調壓室設計，只要選擇合適的阻抗系數，采用數值計算的結果是可以滿足設計和使用要求的。

b.對確定的調壓室穩定斷面，當阻抗孔尺寸在一定范圍變化取值時，對調壓室的水位波動影響明顯，但阻抗孔尺寸增大到一定程度，對調壓室的水位波動甚微。

[1]DL/T 5186—2004水力發電廠機電設計規范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[2]王樹人.調壓井水力計算理論與方法[M].北京：清華大學出版社，1983.

[3]DL/T 5058—1996水電站調壓室設計規范[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4]SL 279—2002水工隧洞設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.