隧洞出口控制闸门运行分析

（丹东市水利勘测设计研究院，辽宁丹东118001）

隧洞出口控制闸门运行分析

李瑞涛

（丹东市水利勘测设计研究院，辽宁丹东118001）

在综合性水利枢纽工程中，受枢纽布置空间的限制并考虑到其布置的紧凑、提高其经济性，往往采用一洞多用的隧洞。一洞多用虽然可以获得良好的经济效果，但不同用途的隧洞，其水流特性和运用条件都有较大的差异。在其控制运行中即要考虑工程安全，也要尽量减少或避免对系统在其它方面供水的影响。文中以TJ水库灌溉支洞出口控制闸门的运行操作为例，分析了其运行操作过程，并给出了其运行操作中应该注意的问题。

多用途；隧洞；控制闸门；运行

1 工程概况

TJ水库位于东北某寒冷地区，是以灌溉为主，兼顾防洪、发电、供水、养殖等综合利用的大（2）型水库，1964年竣工，2003年除险加固完成。该水库枢纽包括主坝、副坝、溢洪道、输水隧洞（发电、灌溉、供水）及电站，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。

水库设计洪水标准为200年一遇，设计洪水位92.23 m；校核洪水标准为2000年一遇，校核洪水位93.59 m，正常蓄水位89.10 m，防洪限制水位86.60 m，死水位75.10 m。

2 隧洞布置

隧洞位于大坝右坝肩山体，建库时为施工导流隧洞，现为灌溉、发电、供水多用途的隧洞。

1）主洞。进口底高程71.00 m，进口断面尺寸2孔，单孔宽1.60 m，高2.50 m，后接拦污栅、闸门槽（过水面积8.00 m2）；突然扩大段（因城市供水需求，一直未中断供水进行处理，突变为16.25 m2）；渐变段（16.25 m2渐变为22.77 m2，长11.30 m）。

2）发电引水压力管道。主洞0+236.87后接电站引水岔管分别为两台水力发电机组供水，管径均为1.75 m。渐变段（15.20 m2渐变为9.15 m2，长8.29 m）；突然收缩段（突变为4.12 m2）。

3）供水支洞：位于桩号0+211.87右侧，管径1.20 m。

4）灌溉支洞：位于桩号0+238.26右侧，与主洞方向垂直。

3 各用途支洞供水参数

1）灌溉：灌溉设计引用流量38.70 m3/s，灌溉期分布在每年的4月至9月之间的泡田期及生育期。

2）供水：城市生活供水流量1.30 m3/s，长年基本不中断。

3）发电：电站总装机容量4 000 kW，2台，单机额定出力2 000 kW。

4 各工况灌溉支洞进口处能头计算

依据各发电特征水头对应的引用流量计算，利用发电引水压力管道工程布置及其特征参数，计算压力管道及水轮机流道内的水头损失，推求灌溉支洞进口，发电引水压力管道进口及主洞末端0+236.87处的能头。计算过程及结果见表1、表2。

5 闸门开度计算

依据以上推求出的电站运行各工况主洞末端0+236.87处的能头，根据灌溉支洞工程布置及其特征参数，计算出口弧形闸门开度，保障灌溉支洞流量与发电引用流量之和满足灌溉设计引用流量38.70 m3/s要求。灌溉支洞水头损失计算见表3。

以双机设计水头额定出力为例，计算分析灌溉支洞出口弧形闸门开度。不同开度对流量的影响参照《水力计算手册》第二版中管流的局部水头损失，按弧形门的局部水头考虑。

该工况时，电站引用流量24.36 m3/s，为满足设计灌溉流量，需要灌溉支洞的放流量为14.34 m3/s。灌溉支洞进口能头87.94 m，出口底高程68.30m，能量差值19.64 m。放流量14.34 m3/s时，出口直段流速6.64 m/s，依据上表计算支洞进口至弧形闸门前水头损失2.85 m。

表1 电站运行各工况引用流量计算表

表2 电站运行各工况主洞末端0+236.87处的能头计算表

表3 灌溉支洞水头损失计算表

试算假设闸门开启高度0.48 m，计算得该工况弧形闸门局部水头损失为2.25 m，此时灌溉支洞过流量为14.34 m3/s，过门流速16.61 m/s，流速水头14.06 m，且为自由出流，总能量为14.54 m。该处总能量和灌溉支洞水头损失之和与灌溉支洞进出口能量差值相等，假设闸门开启高度合理。同理计算出其他工况闸门开度。

根据灌溉支洞钢筋混凝土管的混凝土材料及浇筑质量，要求管内流速不得大于8.00 m/s。计算得灌溉支洞最大过流能力为20.34 m3/s。故各工况灌溉支洞流量均不得大于20.34 m3/s。

以上工况中在单机开启运行时，设计灌溉流量均不满足要求。如需满足设计灌溉流量要求，两台机组均要求开启。

6 电站调节保证计算成果

电站总装机容量4 000 kW，2台，单机额定出力2 000 kW，水轮机型号HLTF50b-LJ-140，发电机型号SF2000-28/2820，发电机转动惯量48 t.m2。根据主洞及发电引水压力管道的参数特征，不考虑灌溉支洞的引用流量对主洞的平均流速的影响，利用水力机械过渡过程仿真分析计算。各工况双机运行同时丢弃全部负荷最大转速升高率及蜗壳最大压力升高率见表4。为更好的控制过渡过程中的压力上升和转速上升，导叶关闭采用两段关闭规律,第一段关闭时间为1 s，关闭至开度0.45；第二段关闭时间为15 s，关闭至开度0。

表4 电站机组调节保证计算成果表

由上表数据中看出，即使导叶关闭采用两段关闭规律，工况1机组最大转速上升率接近规范允许值60%，工况2蜗壳最大压力上升率接近规范允许值70%。

根据电站调节保证计算结论，要求在电站机组丢弃负荷期间禁止对输水洞出口工作闸门进行操作，避免对电站机组的安全运行造成影响。

7 控制闸门运行操作要求

1）为保证主洞内及灌溉支洞出口控制闸门前洞内承有压状态，在开启主洞洞首平板工作闸门前，应先关闭电站蝶阀及灌溉支洞出口工作闸门进行充水。充水完毕后主洞洞首平板工作闸门应保持全开，不得用其做流量调节。

2）主洞洞首平板工作闸门开启速度应严格控制，整个洞内充水时间不得小于1 h。当水位接近洞顶，即将充满整个洞体时，要求适当停顿、再开启，促使洞内气体顺利由排气孔排出。在确认洞内气体已排净后，再开启电站水轮机进口蝶阀，继而启动机组。待电站增加负荷运行稳定后，如有灌溉需求，方可根据灌溉需要的流量开启灌溉支洞出口工作闸门至适当开度。

3）灌溉支洞出口工作闸门开度应保证灌溉支洞最大流量不超过20.34 m3/s。

4）在电站机组增加或丢弃负荷期间禁止对输水洞出口工作闸门进行操作，避免对电站机组的安全运行造成影响。

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2017-01-20