梅州抽水蓄能電站調(diào)壓室體型設(shè)計優(yōu)化探討

沙 廣，吳蘇豐，于 磊，李 沖

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 引言

抽水蓄能電站與常規(guī)水電站相比，具有工況轉(zhuǎn)換多、起停頻繁以及輸水系統(tǒng)中存在雙向水流等特點(diǎn)，其水力過渡過程復(fù)雜。而水錘極值、尾水管最小壓力值、機(jī)組速率上升值等往往發(fā)生在機(jī)組起動、甩負(fù)荷和斷電期間，因此有必要對各種可能工況下的水力過渡過程進(jìn)行計算分析，為進(jìn)行調(diào)節(jié)保證設(shè)計，輸水系統(tǒng)布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)組招標(biāo)和電站的安全運(yùn)行提供正確的依據(jù)。實(shí)際工程設(shè)計過程中，在滿足規(guī)范要求下，如何確定和優(yōu)化調(diào)壓室上室面積和阻抗孔孔徑，對整個工程的施工進(jìn)度、投資等具有重要意義。

2 工程概況

梅州抽水蓄能電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，位于廣東省梅州市五華縣南部的龍村鎮(zhèn)黃獅村境內(nèi)，電站距廣州市直線距離210 km，距汕頭市直線距離約120 km，距普寧500 kV變電站直線距離約65 km，距梅州市、汕頭市的公路里程分別為166 km、222 km。電站一期裝機(jī)容量1 200 MW，共裝4臺300 MW的可逆式發(fā)電機(jī)組，為Ⅰ等大（1）型工程。工程樞紐主要由上水庫主壩、副壩和下水庫主壩、副壩及輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等建筑物組成，永久性主要建筑物均屬1級水工建筑物；永久性次要建筑物為3級；臨時建筑物為4級。梅州抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位815.50 m，死水位782.00 m。下水庫正常蓄水位413.500 m，死水位383.00 m。

梅州抽水蓄能電站引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用1洞4機(jī)的布置方式，水流進(jìn)、出廠房的方式為正進(jìn)正出。上、下庫進(jìn)/出水口均只布置1個進(jìn)/出水口，設(shè)置尾水調(diào)壓井。引水主洞直徑10.00 m，高壓下平段引水主洞直徑9.0 m，引水支洞直徑4.00 m。尾水支洞直徑為7.0 m，尾水主洞直徑為10.40 m。輸水系統(tǒng)總長約2 263 m～2 287.5 m。

3 調(diào)壓室設(shè)置及穩(wěn)定斷面設(shè)計

下游調(diào)壓室的設(shè)置條件，根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》中3.2.2-2中公式進(jìn)行計算并判斷。規(guī)范規(guī)定對于高水頭抽水蓄能電站下游不設(shè)調(diào)壓室的條件是：Tws≤4 s可不設(shè)下游調(diào)壓室；Tws≥6 s應(yīng)設(shè)置下游調(diào)壓室；4 s＜Tws＜6 s應(yīng)詳細(xì)研究設(shè)置下游調(diào)壓室的必要性。

式中：

Tws——壓力尾水道及尾水管水流慣性時間常數(shù)，s；

Lwi——壓力尾水道及尾水管各段的長度，m；

vi——壓力尾水道及尾水管各段的平均流速，m/s；

Hs——水輪機(jī)吸出高度，-68 m；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

經(jīng)計算Tws=6.667 s，按照設(shè)置下游調(diào)壓室進(jìn)行設(shè)計。

調(diào)壓室斷面面積計算根據(jù)規(guī)范確定最小的調(diào)壓室斷面積：

式中：

FTh——托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；

Lw——壓力尾水道長度，m；

f——壓力尾水道斷面面積，m2；

H0——發(fā)電最小靜水頭，m；

α——下游調(diào)壓室至下游河道或水庫水頭損失系數(shù)(包括局部水頭損失與沿程水頭損失)，m；

v——壓力尾水道平均流速，m/s；

hw0——壓力尾水道水頭損失，m；

hwm——下游調(diào)壓室上游管道總水頭損失(包括壓力管道和尾水延伸管道水頭損失)，m；

K——系數(shù)，一般可采用1.0～1.1。

計算下游調(diào)壓室的最小面積為117.955 m2。初步取下游調(diào)壓室上室斷面直徑為19.0 m(對應(yīng)的斷面面積為283.529 m2)。

4 調(diào)壓室涌浪計算和體型優(yōu)化

4.1 計算工況

大波動過渡過程計算工況說明見表1，校核工況及其說明見表2。

表1 設(shè)計工況及其說明

續(xù)表1

表2 校核工況及其說明

續(xù)表2

4.2 阻抗孔孔徑優(yōu)化

阻抗式調(diào)壓室阻抗孔尺寸選擇的基本要求是增加阻抗以后不惡化壓力水道的受力狀態(tài)，能有效地抑制調(diào)壓室的波動幅度及加速波動的衰減。對于抽水蓄能電站而言，尾水管進(jìn)口壓力是重點(diǎn)關(guān)注對象，尾水調(diào)壓室阻抗孔尺寸對其影響較大。選擇合理的阻抗孔尺寸能達(dá)到充分發(fā)揮調(diào)壓室的水力性能并兼顧調(diào)壓室規(guī)模的作用。

尾水調(diào)壓室阻抗孔優(yōu)化計算選取調(diào)壓室最高涌波水位、最低涌波水位的控制工況進(jìn)行計算成果分析，分析采用5.2 m、5.6 m、4.4 m、6.0 m、6.4 m、6.8 m、7.0 m的阻抗孔直徑進(jìn)行比選分析，以最高涌浪控制工況D37，最低涌浪控制工況D32，作為計算工況。

圖2 調(diào)壓室最高涌浪隨阻抗孔直徑變化線

從表3～4及圖1～2可看出，在相同條件下，隨著阻抗孔直徑的增大，調(diào)壓室最高涌浪水位呈上升趨勢，最低涌浪水位呈下降趨勢。當(dāng)阻抗孔直徑為6.0 m時，基本處于調(diào)壓室最高涌浪水位上升、最低涌浪水位下降趨勢線交叉處。上述計算結(jié)果分析可知，阻抗孔取值越大，對于尾水條件越有利；然而若阻抗孔取值過大，調(diào)壓井最高涌浪則會增大，從充分反射水擊波和降低調(diào)壓室規(guī)模角度出發(fā)，阻抗孔取值越小越有利；綜合考慮，阻抗孔直徑取6.0 m較為合理。

圖1 調(diào)壓室最高涌浪隨阻抗孔直徑變化線

表3 D37工況阻抗孔直徑對調(diào)壓室最高涌浪的敏感性分析

表4 D32工況阻抗孔直徑對調(diào)壓室最低涌浪的敏感性分析

4.3 最高和最低涌浪水位

阻抗孔孔徑取6.0 m，調(diào)壓室直徑進(jìn)一步優(yōu)化取17.0 m，設(shè)計工況計算極值見表5，校核工況計算極值見表6。

表5 設(shè)計工況計算極值結(jié)果匯總表

表6 校核工況計算極值結(jié)果匯總表

從表5～6計算結(jié)果可看出，在阻抗孔孔徑取6.0 m，調(diào)壓室直徑取17.0 m條件下，設(shè)計工況尾水管進(jìn)口最低動水壓力為29.08 m，修正后為9.97 m，距0 m有安全裕度；調(diào)壓室最高涌浪431.33 m，高于下庫正常蓄水位17.83 m，調(diào)壓室最低涌浪363.93 m，低于下庫死水位19.07 m；校核工況尾水管進(jìn)口最低動水壓力為26.47 m，修正后為7.86 m，大于0 m的安全要求，距-8 m有安全裕度；武漢大學(xué)調(diào)壓室最高涌浪為443.59 m，遠(yuǎn)大于河海大學(xué)計算的432.56 m，兩單位調(diào)壓室最低涌浪相差不大，結(jié)合自身計算結(jié)果，最終調(diào)壓室最高涌浪取為436.36 m，最低涌浪取為366.48 m；調(diào)壓室最高涌浪436.36 m，高于下庫正常蓄水位22.86 m，調(diào)壓室最低涌浪366.48 m，低于下庫死水位16.52 m，符合一般規(guī)律，說明阻抗孔孔徑取6.0 m，調(diào)壓室直徑取17.0 m是較為合適的。

5 結(jié)論

根據(jù)本文相關(guān)計算結(jié)果，對于梅州抽水蓄能電站下游調(diào)壓室，調(diào)壓室最高涌浪436.36 m，調(diào)壓室最低涌浪366.48 m，阻抗孔孔徑取6.0 m，調(diào)壓室直徑取17.0 m是較為合適的，且蝸殼進(jìn)口最大壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率均滿足規(guī)范要求。