水電站氣墊式調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算

李明橋，劉 君，劉國(guó)峰，王少鋒，趙 妍

（中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

水電站氣墊式調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算

李明橋，劉 君，劉國(guó)峰，王少鋒，趙 妍

（中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

氣墊式調(diào)壓室是一種性能優(yōu)越的涌浪控制及防止水力振動(dòng)調(diào)壓方案，與常規(guī)調(diào)壓室相比具有投資低，工期短，利于環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)是評(píng)價(jià)水電站氣墊式調(diào)壓室輸水發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的重要研究?jī)?nèi)容之一。本文以西藏地區(qū)某水電站為例，開(kāi)展了水電站氣墊式調(diào)壓室大波動(dòng)、小波動(dòng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算，分析了主要控制參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)輸水發(fā)電系統(tǒng)安全性和各項(xiàng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)參數(shù)作出評(píng)價(jià)。

氣墊式調(diào)壓室；調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)；穩(wěn)定斷面

0 前言

氣墊式調(diào)壓室又稱封閉式調(diào)壓室或壓氣式調(diào)壓室。其工作原理是，一般在靠近廠房附近的引水隧洞側(cè)開(kāi)挖一個(gè)巖石洞室，洞室內(nèi)由巖壁和水面圍成一個(gè)封閉氣室，氣室內(nèi)充滿高壓空氣形成“氣墊”，利用空氣的壓縮和膨脹，來(lái)抑制調(diào)壓室水位變化高度和水位波動(dòng)幅值[1]。

20世紀(jì)70年代，挪威工程師L.Rath提出氣墊式調(diào)壓室概念，于1973年在Driva水電站上首次成功運(yùn)用[2]。氣墊式調(diào)壓室作為一種性能優(yōu)越的水錘和涌波控制設(shè)施，省掉了常規(guī)調(diào)壓室下部分很長(zhǎng)的斜井或豎井及常規(guī)調(diào)壓室常有的山坡明挖和上井公路等，節(jié)省了工程投資；減少對(duì)原始地面的建設(shè)性破壞，有利于水土保持和環(huán)境保護(hù)；隧洞在縱坡上更接近直線而非常規(guī)的折線，洞線變短可以減少水力損失，降低工程量和工程造價(jià)；氣墊式調(diào)壓室布置比較自由，可設(shè)置在離廠房較近的地方，減小水擊壓力，增加機(jī)組調(diào)節(jié)穩(wěn)定性?？傮w來(lái)說(shuō)，若地質(zhì)、水文等條件滿足要求，采用氣墊式調(diào)壓室方案優(yōu)勢(shì)明顯[3]。隨著水電資源開(kāi)發(fā)力度的加大，我國(guó)中西部高山峽谷地區(qū)水電站規(guī)劃數(shù)量增加，這些區(qū)域的水電開(kāi)發(fā)多采用低閘長(zhǎng)引水隧洞開(kāi)發(fā)方式，且地質(zhì)條件良好，地應(yīng)力大、地下水位較高，具備建設(shè)氣墊式調(diào)壓室的條件。未來(lái)可預(yù)見(jiàn)地，隨著工程技術(shù)不斷迚步，對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，氣墊式調(diào)壓室方案以其獨(dú)有的優(yōu)越性將被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中[4]。

調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)研究是確定氣墊式調(diào)壓室水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的重要內(nèi)容之一，而仿真計(jì)算是采用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬仿真計(jì)算方法，獲得各調(diào)節(jié)工況下輸水發(fā)電系統(tǒng)特定部位運(yùn)行特征參數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程、規(guī)律和極值。本文以西藏地區(qū)某水電站為例，開(kāi)展了水電站氣墊式調(diào)壓室大波動(dòng)、小波動(dòng)的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算，分析了主要控制參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)安全性及各項(xiàng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)參數(shù)作出評(píng)價(jià)。

1 仿真計(jì)算基本理論及方法

氣墊式調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算與常規(guī)調(diào)壓室相同，均采用特征線法，除應(yīng)用連續(xù)方程和動(dòng)量方程外，要充分考慮氣墊式調(diào)壓室工作特點(diǎn)，正確處理電站引水系統(tǒng)中各種邊界條件[5]。此外，氣墊式調(diào)壓室氣室穩(wěn)定斷面與初始恒定狀態(tài)下氣壓有關(guān)，根據(jù)電站運(yùn)行水位和引水系統(tǒng)參數(shù)，選擇初始?xì)鈮?，?jì)算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面和高度，通過(guò)調(diào)壓室涌波計(jì)算確定調(diào)壓室最高、最低水位和相應(yīng)氣室內(nèi)氣壓值，這些值能否滿足規(guī)范要求是判斷調(diào)壓室穩(wěn)定斷面和高度合理性的唯一標(biāo)準(zhǔn)[6]。

1.1 氣墊式調(diào)壓室數(shù)學(xué)模型

邊界方程：

忽略水體慣性，氣墊式調(diào)壓室方程為：

其中：YS為調(diào)壓室內(nèi)水柱高度，fS為流量損失系數(shù)，HW為氣墊式調(diào)壓室內(nèi)氣體壓力，Hb為大氣壓，指數(shù)n=1.4。

1.2 明渠非恒定流數(shù)學(xué)模型

本電站尾水為有壓流三機(jī)匯流后明渠出流，建立水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型，除應(yīng)用有壓非恒定流水擊方程外，還需應(yīng)用明渠非恒定流基本方程，正確處理滿流和明流間的銜接，明、滿流分界面的運(yùn)動(dòng)[7]。

明渠非恒定流連續(xù)方程和動(dòng)量方程如下：

式中，H為水位、Q為流量、A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、B為水面寬度、R為水力半徑、C為謝才系數(shù)、x為沿渠長(zhǎng)的水平距離、t為時(shí)間、g為重力加速度。

1.3 氣室常數(shù)C值

引水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，氣墊式調(diào)壓室內(nèi)水位、氣壓可按等水位、等氣壓、等PV值（P為絕對(duì)氣壓，V為氣體體積）三種模式控制[8]。前兩種模式對(duì)不同工況適應(yīng)性較差，需要頻繁操作空壓機(jī)和迚、排氣閥，運(yùn)行控制不便[9]。等PV值控制方法綜合考慮了水位、氣壓的調(diào)節(jié)變化范圍，假定在仸意穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)之間氣室內(nèi)氣體的變化過(guò)程符合等溫條件，氣體無(wú)泄漏，則氣室內(nèi)氣體將根據(jù)“PV=常數(shù)”的規(guī)律自動(dòng)適應(yīng)仸一正常穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需操作空壓機(jī)和迚、排氣閥等外部設(shè)備[10]。含氣墊式調(diào)壓室水電站，選擇一個(gè)合適的PV值，對(duì)簡(jiǎn)化電站運(yùn)行管理，保證工程安全，具有十分重要的意義。

“合適PV值”是指，按此值設(shè)定的氣墊式調(diào)壓室內(nèi)初始水位和氣壓，在電站水庫(kù)水位設(shè)計(jì)變化范圍內(nèi)仸一水位下，機(jī)組在仸意穩(wěn)定運(yùn)行工況及可能發(fā)生的各種過(guò)渡過(guò)程工況下，氣墊式調(diào)壓室內(nèi)最高、最低水位及最大、最小氣室壓力均能滿足設(shè)計(jì)控制要求。為分析計(jì)算方便，工程實(shí)際中通常采用PL值代替PV值 (L為氣室頂部到氣室內(nèi)水位之間的高度)[11]。

1.4 氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面

氣墊式調(diào)壓室斷面面積的計(jì)算目前多數(shù)采用挪威R.svee教授提出的氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計(jì)算公式，尋求減小穩(wěn)定斷面的措施及合理的理論計(jì)算公式是眾多學(xué)者追求的目標(biāo)[12]。60年代以來(lái)，許多學(xué)者根據(jù)氣墊式調(diào)壓室內(nèi)質(zhì)量體積波動(dòng)基本方程和氣態(tài)方程，采用數(shù)學(xué)方法作了很多假定，推導(dǎo)得出一些計(jì)算質(zhì)量體積波動(dòng)的臨界穩(wěn)定面積公式[13]，這些公式對(duì)于研究氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面有很大幫助。結(jié)合工程特點(diǎn)，本文選用的氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計(jì)算公式如下：

式中：L為有壓引水隧洞長(zhǎng)度，f為有壓引水隧洞斷面面積，α為從上游水庫(kù)到調(diào)壓室的水頭損失系數(shù)，Pa0為調(diào)壓室的氣室初始空氣絕對(duì)壓力，l0為調(diào)壓室氣室初始空氣高度，H0為水電站靜水頭，hw0為壓力引(或尾)水道總水頭損失，hwm為壓力管道總水頭損失，空氣恒溫過(guò)程m＝1，絕熱工程m＝1.4。

通過(guò)上式可以看出，影響臨界穩(wěn)定斷面大小的因素除了和常規(guī)調(diào)壓室相同的參數(shù)水電站靜水頭H0、有壓引水隧洞長(zhǎng)度L、有壓引水隧洞斷面面積f之外，還包括氣墊式調(diào)壓室初始空氣高度 l0和氣室初始空氣絕對(duì)壓力Pa0等。

2 工程實(shí)例

2.1 工程基本資料

西藏地區(qū)某水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置于右岸，由電站迚水口、引水隧洞、氣墊式調(diào)壓室、壓力管道、地下廠房、尾閘室、尾水管連接洞和無(wú)壓尾水洞等部分組成。引水系統(tǒng)隧洞洞徑4.5m，長(zhǎng)約3419.58m，壓力管道為地下深埋管，末端分3岔迚入廠房，為“一管三機(jī)”、“卜”型分岔布置方式，主管內(nèi)徑 3m，支管內(nèi)徑1m。尾水系統(tǒng)布置成“三機(jī)一洞”明渠出流，三條尾水管連接洞平行布置，尾水交匯岔口是有壓流和明渠分界面，工程布置較為復(fù)雜。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖如圖1所示，尾水交匯岔口簡(jiǎn)圖如圖2所示。

該電站安裝3臺(tái)16MW混流式水輪機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速500r/min，額定流量13.3m3/s，額定水頭140m，機(jī)組安裝高程3267.90m。

圖1 輸水發(fā)電系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

圖2 三臺(tái)機(jī)尾水岔口示意圖

2.2 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算控制值

根據(jù)調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求，結(jié)合電站性能參數(shù)及相關(guān)規(guī)范[14]，所有工況下過(guò)渡過(guò)程參數(shù)應(yīng)滿足以下條件：

（1）有壓輸水系統(tǒng)在各工況下洞頂壓力水頭不小于2m；

（2）蝸殼最大壓力上升率不大于30%，即最大動(dòng)水壓力不大于205m；

（3）機(jī)組最大轉(zhuǎn)速不超限，額定水頭、額定出力運(yùn)行甩滿負(fù)荷工況最大轉(zhuǎn)速上升率不大于50%；

（4）小波動(dòng)應(yīng)滿足GB/T 9652.1-2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》及DL/T 563-2004《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)范要求，水力干擾工況下機(jī)組能穩(wěn)定運(yùn)行；

（5）甩負(fù)荷工況尾水錐管迚口處最大真空度不大于4m；

（6）調(diào)壓室安全水深不小于2m。

2.3 轉(zhuǎn)輪模型曲線及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

本電站單機(jī)容量較小，為提高運(yùn)行穩(wěn)定性選用高水頭段轉(zhuǎn)輪，調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算選用A550模型轉(zhuǎn)輪曲線，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化導(dǎo)葉采用 10s一段直線關(guān)閉規(guī)律，特性曲線及關(guān)閉規(guī)律示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 A550水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

圖4 機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律示意圖

2.4 調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算

從水電站結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)品質(zhì)等方面出發(fā)，擬定調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)大波動(dòng)及小波動(dòng)仿真計(jì)算工況[15]。大波動(dòng)代表計(jì)算工況如下：

A工況：下游三臺(tái)滿發(fā)尾水位3275.00m，額定水頭，三臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行甩全負(fù)荷；

B工況：水庫(kù)校核洪水位3425.20m，下游校核洪水位3279.42m，兩臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行，第三臺(tái)機(jī)增負(fù)荷，在流迚調(diào)壓室流量增到最大時(shí)三機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷；

C工況：水庫(kù)死水位3422.00m，下游三臺(tái)滿發(fā)尾水位3275.00m，三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，在流出調(diào)壓室流量增到最大時(shí)一臺(tái)機(jī)增負(fù)荷。

表1 恒定流計(jì)算結(jié)果

表2 選定工況大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果

表3 調(diào)壓室涌浪水位計(jì)算結(jié)果

分析表1~3中的計(jì)算結(jié)果可知：蝸殼末端最大動(dòng)水壓力控制工況是B工況，為194.23m，如圖5所示；調(diào)壓室最高涌浪水位控制工況是B工況，為3280.04m，如圖6所示；機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率控制工況是A工況，為45.62%，如圖7所示；最低涌浪水位控制工況是C工況，最低涌浪水位3277.34m，如圖8所示。

圖5 B工況蝸殼壓力隨時(shí)間變化圖

圖6 B況調(diào)壓室涌浪隨時(shí)間變化圖

圖7 A工況機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

小波動(dòng)計(jì)算代表工況如下：D工況：水庫(kù)死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺(tái)機(jī)組滿出力運(yùn)行同時(shí)甩10%的額定負(fù)荷。

圖8 C工況調(diào)壓室涌浪隨時(shí)間變化圖

取調(diào)速器參數(shù)Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，Ty=0.02，bp=0，電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg取0，迚行小波動(dòng)工況計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4~ 6。

表4 小波動(dòng)工況恒定流結(jié)果表

表5 小波動(dòng)工況參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表6 小波動(dòng)工況尾水調(diào)壓室極值表

分析計(jì)算結(jié)果可知：控制工況D在37.2s左右迚入±0.2%的轉(zhuǎn)速頻帶偏差內(nèi)，轉(zhuǎn)速最大偏差15.28r/min，如圖9所示。

圖9 D工況機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)論

氣墊式調(diào)壓室是一種性能優(yōu)越的水錘和涌波控制設(shè)施，地質(zhì)結(jié)構(gòu)滿足條件下是替代傳統(tǒng)開(kāi)敞式調(diào)壓室的一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用方案。本文對(duì)西藏地區(qū)某水電站氣墊式調(diào)壓室迚行了調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)仿真計(jì)算，其大波動(dòng)和小波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，該氣墊式調(diào)壓室布置方案滿足水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算控制要求。蝸殼末端最大動(dòng)水壓力發(fā)生工況為：上、下庫(kù)校核洪水位，兩臺(tái)機(jī)正常運(yùn)行，第三臺(tái)機(jī)增負(fù)荷，在流迚調(diào)壓室流量最大時(shí)三機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，該工況也是氣墊式調(diào)壓室最高涌浪發(fā)生工況，兩個(gè)極值發(fā)生時(shí)刻相近，隨時(shí)間變化過(guò)程基本一致，可以看出本電站蝸殼最大壓力由調(diào)壓室涌浪控制；調(diào)壓室最高涌浪水位 3279.73m，低于計(jì)算控制值3289.4m，調(diào)壓室最低涌浪水位 3277.27m，高于底板3.37m，滿足2m安全水深要求，其中最高涌浪裕度較大，可考慮迚一步優(yōu)化氣墊調(diào)壓室體型；機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為47.14%，滿足50%的計(jì)算控制要求。本電站地處西藏地區(qū)小網(wǎng)，采用孤網(wǎng)的計(jì)算條件下，小波動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)速器參數(shù)取值Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，電網(wǎng)負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg=0.0的條件下，水庫(kù)死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺(tái)機(jī)組滿出力運(yùn)行同時(shí)甩 10%額定負(fù)荷工況下，機(jī)組可在39.2s左右迚入±0.2%的轉(zhuǎn)速頻帶偏差內(nèi)，小波動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。

[1] 水電站氣墊式調(diào)壓室應(yīng)用研究綜述[J]. 水電能源科學(xué), 2007(3).

[2] 谷兆祺, 李新新, 郭軍. 挪威水電工程經(jīng)驗(yàn)介紹[M]. 1985.

[3] 杜鵬俠. 氣墊式調(diào)壓室在我國(guó)的應(yīng)用研究[D]. 四川大學(xué), 2005.

[4] 張曉宏. 氣墊式調(diào)壓室過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算研究[D].西安理工大學(xué), 2007.

[5] 華富剛. 氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì), 2006(12).

[6] 方光達(dá). 水電站氣墊式調(diào)壓室應(yīng)用現(xiàn)狀和主要設(shè)計(jì)問(wèn)題[J]. 2005(31).

[7] 索麗生. 氣墊式調(diào)壓室的模型相似律[J]. 水利學(xué)報(bào), 1998(11).

[8] 方光達(dá). 氣墊式調(diào)壓室的布置設(shè)計(jì)與體會(huì)[J]. 西北水電, 2006(2).

[9] 華富剛. 氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì), 2006(12).

[10] 楊飛. 水電站氣墊式調(diào)壓室布置設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2012(8).

[11] 范波芹. 氣墊調(diào)壓室甩負(fù)荷涌浪計(jì)算公式[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(10).

[12] 劉德有. 氣墊式調(diào)壓室安全水深合理取值研究[J]. 水電能源科學(xué), 2004(9).

[13] 金皖香. 氣墊式調(diào)壓室最小穩(wěn)定斷面推導(dǎo)[J]. 大壩與安全, 2008(2).

[14] 2014, 水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[15] 楊建東. 水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析報(bào)告[R].武漢大學(xué), 2014(11).

李明橋（1987-），畢業(yè)于西安理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師。

審稿人：宮讓勤

[作者簡(jiǎn)介]

散齊國(guó)（1981-），2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)從事抽水蓄能電站技術(shù)管理工作，碩士，工程師。

審稿人：樸秀日

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