调压室阻抗孔尺寸选择的研究

2018-09-11张晓宏张俊发

水资源与水工程学报 2018年4期

童祥，张晓宏，张俊发

(西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)

1 研究背景

为了获得更多的水能，有些水力发电工程需要修建较长的有压引水隧洞，由此会引起一系列水力过渡过程问题[1-3]。为了合理解决这些问题，保证引水系统和机组的正常运行，工程中广泛应用的是阻抗式调压室[4-8]。而阻抗孔尺寸的选择对于保障水力系统稳定有着不可或缺的重要性，前人的成果多是集中在对与阻抗孔过流特性等方面进行了较为深入地研究[9-11]，而将阻抗孔尺寸与引水道面积关联起来进行系统化研究的成果较少。本文结合具体的某工程实例，研究了阻抗孔尺寸对调压室涌浪水位、机组最大转速升高率和蜗壳末端最大相对升压[12-15]的影响，进而分析得出阻抗孔面积与引水道断面面积比的合理区间。

2 工程概况

某水电站位于陕西省岚皋县，是具有发电、养殖和旅游等综合效益的一座大型水利枢纽工程。共安装3台24 MW的水轮发电机组。水库上游校核洪水位为512.5 m，设计洪水位为511.1 m，正常蓄水位为512.0 m，水电站设计水头为97 m，下游洪水位为414.4 m，引水洞及压力管道总长2.94 km，压力引水隧洞长2715.213 m，设计引用流量为93 m3/s，最大发电流量为102.1 m3/s。

调压室型式为阻抗式，竖井开挖断面尺寸为16.0 m，设计内径为14.0 m，阻抗孔口直径2.9 m，底板高程为469.524 m。竖井顶部地面高程为532.00 m，竖井静高76.393 m。

有压引水隧洞洞径6 m，调压室后接压力埋管，钢衬，开挖洞径为6.9 m，内径为5.5 m。压力钢管主管长134.281 m。在进入厂房前约102m处分为3条支管，支管内径为3.0 m。支管后接主厂房。发电系统采用“三机一室一洞”的布置形式。

该水电站引水发电系统用过渡过程计算软件模拟如图1所示，其中J1为上游水库，水位取校核洪水位512.5 m。J11、J12、J13为3台水轮发电机组，导叶总关闭时间[16-17]为12 s，采用先快后慢的关闭规律。J2为上游阻抗式调压室，直井面积为154 m2。调压室后接3条支管连接水轮发电机组，对应的下游水位为414.4 m。

图1 某水电站引水发电系统仿真图形

本文取调压室J2和机组J11为研究对象，计算工况取校核洪水位512.5 m，下游取对应的414.4 m水位。3台机组同时甩负荷。假设J1到J2为D1，J2到J11为D2，D1为上游水库到调压室的距离，D2为调压室到水轮发电机组的距离。研究在调压室前后移动[18](即D2的长度变化)的情况下，改变阻抗孔尺寸对调压室涌浪水位、机组最大转速升高率和蜗壳末端最大水锤相对升压的影响。前提是保证D1+D2=Constant，即改变D2时，D1也随之改变。

3 计算结果分析

根据相关文献[19-20]，只有当阻抗孔面积与压力引水道断面面积比值在一定范围内时，才能有效地抑制调压室的波动振幅及加速波动的衰减。本文初步研究拟定阻抗孔直径d为3.00、3.29、3.55、3.79、4.02、4.24 m(相应的阻抗孔面积A与引水道断面面积S的比值分别为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)。对6组数据进行分析。D2的取值为231.3～431.3 m，每隔50 m递增进行计算，各特征参数见表1。

3.1 阻抗孔尺寸与调压室断面波动振幅及衰减的关系

取D2为231.3 m为研究对象，分析不同阻抗孔面积与引水道断面面积比条件下的波动振幅及衰减情况。阻抗孔尺寸与调压室断面波动及衰减的关系如表2。

由表2可以看出，随着阻抗孔面积与引水道断面面积比值的减小，波动振幅抑制作用越显著，衰减率明显增大。

3.2 阻抗孔尺寸与调压室涌浪水位的关系

不同阻抗孔尺寸下，D2与调压室涌浪水位关系见图2。

图2 阻抗孔直径改变对于不同D2时的调压室最高涌浪水位

在阻抗式调压室中，水流进出调压室的水头损失分为两种，一种是由引水隧洞进入阻抗孔时突然收缩的局部水头损失，另一种是由阻抗孔进入直井时突然扩大的局部水头损失。

由图2可知，当D2增大时，最高涌浪水位降低，说明调压室涌浪水位与有压引水道的长度有关；当阻抗孔直径变大时，调压室阻抗减小，最高涌浪水位升高，水位波动幅度变大，说明增大阻抗孔直径能够更有效地发挥调压室的作用，但调压室最高涌浪水位差值会随着阻抗孔直径的增大而越来越小。

根据《水电站调压室设计规范》[21]推荐，在校核工况下，调压室最高涌浪水位以上的安全超高不宜小于0.5 m。

以上数据中阻抗孔直径为4.24 m(A/S=50%)不满足规范要求，需重新拟定比值范围。故选择直径为4.07 m(A/S=46%)、4.11 m(A/S=47%)、4.15 m(A/S=48%)和4.20 m(A/S=49%)4组数据见表3。

表1 阻抗孔直径变化在不同D2下对应的各项特征数据

注：ZT为调压室最高涌浪水位；β为机组最大转速升高率；ζ为最大水锤相对升压值。

表2 阻抗孔尺寸变化与调压室波动振幅及衰减率的关系

注：Zi为不同时段调压室中的波峰值；Z稳为对应工况的稳定水位值。衰减率=1-(Zi-Z稳)/(Z1-Z稳)。

表3 阻抗孔直径变化时不同D2下的最高

由表3可以看出，调压室最高涌浪水位仍是随着阻抗孔直径d的增大而减小，且伴随D2(调压室到水轮发电机组的距离)的增大而减小。从满足规范要求来看，宜选d=4.07 m(A/S=46%)作为合理比值的区间边界。

3.3 阻抗孔尺寸与蜗壳末端最大水锤相对升压的关系

不同阻抗孔尺寸下，D2与最大水锤相对升压关系见图3。

图3 阻抗孔直径改变对于不同D2时的最大水锤相对升压

由图3可以看出，随着D2的递增，最大水锤相对升压会随之递增；随着阻抗孔直径的递增，最大水锤相对升压呈现递减趋势，各项数据的差值会随着直径的递增而越来越小,说明最大水锤相对升压随着阻抗孔直径的增大而越来越不敏感；但当直径为3 m(A/S=25%)时，其最大水锤相对升压值最大且与其他数据差值较大；说明当阻抗孔面积与压力引水道面积占比为25%时，压力管道末端及调压室底部的水锤压力急剧恶化，且其值超过规范允许范围，不宜作为合理比值范围边界，需重新拟定比值范围。故拟定阻抗孔直径为3.06 m(A/S=26%)、3.12 m(A/S=27%)、3.17 m(A/S=28%)和3.23 m(A/S=29%)作比选(如表4)。

表4 阻抗孔直径变化对不同D2下的最大水锤相对升压(A/S=26%～29%)

从表4可以看出，最大水锤相对升压随着阻抗孔直径d的增大而减小；当D2增大时，最大水锤相对升压呈现增大趋势。由ζ值宜为0.3～0.5的范围来看，宜选d=3.17 m(A/S=28%)作为比值区间的边界。综上所述，该工程阻抗孔面积与引水道面积比宜为28%～46%。该结论与相关规范和学者的研究成果相近，具有较强的普适性。