水电站过渡过程计算中尾水系统糙率的取值研究

李文欣，张晓宏，陈建国

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048)

1 研究背景

依靠较长距离的有压引水发电系统，有压引水式水电站水轮发电机组获得了较大的水能和电能[1-5]，在其水电站水力过渡过程计算中，如何合理选取输水系统的糙率，准确计算沿程水头损失，不仅会影响水电站水力过渡过程的计算结果[6-10]，更重要的是直接影响到整个有压输水系统及水轮发电机组过渡过程的安全运行问题[11-17]。而“水力过渡过程中尾水系统糙率如何合理取值”这一方面的研究成果较少，本文选取具有较复杂发电尾水系统的雅砻江干流河段某地下式厂房水电站[18-20]，采用过渡过程通用软件，重点计算和分析了调压室前、后管道的不同糙率取值对调压室最低涌浪水位、蜗壳末端最大压力和尾水管进口最小压力等因素间的影响关系[21-28]。

2 工程概况

雅砻江干流河段上的某水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市、盐源县的交界处，该电站装有4台单机容量600 MW的水轮发电机组，总装机容量2 400 MW。上游正常蓄水位1 330.00 m，设计洪水位1 330.18 m，校核洪水位1 330.44 m。2台机运行时，下游尾水位为1 206.40 m，1台机运行时，下游尾水位为1 204.01 m。

该水电站引水部分采用单机单管供水，尾水部分采用“两机一室一洞”[29-30]的布置格局。引水发电系统共有两个水力单元，其中每个水力单元都是由一个进水口、2条长压力管道、两台机组公用的一个阻抗长廊式尾水调压室、两条尾水连接管和一条尾水洞组成，两个尾水调压室在高程1 229.5 m处连通。本文取尾水部分作为研究对象，调压室前尾水管道为L1段，长度约为81.15 m，调压室后到出口闸门的管道为L2段，管道长度约为560.22 m。该水电站引水发电系统平面布置如图1所示。

图1 雅砻江干流河段某水电站引水发电系统平面布置图

3 机组基本参数

所研究的水电站机组基本参数如表1所示。

表1 水电站机组基本参数

在水力过渡计算过程中，根据《水力发电厂机电设计技术规范》(DL/T 5186-2004)[31]规定,主要考虑施工质量的影响，计算采用的管道糙率最小值、最大值和平均值分别为0.012、0.016和0.014。

4 电站尾水系统管道糙率对水力过渡过程的影响计算及成果分析

4.1 计算工况

计算工况为：下游尾水位1 206.40 m，额定水头，额定流量，导叶采用折线关闭，同水力单元内2台机同时甩全部负荷。

4.2 电站尾水系统管道糙率变化对水力过渡过程的影响

在其他管道参数不变的条件下，为了充分研究糙率取值的影响，先假设L1段管道糙率取值不变，改变L2段管道糙率进行过渡过程计算；再假设L2段管道糙率取值不变，改变L1段管道糙率进行过渡过程计算，计算结果如表2所示。

由表2可以看出，无论改变调压室前还是调压室后的管道糙率，调压室的最低涌浪、最高涌浪、蜗壳末端最大压力及尾水管进口最小压力都发生了变化。当调压室后管道糙率不变时，随着调压室前管道糙率的逐渐增大，调压室最低涌浪水位逐渐升高，最高涌浪水位降低，蜗壳末端压力逐渐降低，尾水管进口最小压力逐渐升高。当调压室前管道糙率不变时，随着调压室后管道糙率的逐渐增大，调压室最低涌浪水位逐渐升高，最高涌浪水位降低，蜗壳末端压力逐渐降低，尾水管进口最小压力升高。两种情况所研究的参数变化规律一致。

通过分析表2不难看出，L1和L2段管道糙率的取值对蜗壳末端压力影响较小，简化计算时输水管道可以按照光滑管计算。

表2 电站尾水系统管道糙率变化对水力过渡过程的影响

4.3 电站尾水系统管道糙率变化对调压室最低涌浪水位的影响

L1、L2段管道糙率变化对调压室最低涌浪水位的影响见图2。

由图2可以看出，L1段管道糙率和L2段管道糙率的取值均对调压室涌浪振幅有明显影响，随着糙率的变大，调压室最低涌浪水位都会升高。在L2段管道糙率为定值的情况下，随着L1段管道糙率的逐渐增加，调压室最低涌浪水位升高值变化较小(图2(a))；然而在L1段管道糙率为定值的情况下，随着L2段管道糙率的逐渐增加，调压室最低涌浪水位升高值相对变化较大(图2(b))。且关系曲线间距也表明，L2段管道糙率的变化对最低涌浪的影响远大于L1段管道糙率的影响。

图2 电站尾水系统糙率对调压室最低涌浪水位的影响

4.4 电站尾水系统管道糙率变化对尾水管进口最小压力的影响

L1、L2段管道糙率变化对尾水管进口最小压力的影响见图3。

由图3可知，L1段管道糙率和L2段管道糙率取值对尾水管进口最小压力也有一定影响，随着这两段管道糙率的增大，尾水管进口最小压力逐渐升高。在L2段管道糙率为定值的情况下，随着L1段管道糙率的逐渐增加，尾水管进口最小压力增大幅度比较缓慢(图3(a))；在L1段管道糙率为定值的情况下，随着L2段管道糙率的逐渐增加，尾水管进口最小压力明显增大(图3(b))。且关系曲线间距也表明，L2段管道糙率变化对尾水管进口最小压力的影响远比L1段管道糙率变化的影响大。

图3 电站尾水系统糙率对尾水管进口最小压力的影响

4.5 电站尾水系统管道糙率变化对调压室水位振幅及衰减率的影响

计算电站尾水系统管道糙率变化与调压室振幅及衰减率的关系，其结果见表3。

表3 尾水系统管道糙率变化与调压室振幅及衰减率关系

由表3可以看出，随着L1和L2段管道糙率的增大，调压室振幅有所降低，衰减率增大。在L2段管道糙率不变的情况下，随着L1段管道糙率的逐渐增加，衰减率增加缓慢；在L1段管道糙率不变的情况下，随着L2段管道糙率的逐渐增加，衰减率增加幅度明显增大。

上述成果是由于管道的水头损失对调压室的最低涌浪影响较大，而水头损失主要表现为沿程损失，所以管道长度和管道糙率的变化均会对调压室水位产生影响，而在该水力过渡过程中，调压室前管道长度远小于调压室后管道长度，所以调压室后端管道糙率对调压室涌浪的影响较为明显。

5 结 论

通过对某水电站尾水系统实例水力过渡过程的计算研究，得出以下结论：

(1)水电站尾水系统管道糙率(尾水调压室前管道及尾水调压室后管道)取值对蜗壳末端最大压力的影响甚微，简化计算时可以不考虑其影响。

(2)水电站尾水系统管道糙率(尾水调压室前段管道及尾水调压室后段管道)取值对调压室最低涌浪水位有一定影响，调压室最低涌浪水位随着糙率的增大而升高，为了保证调压室底部满足应有的埋没水深，在过渡过程计算中调压室前、后段管道糙率取可能的最小值较为合理。

(3)水电站尾水系统管道糙率(尾水调压室前段管道及尾水调压室段后管道)取值对尾水管进口最小压力也有一定影响，尾水管进口最小压力随着糙率的增大而升高，为了控制水轮机的运行工况，在过渡过程计算中调压室前、后段管道糙率应采用可能的最小值较为合理。