水電站過渡過程計算中尾水系統(tǒng)糙率的取值研究

李文欣，張曉宏，陳建國

(西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

依靠較長距離的有壓引水發(fā)電系統(tǒng)，有壓引水式水電站水輪發(fā)電機組獲得了較大的水能和電能[1-5]，在其水電站水力過渡過程計算中，如何合理選取輸水系統(tǒng)的糙率，準確計算沿程水頭損失，不僅會影響水電站水力過渡過程的計算結果[6-10]，更重要的是直接影響到整個有壓輸水系統(tǒng)及水輪發(fā)電機組過渡過程的安全運行問題[11-17]。而“水力過渡過程中尾水系統(tǒng)糙率如何合理取值”這一方面的研究成果較少，本文選取具有較復雜發(fā)電尾水系統(tǒng)的雅礱江干流河段某地下式廠房水電站[18-20]，采用過渡過程通用軟件，重點計算和分析了調壓室前、后管道的不同糙率取值對調壓室最低涌浪水位、蝸殼末端最大壓力和尾水管進口最小壓力等因素間的影響關系[21-28]。

2 工程概況

雅礱江干流河段上的某水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市、鹽源縣的交界處，該電站裝有4臺單機容量600 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量2 400 MW。上游正常蓄水位1 330.00 m，設計洪水位1 330.18 m，校核洪水位1 330.44 m。2臺機運行時，下游尾水位為1 206.40 m，1臺機運行時，下游尾水位為1 204.01 m。

該水電站引水部分采用單機單管供水，尾水部分采用“兩機一室一洞”[29-30]的布置格局。引水發(fā)電系統(tǒng)共有兩個水力單元，其中每個水力單元都是由一個進水口、2條長壓力管道、兩臺機組公用的一個阻抗長廊式尾水調壓室、兩條尾水連接管和一條尾水洞組成，兩個尾水調壓室在高程1 229.5 m處連通。本文取尾水部分作為研究對象，調壓室前尾水管道為L1段，長度約為81.15 m，調壓室后到出口閘門的管道為L2段，管道長度約為560.22 m。該水電站引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置如圖1所示。

圖1 雅礱江干流河段某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖

3 機組基本參數

所研究的水電站機組基本參數如表1所示。

表1 水電站機組基本參數

在水力過渡計算過程中，根據《水力發(fā)電廠機電設計技術規(guī)范》(DL/T 5186-2004)[31]規(guī)定,主要考慮施工質量的影響，計算采用的管道糙率最小值、最大值和平均值分別為0.012、0.016和0.014。

4 電站尾水系統(tǒng)管道糙率對水力過渡過程的影響計算及成果分析

4.1 計算工況

計算工況為：下游尾水位1 206.40 m，額定水頭，額定流量，導葉采用折線關閉，同水力單元內2臺機同時甩全部負荷。

4.2 電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化對水力過渡過程的影響

在其他管道參數不變的條件下，為了充分研究糙率取值的影響，先假設L1段管道糙率取值不變，改變L2段管道糙率進行過渡過程計算；再假設L2段管道糙率取值不變，改變L1段管道糙率進行過渡過程計算，計算結果如表2所示。

由表2可以看出，無論改變調壓室前還是調壓室后的管道糙率，調壓室的最低涌浪、最高涌浪、蝸殼末端最大壓力及尾水管進口最小壓力都發(fā)生了變化。當調壓室后管道糙率不變時，隨著調壓室前管道糙率的逐漸增大，調壓室最低涌浪水位逐漸升高，最高涌浪水位降低，蝸殼末端壓力逐漸降低，尾水管進口最小壓力逐漸升高。當調壓室前管道糙率不變時，隨著調壓室后管道糙率的逐漸增大，調壓室最低涌浪水位逐漸升高，最高涌浪水位降低，蝸殼末端壓力逐漸降低，尾水管進口最小壓力升高。兩種情況所研究的參數變化規(guī)律一致。

通過分析表2不難看出，L1和L2段管道糙率的取值對蝸殼末端壓力影響較小，簡化計算時輸水管道可以按照光滑管計算。

表2 電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化對水力過渡過程的影響

4.3 電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化對調壓室最低涌浪水位的影響

L1、L2段管道糙率變化對調壓室最低涌浪水位的影響見圖2。

由圖2可以看出，L1段管道糙率和L2段管道糙率的取值均對調壓室涌浪振幅有明顯影響，隨著糙率的變大，調壓室最低涌浪水位都會升高。在L2段管道糙率為定值的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，調壓室最低涌浪水位升高值變化較小(圖2(a))；然而在L1段管道糙率為定值的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，調壓室最低涌浪水位升高值相對變化較大(圖2(b))。且關系曲線間距也表明，L2段管道糙率的變化對最低涌浪的影響遠大于L1段管道糙率的影響。

圖2 電站尾水系統(tǒng)糙率對調壓室最低涌浪水位的影響

4.4 電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響

L1、L2段管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響見圖3。

由圖3可知，L1段管道糙率和L2段管道糙率取值對尾水管進口最小壓力也有一定影響，隨著這兩段管道糙率的增大，尾水管進口最小壓力逐漸升高。在L2段管道糙率為定值的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，尾水管進口最小壓力增大幅度比較緩慢(圖3(a))；在L1段管道糙率為定值的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，尾水管進口最小壓力明顯增大(圖3(b))。且關系曲線間距也表明，L2段管道糙率變化對尾水管進口最小壓力的影響遠比L1段管道糙率變化的影響大。

圖3 電站尾水系統(tǒng)糙率對尾水管進口最小壓力的影響

4.5 電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化對調壓室水位振幅及衰減率的影響

計算電站尾水系統(tǒng)管道糙率變化與調壓室振幅及衰減率的關系，其結果見表3。

表3 尾水系統(tǒng)管道糙率變化與調壓室振幅及衰減率關系

由表3可以看出，隨著L1和L2段管道糙率的增大，調壓室振幅有所降低，衰減率增大。在L2段管道糙率不變的情況下，隨著L1段管道糙率的逐漸增加，衰減率增加緩慢；在L1段管道糙率不變的情況下，隨著L2段管道糙率的逐漸增加，衰減率增加幅度明顯增大。

上述成果是由于管道的水頭損失對調壓室的最低涌浪影響較大，而水頭損失主要表現為沿程損失，所以管道長度和管道糙率的變化均會對調壓室水位產生影響，而在該水力過渡過程中，調壓室前管道長度遠小于調壓室后管道長度，所以調壓室后端管道糙率對調壓室涌浪的影響較為明顯。

5 結 論

通過對某水電站尾水系統(tǒng)實例水力過渡過程的計算研究，得出以下結論：

(1)水電站尾水系統(tǒng)管道糙率(尾水調壓室前管道及尾水調壓室后管道)取值對蝸殼末端最大壓力的影響甚微，簡化計算時可以不考慮其影響。

(2)水電站尾水系統(tǒng)管道糙率(尾水調壓室前段管道及尾水調壓室后段管道)取值對調壓室最低涌浪水位有一定影響，調壓室最低涌浪水位隨著糙率的增大而升高，為了保證調壓室底部滿足應有的埋沒水深，在過渡過程計算中調壓室前、后段管道糙率取可能的最小值較為合理。

(3)水電站尾水系統(tǒng)管道糙率(尾水調壓室前段管道及尾水調壓室段后管道)取值對尾水管進口最小壓力也有一定影響，尾水管進口最小壓力隨著糙率的增大而升高，為了控制水輪機的運行工況，在過渡過程計算中調壓室前、后段管道糙率應采用可能的最小值較為合理。