水電站過渡過程計算中尾水系統糙率的取值研究

李文欣，張曉宏，陳建國

(西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

依靠較長距離的有壓引水發電系統，有壓引水式水電站水輪發電機組獲得了較大的水能和電能[1-5]，在其水電站水力過渡過程計算中，如何合理選取輸水系統的糙率，準確計算沿程水頭損失，不僅會影響水電站水力過渡過程的計算結果[6-10]，更重要的是直接影響到整個有壓輸水系統及水輪發電機組過渡過程的安全運行問題[11-17]。而“水力過渡過程中尾水系統糙率如何合理取值”這一方面的研究成果較少，本文選取具有較復雜發電尾水系統的雅礱江干流河段某地下式廠房水電站[18-20]，采用過渡過程通用軟件，重點計算和分析了調壓室前、后管道的不同糙率取值對調壓室最低涌浪水位、蝸殼末端最大壓力和尾水管進口最小壓力等因素間的影響關系[21-28]。

2 工程概況

雅礱江干流河段上的某水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市、鹽源縣的交界處，該電站裝有4臺單機容量600 MW的水輪發電機組，總裝機容量2 400 MW。上游正常蓄水位1 330.00 m，設計洪水位1 330.18 m，校核洪水位1 330.44 m。2臺機運行時，下游尾水位為1 206.40 m，1臺機運行時，下游尾水位為1 204.01 m。

該水電站引水部分采用單機單管供水，尾水部分采用“兩機一室一洞”[29-30]的布置格局。引水發電系統共有兩個水力單元，其中每個水力單元都是由一個進水口、2條長壓力管道、兩臺機組公用的一個阻抗長廊式尾水調壓室、兩條尾水連接管和一條尾水洞組成，兩個尾水調壓室在高程1 229.5 m處連通。本文取尾水部分作為研究對象，調壓室前尾水管道為L1段，長度約為81.15 m，調壓室后到出口閘門的管道為L2段，管道長度約為560.22 m。該水電站引水發電系統平面布置如圖1所示。

圖1 雅礱江干流河段某水電站引水發電系統平面布置圖

3 機組基本參數

所研究的水電站機組基本參數如表1所示。

表1 水電站機組基本參數

在水力過渡計算過程中，根據《水力發電廠機電設計技術規范》(DL/T 5186-2004)[31]規定,主要考慮施工質量的影響，計算采用的管道糙率最小值、最大值和平均值分別為0.012、0.016和0.014。

4 電站尾水系統管道糙率對水力過渡過程的影響計算及成果分析

4.1 計算工況

計算工況為：下游尾水位1 206.40 m，額定水頭，額定流量，導葉采用折線關閉，同水力單元內2臺機同時甩全部負荷。

4.2 電站尾水系統管道糙率變化對水力過渡過程的影響

在其他管道參數不變的條件下，為了充分研究糙率取值的影響，先假設L1段管道糙率取值不變，改變L2段管道糙率進行過渡過程計算；再假設L2段管道糙率取值不變，改變L1段管道糙率進行過渡過程計算，計算結果如表2所示。

由表2可以看出，無論改變調壓室前還是調壓室后的管道糙率，調壓室的最低涌浪、最高涌浪、蝸殼末端最大壓力及尾水管進口最小壓力都發生了變化。當調壓室后管道糙率不變時，隨著調壓室前管道糙率的逐漸增大，調壓室最低涌浪水位逐漸升高，最高涌浪水位降低，蝸殼末端壓力逐漸降低，尾水管進口最小壓力逐漸升高。當調壓室前管道糙率不變時，隨著調壓室后管道糙率的逐漸增大，調壓室最低涌浪水位逐漸升高，最高涌浪水位降低，蝸殼末端壓力逐漸降低，尾水管進口最小壓力升高。兩種情況所研究的參數變化規律一致。

通過分析表2不難看出，L1和L2段管道糙率的取值對蝸殼末端壓力影響較小，簡化計算時輸水管道可以按照光滑管計算。

表2 電站尾水系統管道糙率變化對水力過渡過程的影響

4.3 電站尾水系統管道糙率變化對調壓室最低涌浪水位的影響

L1、L2段管道糙率變化對調壓室最低涌浪水位的影響見圖2。

由圖2可以看出，L1段管道糙率和L2段管道糙率的取值均對調壓室涌浪振幅有明顯影響，隨著糙率的變大，調壓室最低涌浪水位都會升高。在L2段管道糙率為定值的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，調壓室最低涌浪水位升高值變化較小(圖2(a))；然而在L1段管道糙率為定值的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，調壓室最低涌浪水位升高值相對變化較大(圖2(b))。且關系曲線間距也表明，L2段管道糙率的變化對最低涌浪的影響遠大于L1段管道糙率的影響。

圖2 電站尾水系統糙率對調壓室最低涌浪水位的影響

4.4 電站尾水系統管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響

L1、L2段管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響見圖3。

由圖3可知，L1段管道糙率和L2段管道糙率取值對尾水管進口最小壓力也有一定影響，隨著這兩段管道糙率的增大，尾水管進口最小壓力逐漸升高。在L2段管道糙率為定值的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，尾水管進口最小壓力增大幅度比較緩慢(圖3(a))；在L1段管道糙率為定值的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，尾水管進口最小壓力明顯增大(圖3(b))。且關系曲線間距也表明，L2段管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響遠比L1段管道糙率變化的影響大。

圖3 電站尾水系統糙率對尾水管進口最小壓力的影響

4.5 電站尾水系統管道糙率變化對調壓室水位振幅及衰減率的影響

計算電站尾水系統管道糙率變化與調壓室振幅及衰減率的關系，其結果見表3。

表3 尾水系統管道糙率變化與調壓室振幅及衰減率關系

由表3可以看出，隨著L1和L2段管道糙率的增大，調壓室振幅有所降低，衰減率增大。在L2段管道糙率不變的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，衰減率增加緩慢；在L1段管道糙率不變的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，衰減率增加幅度明顯增大。

上述成果是由于管道的水頭損失對調壓室的最低涌浪影響較大，而水頭損失主要表現為沿程損失，所以管道長度和管道糙率的變化均會對調壓室水位產生影響，而在該水力過渡過程中，調壓室前管道長度遠小于調壓室后管道長度，所以調壓室后端管道糙率對調壓室涌浪的影響較為明顯。

5 結 論

通過對某水電站尾水系統實例水力過渡過程的計算研究，得出以下結論：

(1)水電站尾水系統管道糙率(尾水調壓室前管道及尾水調壓室后管道)取值對蝸殼末端最大壓力的影響甚微，簡化計算時可以不考慮其影響。

(2)水電站尾水系統管道糙率(尾水調壓室前段管道及尾水調壓室后段管道)取值對調壓室最低涌浪水位有一定影響，調壓室最低涌浪水位隨著糙率的增大而升高，為了保證調壓室底部滿足應有的埋沒水深，在過渡過程計算中調壓室前、后段管道糙率取可能的最小值較為合理。

(3)水電站尾水系統管道糙率(尾水調壓室前段管道及尾水調壓室段后管道)取值對尾水管進口最小壓力也有一定影響，尾水管進口最小壓力隨著糙率的增大而升高，為了控制水輪機的運行工況，在過渡過程計算中調壓室前、后段管道糙率應采用可能的最小值較為合理。