庙林水电站阻抗式调压室水力过渡数值与水力模型试验成果分析

　　　

(1.云南省调水中心，云南 昆明　650051；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明　650021；3.云南省水利水电建设管理与质量安全中心，云南 昆明　650221)

1　工程概况

庙林水电站位于云南省昭通市彝良县和大关县境内，金沙江一级支流横江支流洛泽河上，是洛泽河下游河段梯级水能开发的第一级引水式水电站。电站总装机容量(2×32.5)MW，设计引用流量111.3m3/s，设计水头94.41m。工程由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三部分组成。其中首部枢纽重力坝坝高50m，水库校核洪水位 817.83m，正常蓄水位815.00m，发电最低限制水位806.00m；引水系统隧洞布置于右岸，轴线总长8157.51m，底坡坡降i=3.23‰，混凝土衬砌有效断面直径 6.5m，喷混凝土衬砌有效断面直径7.2～7.3m，调压室为地下室带阻抗孔的简单圆筒式，井筒高约80m，有效直径19m，压力管道内径4m；厂区枢纽位于洛泽河右岸转嘴村附近的坡地上，为地面式厂房，电站发电最小静水头75.41m。

2　调压室的布设条件及型式确定

根据庙林水电站工程区域地形地貌和地质情况确定工程建筑物总体布置，厂房内侧地形坡度约57°且无明显不良物理地质的陡崖，因此受实际地形条件的限制，调压室只能布设在山体内。

从电站隧洞长度、设计引用发电流量和发电运行水头等特性，对调压室选取阻抗式、简单圆筒式和带上室简单圆筒式三种型式从水力学、结构和经济等方面进行计算分析比较，最后选取运行更合理、投资最省的阻抗式地下室调压室，同时设置一条永久交通洞，作为施工期和运行期通行及补气使用[1]。引水发电系统布置简图如图1所示。

图1　水电站引水发电系统布置简图

3　阻抗式调压室数值计算主要方程

3.1　波动稳定断面方程

(1)

式中A——调压室井筒断面积,m2；

Ath——托马临界稳定断面面积,m2；

A1——引水隧洞断面积,m2；

L——压力引水隧洞长度,m；

H0——发电最小静水头,m；

hw0——压力引水隧洞水头损失,m；

hwm——压力管道水头损失,m；

α——电站水库至调压室水头损失系数；

K——系数。

3.2　验证阻抗孔尺寸合理性数值方程

阻抗式调压室设计关键在阻抗系数的选取，也是数值计算取值时的难点。阻抗式调压室只要设置合适的阻抗系数，在机组最不利运行工况下才能降低压力管道的受力状态，有效抑制室内水位波动幅度和加速波动的衰减，同时可最大限度减小室内水位上升过程中产生的对阻抗底板向上压力和水位下降过程产生的向下压力[2]。因此，结合庙林电站引水系统的参数特性，经分析比较认为调压室非常有必要设置阻抗孔，但是如何选取合适的阻抗孔尺寸又是关键，式(2)～式(3)为验证阻抗孔口直径合理性取值的数值方程，设计计算同时参考已建类似工程的取值。

(2)

(3)

3.3　稳定断面水位涌波数值方程

丢弃全负荷时的最高涌波方程：

(4)

(5)

增加负荷时的最低涌波方程：

(6)

(7)

(8)

相应流量通过阻抗孔的水头损失方程：

(9)

式中Q——引水隧洞引用流量,m3/s；

Q0——增加负荷后的流量,m3/s；

S——阻抗孔断面积,m2；

φ——阻抗孔流量系数；

hc0——最大流量通过阻抗孔时的水头损失,m；

v——压力引水隧洞流速,m/s。

根据庙林水电站引水系统水力边界条件和主要特性参数，由主要计算方程[3]，按托马准则在合理范围选取不同井筒断面和初拟的阻抗孔尺寸，试算结果见表1。

表1　调压室波动水位试算结果值(初拟阻抗直径3.3m)

根据《水力发电厂机电设计规范》相关规定[1]，当电站额定水头在40～100m时，机组突甩全荷时蜗壳最大瞬时压力升高率宜小于50%～30%。由于庙林水电站额定水头为68m，蜗壳承受的最大静水头为99.14m(不包含水锤压力)，因此蜗壳最大瞬时压力升高值应选择下线30%，其相应组合工况下升高值应控制在128.9m以内，即调压室最高涌浪应控制在847m以内，经计算，以上三个断面试算结果在116～119m范围，均满足规范要求。另外，从《水电站调压室设计规范》的稳定断面相关计算原则及基本要求，按托马准则和考虑K值系数后的计算结果值，选择19m直径作为庙林电站调压室设计断面更为经济和合理。

通过初定调压室阻抗直径确定调压室的稳定断面，又通过调压室稳定断面反过来验证初定的调压室阻抗直径的合理性，计算结果见表2。

表2　不同阻抗断面下甩荷时调压室底板压差和涌浪水位值

从上述五组阻抗断面的计算结果看出，阻抗孔断面积与隧洞断面积比在22.75%～28.99%，面积比均满足规范要求试验分析的15%～50%范围。另外，从机组调节保证计算反映，由于庙林水电站引水隧洞为长压力隧道，取3.3m阻抗孔直径更有利于抑制水位波动幅度和加速波动的衰减进程，因此选择直径3.3m作为庙林水电站阻抗孔设计断面。

综合以上试算分析结果，庙林水电站调压室选取直径19m，阻抗孔尺寸3.3m是技术上合理、经济上可行的。

4　水力模型试验的验证

4.1　实施水力模型试验的目的

为进一步验证庙林水电站阻抗式调压室基本数值方程试算过程中参数选取的合理性和试算成果使用的可靠性，开展水力模型试验和水力过渡过程的分析与研究，目的是验证庙林水电站在正常运行或最不利组合工况下调压室的最高、最低涌浪水位及波动衰减周期；验证调压室井筒断面、阻抗孔尺寸断面和阻抗系数设置的合理性；验证引水隧洞、阻抗孔口及压力钢管的最大和最小压力值，计算水击压力和机组转速升高值，进一步寻求机组最优关机时间和导叶关闭规律，以及增加负荷时机组开机时间间隔。开展模型试验为庙林水电站最终安全可靠的运行提供强有力的技术支持和保障。

4.2　水力模型试验调压室成果

根据庙林水电站建筑物总体布置和确定的设计参数，试验根据率定的模型引水隧洞材料糙率值，调压室采用正态模型进行试验。考虑庙林水电站引水隧洞较长，若采用调整模型隧洞糙率试验难以达到引水隧洞正态设计，为保证测试的准确度，试验时按变态模型设计以减小引水隧洞模型长度开展试验。

通过水力模型试验结果，当水库水位在校核洪水位817.33m，两台机组同甩负荷至0台机组运转工况，模型试验结果调压室最高涌波水位833.07m；当水库水位在最低发电水位806.00m，由1台机组正常运行再开启第2台机组，模型试验调压室最低涌波水位788.34m。

4.3　模型试验调压室成果附图

在水库校核洪水位817.33m，两台机组同甩负荷至0台机组运转工况时水力模型试验的最高涌波图如图2所示。

图2　水库校核洪水位817.33m，2台→0台涌波水位

水库水位在最低发电水位806.00m，由1台机组正常运行再开启第2台机组，水力模型试验的最低涌波图如图3所示。

图3　水库最低发电水位806.00m，1台→2台涌波水位

5　数值方程与水力模型试验结果比较

在水库校核洪水位817.33m，2台机由正常运行突甩全负荷，水力模型试验调压室最高涌浪水位833.61m，相应工况数值计算结果835.77m，模型试验值比数值方程值略低2.16m；在水库最低发电水位806.00m，由1台机正常运行，另一台机突开至满负荷时，模型试验调压室最低涌浪水位788.04m，相应工况数值计算结果786.39m，试验值比计算值略高1.65m，且最低涌波水位均高于调压室底板2.0m以上，满足《水电站调压室设计规范》对涌浪水位的控制要求[3]。通过模型试验与数值方程计算结果综合分析，数值方程计算结果的涌波值与水力模型试验结果基本吻合，且数值方程计算结果更安全于水力模型试验值。通过对差值进行分析，认为数值方程计算时采用的隧洞糙率值[4]与水力模型试验室率定的材料糙率值是产生差值的主要因素之一，但差值在可接受范围内。

因此，通过水力模型试验证明，庙林水电站调压室井筒断面、阻抗孔直径和阻抗系数的设计是合理可行的。

6　结　论

a.从庙林水电站调压室的数学试算结果分析，对于边界条件相似工程的阻抗式调压室设计，只要选择合适的阻抗系数，采用数值计算的结果是可以满足设计和使用要求的。

b.对确定的调压室稳定断面，当阻抗孔尺寸在一定范围变化取值时，对调压室的水位波动影响明显，但阻抗孔尺寸增大到一定程度，对调压室的水位波动甚微。

[1]DL/T 5186—2004水力发电厂机电设计规范[S].北京：中国电力出版社，2004.

[2]王树人.调压井水力计算理论与方法[M].北京：清华大学出版社，1983.

[3]DL/T 5058—1996水电站调压室设计规范[S].北京：中国电力出版社，1997.

[4]SL 279—2002水工隧洞设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2002.