隧洞出口控制閘門運(yùn)行分析

（丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧丹東118001）

隧洞出口控制閘門運(yùn)行分析

李瑞濤

（丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧丹東118001）

在綜合性水利樞紐工程中，受樞紐布置空間的限制并考慮到其布置的緊湊、提高其經(jīng)濟(jì)性，往往采用一洞多用的隧洞。一洞多用雖然可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果，但不同用途的隧洞，其水流特性和運(yùn)用條件都有較大的差異。在其控制運(yùn)行中即要考慮工程安全，也要盡量減少或避免對(duì)系統(tǒng)在其它方面供水的影響。文中以TJ水庫灌溉支洞出口控制閘門的運(yùn)行操作為例，分析了其運(yùn)行操作過程，并給出了其運(yùn)行操作中應(yīng)該注意的問題。

多用途；隧洞；控制閘門；運(yùn)行

1 工程概況

TJ水庫位于東北某寒冷地區(qū)，是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫，1964年竣工，2003年除險(xiǎn)加固完成。該水庫樞紐包括主壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞（發(fā)電、灌溉、供水）及電站，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，設(shè)計(jì)洪水位92.23 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為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

隧洞位于大壩右壩肩山體，建庫時(shí)為施工導(dǎo)流隧洞，現(xiàn)為灌溉、發(fā)電、供水多用途的隧洞。

1）主洞。進(jìn)口底高程71.00 m，進(jìn)口斷面尺寸2孔，單孔寬1.60 m，高2.50 m，后接攔污柵、閘門槽（過水面積8.00 m2）；突然擴(kuò)大段（因城市供水需求，一直未中斷供水進(jìn)行處理，突變?yōu)?6.25 m2）；漸變段（16.25 m2漸變?yōu)?2.77 m2，長(zhǎng)11.30 m）。

2）發(fā)電引水壓力管道。主洞0+236.87后接電站引水岔管分別為兩臺(tái)水力發(fā)電機(jī)組供水，管徑均為1.75 m。漸變段（15.20 m2漸變?yōu)?.15 m2，長(zhǎng)8.29 m）；突然收縮段（突變?yōu)?.12 m2）。

3）供水支洞：位于樁號(hào)0+211.87右側(cè)，管徑1.20 m。

4）灌溉支洞：位于樁號(hào)0+238.26右側(cè)，與主洞方向垂直。

3 各用途支洞供水參數(shù)

1）灌溉：灌溉設(shè)計(jì)引用流量38.70 m3/s，灌溉期分布在每年的4月至9月之間的泡田期及生育期。

2）供水：城市生活供水流量1.30 m3/s，長(zhǎng)年基本不中斷。

3）發(fā)電：電站總裝機(jī)容量4 000 kW，2臺(tái)，單機(jī)額定出力2 000 kW。

4 各工況灌溉支洞進(jìn)口處能頭計(jì)算

依據(jù)各發(fā)電特征水頭對(duì)應(yīng)的引用流量計(jì)算，利用發(fā)電引水壓力管道工程布置及其特征參數(shù)，計(jì)算壓力管道及水輪機(jī)流道內(nèi)的水頭損失，推求灌溉支洞進(jìn)口，發(fā)電引水壓力管道進(jìn)口及主洞末端0+236.87處的能頭。計(jì)算過程及結(jié)果見表1、表2。

5 閘門開度計(jì)算

依據(jù)以上推求出的電站運(yùn)行各工況主洞末端0+236.87處的能頭，根據(jù)灌溉支洞工程布置及其特征參數(shù)，計(jì)算出口弧形閘門開度，保障灌溉支洞流量與發(fā)電引用流量之和滿足灌溉設(shè)計(jì)引用流量38.70 m3/s要求。灌溉支洞水頭損失計(jì)算見表3。

以雙機(jī)設(shè)計(jì)水頭額定出力為例，計(jì)算分析灌溉支洞出口弧形閘門開度。不同開度對(duì)流量的影響參照《水力計(jì)算手冊(cè)》第二版中管流的局部水頭損失，按弧形門的局部水頭考慮。

該工況時(shí)，電站引用流量24.36 m3/s，為滿足設(shè)計(jì)灌溉流量，需要灌溉支洞的放流量為14.34 m3/s。灌溉支洞進(jìn)口能頭87.94 m，出口底高程68.30m，能量差值19.64 m。放流量14.34 m3/s時(shí)，出口直段流速6.64 m/s，依據(jù)上表計(jì)算支洞進(jìn)口至弧形閘門前水頭損失2.85 m。

表1 電站運(yùn)行各工況引用流量計(jì)算表

表2 電站運(yùn)行各工況主洞末端0+236.87處的能頭計(jì)算表

表3 灌溉支洞水頭損失計(jì)算表

試算假設(shè)閘門開啟高度0.48 m，計(jì)算得該工況弧形閘門局部水頭損失為2.25 m，此時(shí)灌溉支洞過流量為14.34 m3/s，過門流速16.61 m/s，流速水頭14.06 m，且為自由出流，總能量為14.54 m。該處總能量和灌溉支洞水頭損失之和與灌溉支洞進(jìn)出口能量差值相等，假設(shè)閘門開啟高度合理。同理計(jì)算出其他工況閘門開度。

根據(jù)灌溉支洞鋼筋混凝土管的混凝土材料及澆筑質(zhì)量，要求管內(nèi)流速不得大于8.00 m/s。計(jì)算得灌溉支洞最大過流能力為20.34 m3/s。故各工況灌溉支洞流量均不得大于20.34 m3/s。

以上工況中在單機(jī)開啟運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)灌溉流量均不滿足要求。如需滿足設(shè)計(jì)灌溉流量要求，兩臺(tái)機(jī)組均要求開啟。

6 電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果

電站總裝機(jī)容量4 000 kW，2臺(tái)，單機(jī)額定出力2 000 kW，水輪機(jī)型號(hào)HLTF50b-LJ-140，發(fā)電機(jī)型號(hào)SF2000-28/2820，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量48 t.m2。根據(jù)主洞及發(fā)電引水壓力管道的參數(shù)特征，不考慮灌溉支洞的引用流量對(duì)主洞的平均流速的影響，利用水力機(jī)械過渡過程仿真分析計(jì)算。各工況雙機(jī)運(yùn)行同時(shí)丟棄全部負(fù)荷最大轉(zhuǎn)速升高率及蝸殼最大壓力升高率見表4。為更好的控制過渡過程中的壓力上升和轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)葉關(guān)閉采用兩段關(guān)閉規(guī)律,第一段關(guān)閉時(shí)間為1 s，關(guān)閉至開度0.45；第二段關(guān)閉時(shí)間為15 s，關(guān)閉至開度0。

表4 電站機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表

由上表數(shù)據(jù)中看出，即使導(dǎo)葉關(guān)閉采用兩段關(guān)閉規(guī)律，工況1機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率接近規(guī)范允許值60%，工況2蝸殼最大壓力上升率接近規(guī)范允許值70%。

根據(jù)電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)論，要求在電站機(jī)組丟棄負(fù)荷期間禁止對(duì)輸水洞出口工作閘門進(jìn)行操作，避免對(duì)電站機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響。

7 控制閘門運(yùn)行操作要求

1）為保證主洞內(nèi)及灌溉支洞出口控制閘門前洞內(nèi)承有壓狀態(tài)，在開啟主洞洞首平板工作閘門前，應(yīng)先關(guān)閉電站蝶閥及灌溉支洞出口工作閘門進(jìn)行充水。充水完畢后主洞洞首平板工作閘門應(yīng)保持全開，不得用其做流量調(diào)節(jié)。

2）主洞洞首平板工作閘門開啟速度應(yīng)嚴(yán)格控制，整個(gè)洞內(nèi)充水時(shí)間不得小于1 h。當(dāng)水位接近洞頂，即將充滿整個(gè)洞體時(shí)，要求適當(dāng)停頓、再開啟，促使洞內(nèi)氣體順利由排氣孔排出。在確認(rèn)洞內(nèi)氣體已排凈后，再開啟電站水輪機(jī)進(jìn)口蝶閥，繼而啟動(dòng)機(jī)組。待電站增加負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定后，如有灌溉需求，方可根據(jù)灌溉需要的流量開啟灌溉支洞出口工作閘門至適當(dāng)開度。

3）灌溉支洞出口工作閘門開度應(yīng)保證灌溉支洞最大流量不超過20.34 m3/s。

4）在電站機(jī)組增加或丟棄負(fù)荷期間禁止對(duì)輸水洞出口工作閘門進(jìn)行操作，避免對(duì)電站機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響。

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2017-01-20