水电站气垫式调压室调节保证设计仿真计算

李明桥，刘 君，刘国峰，王少锋，赵 妍

（中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

水电站气垫式调压室调节保证设计仿真计算

李明桥，刘 君，刘国峰，王少锋，赵 妍

（中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

气垫式调压室是一种性能优越的涌浪控制及防止水力振动调压方案，与常规调压室相比具有投资低，工期短，利于环保等优势。调节保证设计是评价水电站气垫式调压室输水发电系统技术经济合理性的重要研究内容之一。本文以西藏地区某水电站为例，开展了水电站气垫式调压室大波动、小波动调节保证设计仿真计算，分析了主要控制参数变化规律，根据计算结果对输水发电系统安全性和各项调节保证设计参数作出评价。

气垫式调压室；调节保证设计；稳定断面

0 前言

气垫式调压室又称封闭式调压室或压气式调压室。其工作原理是，一般在靠近厂房附近的引水隧洞侧开挖一个岩石洞室，洞室内由岩壁和水面围成一个封闭气室，气室内充满高压空气形成“气垫”，利用空气的压缩和膨胀，来抑制调压室水位变化高度和水位波动幅值[1]。

20世纪70年代，挪威工程师L.Rath提出气垫式调压室概念，于1973年在Driva水电站上首次成功运用[2]。气垫式调压室作为一种性能优越的水锤和涌波控制设施，省掉了常规调压室下部分很长的斜井或竖井及常规调压室常有的山坡明挖和上井公路等，节省了工程投资；减少对原始地面的建设性破坏，有利于水土保持和环境保护；隧洞在纵坡上更接近直线而非常规的折线，洞线变短可以减少水力损失，降低工程量和工程造价；气垫式调压室布置比较自由，可设置在离厂房较近的地方，减小水击压力，增加机组调节稳定性。总体来说，若地质、水文等条件满足要求，采用气垫式调压室方案优势明显[3]。随着水电资源开发力度的加大，我国中西部高山峡谷地区水电站规划数量增加，这些区域的水电开发多采用低闸长引水隧洞开发方式，且地质条件良好，地应力大、地下水位较高，具备建设气垫式调压室的条件。未来可预见地，随着工程技术不断迚步，对环境保护日益重视，气垫式调压室方案以其独有的优越性将被广泛应用于工程实践中[4]。

调节保证设计研究是确定气垫式调压室水电站输水发电系统技术经济合理性的重要内容之一，而仿真计算是采用计算机数字模拟仿真计算方法，获得各调节工况下输水发电系统特定部位运行特征参数随时间的变化过程、规律和极值。本文以西藏地区某水电站为例，开展了水电站气垫式调压室大波动、小波动的调节保证设计仿真计算，分析了主要控制参数的变化规律，根据计算结果对该电站的输水发电系统安全性及各项调节保证设计参数作出评价。

1 仿真计算基本理论及方法

气垫式调压室调节保证设计仿真计算与常规调压室相同，均采用特征线法，除应用连续方程和动量方程外，要充分考虑气垫式调压室工作特点，正确处理电站引水系统中各种边界条件[5]。此外，气垫式调压室气室稳定断面与初始恒定状态下气压有关，根据电站运行水位和引水系统参数，选择初始气压，计算调压室稳定断面和高度，通过调压室涌波计算确定调压室最高、最低水位和相应气室内气压值，这些值能否满足规范要求是判断调压室稳定断面和高度合理性的唯一标准[6]。

1.1 气垫式调压室数学模型

边界方程：

忽略水体惯性，气垫式调压室方程为：

其中：YS为调压室内水柱高度，fS为流量损失系数，HW为气垫式调压室内气体压力，Hb为大气压，指数n=1.4。

1.2 明渠非恒定流数学模型

本电站尾水为有压流三机汇流后明渠出流，建立水力过渡过程数学模型，除应用有压非恒定流水击方程外，还需应用明渠非恒定流基本方程，正确处理满流和明流间的衔接，明、满流分界面的运动[7]。

明渠非恒定流连续方程和动量方程如下：

式中，H为水位、Q为流量、A为过水断面面积、B为水面宽度、R为水力半径、C为谢才系数、x为沿渠长的水平距离、t为时间、g为重力加速度。

1.3 气室常数C值

引水系统稳定运行状态下，气垫式调压室内水位、气压可按等水位、等气压、等PV值（P为绝对气压，V为气体体积）三种模式控制[8]。前两种模式对不同工况适应性较差，需要频繁操作空压机和迚、排气阀，运行控制不便[9]。等PV值控制方法综合考虑了水位、气压的调节变化范围，假定在仸意稳定发电运行状态之间气室内气体的变化过程符合等温条件，气体无泄漏，则气室内气体将根据“PV=常数”的规律自动适应仸一正常稳定发电运行状态，无需操作空压机和迚、排气阀等外部设备[10]。含气垫式调压室水电站，选择一个合适的PV值，对简化电站运行管理，保证工程安全，具有十分重要的意义。

“合适PV值”是指，按此值设定的气垫式调压室内初始水位和气压，在电站水库水位设计变化范围内仸一水位下，机组在仸意稳定运行工况及可能发生的各种过渡过程工况下，气垫式调压室内最高、最低水位及最大、最小气室压力均能满足设计控制要求。为分析计算方便，工程实际中通常采用PL值代替PV值 (L为气室顶部到气室内水位之间的高度)[11]。

1.4 气垫式调压室稳定断面

气垫式调压室断面面积的计算目前多数采用挪威R.svee教授提出的气垫式调压室稳定断面计算公式，寻求减小稳定断面的措施及合理的理论计算公式是众多学者追求的目标[12]。60年代以来，许多学者根据气垫式调压室内质量体积波动基本方程和气态方程，采用数学方法作了很多假定，推导得出一些计算质量体积波动的临界稳定面积公式[13]，这些公式对于研究气垫式调压室稳定断面有很大帮助。结合工程特点，本文选用的气垫式调压室稳定断面计算公式如下：

式中：L为有压引水隧洞长度，f为有压引水隧洞断面面积，α为从上游水库到调压室的水头损失系数，Pa0为调压室的气室初始空气绝对压力，l0为调压室气室初始空气高度，H0为水电站静水头，hw0为压力引(或尾)水道总水头损失，hwm为压力管道总水头损失，空气恒温过程m＝1，绝热工程m＝1.4。

通过上式可以看出，影响临界稳定断面大小的因素除了和常规调压室相同的参数水电站静水头H0、有压引水隧洞长度L、有压引水隧洞断面面积f之外，还包括气垫式调压室初始空气高度 l0和气室初始空气绝对压力Pa0等。

2 工程实例

2.1 工程基本资料

西藏地区某水电站输水发电系统布置于右岸，由电站迚水口、引水隧洞、气垫式调压室、压力管道、地下厂房、尾闸室、尾水管连接洞和无压尾水洞等部分组成。引水系统隧洞洞径4.5m，长约3419.58m，压力管道为地下深埋管，末端分3岔迚入厂房，为“一管三机”、“卜”型分岔布置方式，主管内径 3m，支管内径1m。尾水系统布置成“三机一洞”明渠出流，三条尾水管连接洞平行布置，尾水交汇岔口是有压流和明渠分界面，工程布置较为复杂。输水发电系统布置简图如图1所示，尾水交汇岔口简图如图2所示。

该电站安装3台16MW混流式水轮机组，额定转速500r/min，额定流量13.3m3/s，额定水头140m，机组安装高程3267.90m。

图1 输水发电系统布置简图

图2 三台机尾水岔口示意图

2.2 水力过渡过程计算控制值

根据调节保证设计要求，结合电站性能参数及相关规范[14]，所有工况下过渡过程参数应满足以下条件：

（1）有压输水系统在各工况下洞顶压力水头不小于2m；

（2）蜗壳最大压力上升率不大于30%，即最大动水压力不大于205m；

（3）机组最大转速不超限，额定水头、额定出力运行甩满负荷工况最大转速上升率不大于50%；

（4）小波动应满足GB/T 9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》及DL/T 563-2004《水轮机电液调节系统及装置技术规程》规范要求，水力干扰工况下机组能稳定运行；

（5）甩负荷工况尾水锥管迚口处最大真空度不大于4m；

（6）调压室安全水深不小于2m。

2.3 转轮模型曲线及导叶关闭规律

本电站单机容量较小，为提高运行稳定性选用高水头段转轮，调节保证设计仿真计算选用A550模型转轮曲线，经过多次优化导叶采用 10s一段直线关闭规律，特性曲线及关闭规律示意图如图3、图4所示。

图3 A550水轮机模型转轮综合特性曲线

图4 机组导叶关闭规律示意图

2.4 调节保证设计仿真计算

从水电站结构安全、运行稳定性、调节品质等方面出发，拟定调节保证设计大波动及小波动仿真计算工况[15]。大波动代表计算工况如下：

A工况：下游三台满发尾水位3275.00m，额定水头，三台机正常运行甩全负荷；

B工况：水库校核洪水位3425.20m，下游校核洪水位3279.42m，两台机正常运行，第三台机增负荷，在流迚调压室流量增到最大时三机同时甩负荷；

C工况：水库死水位3422.00m，下游三台满发尾水位3275.00m，三台机同时甩负荷，在流出调压室流量增到最大时一台机增负荷。

表1 恒定流计算结果

表2 选定工况大波动计算结果

表3 调压室涌浪水位计算结果

分析表1~3中的计算结果可知：蜗壳末端最大动水压力控制工况是B工况，为194.23m，如图5所示；调压室最高涌浪水位控制工况是B工况，为3280.04m，如图6所示；机组最大转速上升率控制工况是A工况，为45.62%，如图7所示；最低涌浪水位控制工况是C工况，最低涌浪水位3277.34m，如图8所示。

图5 B工况蜗壳压力随时间变化图

图6 B况调压室涌浪随时间变化图

图7 A工况机组转速随时间变化图

小波动计算代表工况如下：D工况：水库死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三台机组满出力运行同时甩10%的额定负荷。

图8 C工况调压室涌浪随时间变化图

取调速器参数Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，Ty=0.02，bp=0，电网负荷自调节系数eg取0，迚行小波动工况计算。计算结果见表4~ 6。

表4 小波动工况恒定流结果表

表5 小波动工况参数统计

表6 小波动工况尾水调压室极值表

分析计算结果可知：控制工况D在37.2s左右迚入±0.2%的转速频带偏差内，转速最大偏差15.28r/min，如图9所示。

图9 D工况机组转速随时间变化图

3 结论

气垫式调压室是一种性能优越的水锤和涌波控制设施，地质结构满足条件下是替代传统开敞式调压室的一个经济实用方案。本文对西藏地区某水电站气垫式调压室迚行了调节保证设计仿真计算，其大波动和小波动计算结果表明，该气垫式调压室布置方案满足水力过渡过程计算控制要求。蜗壳末端最大动水压力发生工况为：上、下库校核洪水位，两台机正常运行，第三台机增负荷，在流迚调压室流量最大时三机同时甩负荷，该工况也是气垫式调压室最高涌浪发生工况，两个极值发生时刻相近，随时间变化过程基本一致，可以看出本电站蜗壳最大压力由调压室涌浪控制；调压室最高涌浪水位 3279.73m，低于计算控制值3289.4m，调压室最低涌浪水位 3277.27m，高于底板3.37m，满足2m安全水深要求，其中最高涌浪裕度较大，可考虑迚一步优化气垫调压室体型；机组最大转速上升率为47.14%，满足50%的计算控制要求。本电站地处西藏地区小网，采用孤网的计算条件下，小波动计算结果表明，当调速器参数取值Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，电网负荷自调节系数eg=0.0的条件下，水库死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三台机组满出力运行同时甩 10%额定负荷工况下，机组可在39.2s左右迚入±0.2%的转速频带偏差内，小波动调节品质较好。

[1] 水电站气垫式调压室应用研究综述[J]. 水电能源科学, 2007(3).

[2] 谷兆祺, 李新新, 郭军. 挪威水电工程经验介绍[M]. 1985.

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[4] 张晓宏. 气垫式调压室过渡过程的计算研究[D].西安理工大学, 2007.

[5] 华富刚. 气垫式调压室设计中的主要问题研究[J].水利科技与经济, 2006(12).

[6] 方光达. 水电站气垫式调压室应用现状和主要设计问题[J]. 2005(31).

[7] 索丽生. 气垫式调压室的模型相似律[J]. 水利学报, 1998(11).

[8] 方光达. 气垫式调压室的布置设计与体会[J]. 西北水电, 2006(2).

[9] 华富刚. 气垫式调压室设计中的主要问题研究[J].水利科技与经济, 2006(12).

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[15] 杨建东. 水力机械过渡过程计算分析报告[R].武汉大学, 2014(11).

李明桥（1987-），毕业于西安理工大学水利水电工程专业，现就职于中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，工程师。

审稿人：宫让勤

[作者简介]

散齐国（1981-），2007年毕业于华中科技大学，现从事抽水蓄能电站技术管理工作，硕士，工程师。

审稿人：朴秀日

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