大渡河丹巴水电站上游调压室水力学研究

姜宏军

（华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

丹巴水电站位于大渡河上游河段丹巴县境内，是干流梯级规划22个梯级水电站中的第8个水电站，上接巴底水电站，下临猴子岩水电站。根据规划阶段前期的设计成果，工程坝址位于丹巴县境内水卡子沟下游400 m处，坝址以上集水面积为42 844 km2，多年平均流量为 573 m3/s，水库正常蓄水位2 040 m，死水位2 035 m，调节库容0.4亿m3，具有日调节性能。工程采用混合式开发，拦河坝为砾石土心墙堆石坝，引水系统总长约17 km，布置在大渡河左岸山体中，为两洞4机布置，2机共用一个圆形阻抗式上游调压室，尾部地下厂房在小金河右岸的山体内，尾水系统为单洞单机布置，电站总装机容量1 560 MW。

2 研究思路

规划阶段前期的设计成果为：引水隧洞直径12.5 m、长约17 km，水轮机额定水头163 m、额定流量268 m3/s、发电机单机容量390 MW。

根据规范公式[1]计算，上游调压室托马临界稳定断面面积接近1 000 m2，而调压室内还需布置事故闸门，实际开挖断面还需增大。调压室区域处于二云片岩软岩区，如此大规模的开挖断面施工难度非常大，围岩稳定问题突出。因此有必要对调压室的稳定断面面积进行详细的数值仿真模型计算，若不能减小调压室稳定断面面积，需进一步研究多调压室组合方式、所需总面积、抑制涌浪振幅及共一调压室两机间的水力干扰情况，最终确定合适的多调压室布置方式。

3 调压室稳定断面面积研究

3.1 面积的控制标准

调压室的面积要满足机组负荷扰动量发生一定变化时产生的调压室涌波是衰减的，即通常所说的小波动稳定性。采用解析公式计算调压室稳定断面面积常用托马公式，采用数值仿真模型计算时，可以用涌波周期衰减度来衡量调压室面积是否满足小波动稳定性要求，涌波周期衰减度的定义为：

涌波周期衰减度＝(第1周期涌波振幅-第2周期涌波振幅)/第1周期涌波振幅

针对不同型式的调压室，满足小波动稳定性的机组负荷扰动量及涌波周期衰减度也不同，具体见表1。

3.2 单一调压室稳定断面面积计算

因本工程引水隧洞长约17 km，上游调压室涌波振幅大，波动周期长，因此简单式调压室型式不适合该工程，只对阻抗式调压室和差动式调压室的稳定面积进行详细的数值计算。

表1 不同型式调压室稳定性控制标准

电站在孤网运行、且不考虑调压室底部流速头的影响时，数值计算结果为：阻抗式调压室所需稳定断面面积为1 130 m2，差动式调压室所需稳定断面面积为1 070 m2。无论是阻抗式还是差压式，随着负荷扰动量的减小，计算所得到的稳定断面非常接近，在1 100 m2到1 130 m2之间，最后选取调压室的稳定断面面积为1 100 m2。

3.3 多调压室稳定断面面积计算

调压室稳定断面面积数值计算结果，较解析公式计算结果还稍大，因此需要研究多调压室的布置形式，以减小调压室的开挖跨度。根据规范及教科书[2]的研究成果，多调压室总稳定断面面积随调压室间距的增加而增大，根据数值计算结果：由于引水隧洞较长，多调压室间距在200 m以内时，调压室总稳定断面面积与单一调压室稳定断面面积基本相同，随着调压室间距的增加调压室总面积而增大，具体见图1。

图1 调压室间距与所需稳定断面之间的关系

3.4 调压室稳定断面的影响因素分析

托马公式在推导过程中假定水电站孤立运行，调速器绝对灵敏能严格保持出力恒定，波动是极微小的，且忽略机组效率的变化等。这些假定中忽略了一些对稳定不利的因素，如水轮机的效率、尾水管和压力管道中水流的惯性等；也忽略了一些对稳定有利的因素，如电网系统、引水道管壁和水体的弹性等。

一般认为托马公式忽略的主要因素有：电网因素、调压室下流速头、调速器和水轮机特性，以阻抗式调压室为例对以上主要影响因素进行分析、数值计算：

1）理论研究证明：当电站容量小于电网容量的1/3时，任意小的调压室断面面积都能满足稳定要求，但对于骨干水电站和担任事故备用的抽水蓄能电站，在电网事故解列后很有可能独立运行，此时调压室水位波动稳定性、水轮机调节系统的稳定性以及电站的调节品质必须在水电站设计中予以考虑，这两种电站的调压室面积应满足托马稳定断面面积要求。

2）考虑井下流速头的影响后计算所需的上游调压室稳定断面面积为1 040 m2，较不考虑时小约8%。

3）将缓冲强度bt值从0.8增加到1.6，调压室所需稳定断面只减9 m2，将缓冲时间常数Td值从12 s增加到24 s，调压室所需稳定断面只减10 m2，而bt＝1.6或Td＝24 s时的调速系统的品质已经非常差了。因此计算调压室稳定断面时不应考虑调速器的影响。

4）根据多个工程经验：在机组效率上升区域内所需稳定断面可以小于托马临界断面，在机组效率基本平坦区域所需稳定断面与托马临界断面基本相同，而在机组效率下降区域所需稳定断面则要大于托马临界断面。丹巴工程的计算也证明了这一点，当共一调压室的2台机组各带240 MW负荷（额定负荷的61.5%）时，所需的调压室稳定断面不到750 m2。因此机组效率特性对调压室稳定断面影响十分显著，不可忽视其影响；因混流式机组的效率下降区一般在额定负荷的80%～85%以上，所以在研究分析调压室稳定性时，计算工况点选取应满足机组出力不小于额定出力85%的要求。

4 调压室布置方案初拟

通过调压室稳定断面面积研究，多调压室布置间距在200 m以内时的总稳定断面面积与单调压室相同，为减小在软岩区域开挖大跨度调压室的施工难度，初拟两大井、两大井一小井和一大井两小井共三个阻抗式多调压室布置方案，各方案的调压室间通过上室相连，还能形成差动效应，加速涌波的衰减速度。

单调压室方案：面积1 100 m2，阻抗孔面积42 m2，上室长162 m，井底分出两条压力管道，井内布置闸门。

两大井方案：大井面积分别为610/490 m2，阻抗孔面积分别为6/36 m2，共用上室长162 m，井中心距离78 m，后井底分岔且布置事故闸门。

两大一小方案：大小井面积分别为450/450/200 m2，阻抗孔面积分别为4/8/36 m2，共用上室长162 m，井中心距离77/75 m，后井底分岔且布置事故闸门。

一大两小方案：大小井面积分别为610/245/245 m2，阻抗孔面积分别为6/18/18 m2，两小井布置在引水隧洞岔管后的支洞上，共用上室长162 m，井中心距离75 m，小井内布置事故闸门。

对以上4个方案在涌波振幅、涌波衰减速度及水力干扰方面进行分析比较，确定合适的布置方案。

5 调压室涌波研究

5.1 调压室涌波研究

因4个调压室方案均为阻抗式，故只选取上涌波水位作为研究对象。以上下游均为最高发电水位时，共一调压室2台机组同时甩全部负荷为代表性工况，分别计算调压室上涌波，具体涌波水位见表2。

表2 不同调压室布置方案的上涌波汇总表

通过数值计算，所有的调压室组合方案在抑制上涌波方面，均优于等断面的单一阻抗式调压室方案，两大井方案与一大两小方案在抑制上涌波方面相同，两大一小方案抑制上涌波能力最强。

5.2 调压室涌波衰减度研究

以共一调压室2台机组同时负荷扰动80 MW为代表性工况，分别计算调压室涌波第一周期的衰减程度，具体见表3。

通过数值计算，所有的调压室组合方案在加速涌波衰减时间方面基本相同，但都明显优于单一阻抗式调压室方案。

5.3 调压室涌波研究小结

通过以上计算，所有的调压室组合方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰减时间方面基本相同，但都明显优于单一阻抗式调压室方案。

表3 不同调压室布置方案的涌波衰减度汇总表

6 水力干扰研究

同一水力单元的2台机组，当其中1台发生负荷变化，必然影响调压室水位，进而对另1台机组发生水力干扰，下面对此问题进行较详细的数值分析计算。

6.1 频率调差方式运行

假定机组并大网运行，运行方式为频率调差方式。因为这种假定方式最能反映机组间水力干扰的严重程度，同时频率调差方式也是电站最普遍采用的运行方式。

当共一调压室的2台机额定出力运行，一台机甩额定负荷对另1台的影响见表4。

表4 水力干扰情况汇总表

通过以上数值计算，不管哪种调压室布置方案，当机组采用频率调差方式运行时，两机间的水力干扰过于严重；两大井方案在第一周期转速收敛度方面有较大优势，但收敛时间也长达近1 h，单井的收敛时间更长。

6.2 自动调功方式运行

以两大井方案为例进行计算，自动调功条件下当1台机甩额定负荷时，对另1台机组的负荷偏离值为10 MW，负荷偏差不到额定负荷的3%，但后井的涌波收敛较慢，使被扰机组的负荷波动收敛也较慢，长达1 h时多。

机组甩满负荷工况在实际运行中是很少发生的，但机组正常调节负荷则是电站经常发生的工况。那么在1台机组大幅度调负荷时，对另1台机组会产生怎样的水力干扰呢？假定一台机组用60 s的时间从额定负荷减到空载，另1台机组最大负荷偏离值只有约3 MW，不到1%，但后井涌波收敛仍较慢，时间也近1 h。

在调压室总稳定断面不变的前提下，加快涌波哀减时间的唯一办法是进一步减小前井阻抗孔的面积。计算表明，将前井阻抗孔面积由6 m2减至4 m2，调压室水位波动衰减速度增快约一倍。

6.3 水力干扰研究小结

综合比较，各调压室布置方案间在负荷、水头和转速最大偏离值方面基本相同，但多井布置方案在转速收敛度方面有较大优势。机组的并网运行方式对机组间的水力干扰有重大影响，采用自动调功方式比采用频率调差方式在抗水力干扰的性能方面有很大的优势。

7 结论

大渡河丹巴水电站为长引水、中低水头、大流量水电站，调压室托马稳定断面面积大、涌波振幅大、波动衰减时间长、同一水力单元的相邻机组水力干扰严重情况为其它工程所不多见。通过本阶段的研究，确定了调压室小波动稳定性的控制标准，研究了托马稳定断面的主要影响因素，明确了多调压室布置方案较单一调压室布置方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰减时间方面均有较大优势，考虑软岩区大跨度地下洞室的围岩稳定性及工程投资，二大井调压室布置方案更具优势；通过水力干扰研究，也明确了较优的机组运行方式。

[1]DL/T5058—1996《水电站调压室设计规范》[S].北京：中国电力出版社，1997.

[2]刘启钊，彭守拙合编.水电站调压室[M].北京：中国水利电力出版社，1995，9.