調壓室阻抗孔尺寸選擇的研究

童 祥， 張曉宏， 張俊發

(西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

為了獲得更多的水能，有些水力發電工程需要修建較長的有壓引水隧洞，由此會引起一系列水力過渡過程問題[1-3]。為了合理解決這些問題，保證引水系統和機組的正常運行，工程中廣泛應用的是阻抗式調壓室[4-8]。而阻抗孔尺寸的選擇對于保障水力系統穩定有著不可或缺的重要性，前人的成果多是集中在對與阻抗孔過流特性等方面進行了較為深入地研究[9-11]，而將阻抗孔尺寸與引水道面積關聯起來進行系統化研究的成果較少。本文結合具體的某工程實例，研究了阻抗孔尺寸對調壓室涌浪水位、機組最大轉速升高率和蝸殼末端最大相對升壓[12-15]的影響，進而分析得出阻抗孔面積與引水道斷面面積比的合理區間。

2 工程概況

某水電站位于陜西省嵐皋縣，是具有發電、養殖和旅游等綜合效益的一座大型水利樞紐工程。共安裝3臺24 MW的水輪發電機組。水庫上游校核洪水位為512.5 m，設計洪水位為511.1 m，正常蓄水位為512.0 m，水電站設計水頭為97 m，下游洪水位為414.4 m，引水洞及壓力管道總長2.94 km，壓力引水隧洞長2715.213 m，設計引用流量為93 m3/s，最大發電流量為102.1 m3/s。

調壓室型式為阻抗式，豎井開挖斷面尺寸為16.0 m，設計內徑為14.0 m，阻抗孔口直徑2.9 m，底板高程為469.524 m。豎井頂部地面高程為532.00 m，豎井靜高76.393 m。

有壓引水隧洞洞徑6 m，調壓室后接壓力埋管，鋼襯，開挖洞徑為6.9 m，內徑為5.5 m。壓力鋼管主管長134.281 m。在進入廠房前約102m處分為3條支管，支管內徑為3.0 m。支管后接主廠房。發電系統采用“三機一室一洞”的布置形式。

該水電站引水發電系統用過渡過程計算軟件模擬如圖1所示，其中J1為上游水庫，水位取校核洪水位512.5 m。J11、J12、J13為3臺水輪發電機組，導葉總關閉時間[16-17]為12 s，采用先快后慢的關閉規律。J2為上游阻抗式調壓室，直井面積為154 m2。調壓室后接3條支管連接水輪發電機組，對應的下游水位為414.4 m。

圖1 某水電站引水發電系統仿真圖形

本文取調壓室J2和機組J11為研究對象，計算工況取校核洪水位512.5 m，下游取對應的414.4 m水位。3臺機組同時甩負荷。假設J1到J2為D1，J2到J11為D2，D1為上游水庫到調壓室的距離，D2為調壓室到水輪發電機組的距離。研究在調壓室前后移動[18](即D2的長度變化)的情況下，改變阻抗孔尺寸對調壓室涌浪水位、機組最大轉速升高率和蝸殼末端最大水錘相對升壓的影響。前提是保證D1+D2=Constant，即改變D2時，D1也隨之改變。

3 計算結果分析

根據相關文獻[19-20]，只有當阻抗孔面積與壓力引水道斷面面積比值在一定范圍內時，才能有效地抑制調壓室的波動振幅及加速波動的衰減。本文初步研究擬定阻抗孔直徑d為3.00、3.29、3.55、3.79、4.02、4.24 m(相應的阻抗孔面積A與引水道斷面面積S的比值分別為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)。對6組數據進行分析。D2的取值為231.3～431.3 m，每隔50 m遞增進行計算，各特征參數見表1。

3.1 阻抗孔尺寸與調壓室斷面波動振幅及衰減的關系

取D2為231.3 m為研究對象，分析不同阻抗孔面積與引水道斷面面積比條件下的波動振幅及衰減情況。阻抗孔尺寸與調壓室斷面波動及衰減的關系如表2。

由表2可以看出，隨著阻抗孔面積與引水道斷面面積比值的減小，波動振幅抑制作用越顯著，衰減率明顯增大。

3.2 阻抗孔尺寸與調壓室涌浪水位的關系

不同阻抗孔尺寸下，D2與調壓室涌浪水位關系見圖2。

圖2 阻抗孔直徑改變對于不同D2時的調壓室最高涌浪水位

在阻抗式調壓室中，水流進出調壓室的水頭損失分為兩種，一種是由引水隧洞進入阻抗孔時突然收縮的局部水頭損失，另一種是由阻抗孔進入直井時突然擴大的局部水頭損失。

由圖2可知，當D2增大時，最高涌浪水位降低，說明調壓室涌浪水位與有壓引水道的長度有關；當阻抗孔直徑變大時，調壓室阻抗減小，最高涌浪水位升高，水位波動幅度變大，說明增大阻抗孔直徑能夠更有效地發揮調壓室的作用，但調壓室最高涌浪水位差值會隨著阻抗孔直徑的增大而越來越小。

根據《水電站調壓室設計規范》[21]推薦，在校核工況下，調壓室最高涌浪水位以上的安全超高不宜小于0.5 m。

以上數據中阻抗孔直徑為4.24 m(A/S=50%)不滿足規范要求，需重新擬定比值范圍。故選擇直徑為4.07 m(A/S=46%)、4.11 m(A/S=47%)、4.15 m(A/S=48%)和4.20 m(A/S=49%)4組數據見表3。

表1 阻抗孔直徑變化在不同D2下對應的各項特征數據

注：ZT為調壓室最高涌浪水位；β為機組最大轉速升高率；ζ為最大水錘相對升壓值。

表2 阻抗孔尺寸變化與調壓室波動振幅及衰減率的關系

注：Zi為不同時段調壓室中的波峰值；Z穩為對應工況的穩定水位值。 衰減率=1-(Zi-Z穩)/(Z1-Z穩)。

表3 阻抗孔直徑變化時不同D2下的最高

由表3可以看出，調壓室最高涌浪水位仍是隨著阻抗孔直徑d的增大而減小，且伴隨D2(調壓室到水輪發電機組的距離)的增大而減小。從滿足規范要求來看，宜選d=4.07 m(A/S=46%)作為合理比值的區間邊界。

3.3 阻抗孔尺寸與蝸殼末端最大水錘相對升壓的關系

不同阻抗孔尺寸下，D2與最大水錘相對升壓關系見圖3。

圖3 阻抗孔直徑改變對于不同D2時的最大水錘相對升壓

由圖3可以看出，隨著D2的遞增，最大水錘相對升壓會隨之遞增；隨著阻抗孔直徑的遞增，最大水錘相對升壓呈現遞減趨勢，各項數據的差值會隨著直徑的遞增而越來越小,說明最大水錘相對升壓隨著阻抗孔直徑的增大而越來越不敏感；但當直徑為3 m(A/S=25%)時，其最大水錘相對升壓值最大且與其他數據差值較大；說明當阻抗孔面積與壓力引水道面積占比為25%時，壓力管道末端及調壓室底部的水錘壓力急劇惡化，且其值超過規范允許范圍，不宜作為合理比值范圍邊界，需重新擬定比值范圍。故擬定阻抗孔直徑為3.06 m(A/S=26%)、3.12 m(A/S=27%)、3.17 m(A/S=28%)和3.23 m(A/S=29%)作比選(如表4)。

表4 阻抗孔直徑變化對不同D2下的最大水錘相對升壓(A/S=26%～29%)

從表4可以看出，最大水錘相對升壓隨著阻抗孔直徑d的增大而減小；當D2增大時，最大水錘相對升壓呈現增大趨勢。由ζ值宜為0.3～0.5的范圍來看，宜選d=3.17 m(A/S=28%)作為比值區間的邊界。綜上所述，該工程阻抗孔面積與引水道面積比宜為28%～46%。該結論與相關規范和學者的研究成果相近，具有較強的普適性。

4 結 論

阻抗孔尺寸的選擇在調壓室設計中至關重要，結合某水電站工程實例的水力過渡過程，探討了阻抗孔尺寸變化對有壓引水系統的影響。得出了以下兩個重要的結論：

(1)隨著阻抗孔尺寸占引水道面積比值的逐漸增大，調壓室涌浪水位值逐漸增大，最大水錘相對升壓值和機組最大轉速升高率逐漸減小，但隨著該比值增加到一定程度，對上述3個值影響的敏感性越來越弱。

(2)調壓室涌浪水位、最大水錘相對升壓和機組最大轉速升高率三者不僅需要滿足設計規范，還需綜合考慮，在這種情況下，阻抗孔面積與引水道斷面面積的比值存在一定的合理范圍，考慮到施工條件和經濟效益，該范圍宜為28%～46%。