姜宏軍

（華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

丹巴水電站位于大渡河上游河段丹巴縣境內(nèi)，是干流梯級規(guī)劃22個梯級水電站中的第8個水電站，上接巴底水電站，下臨猴子巖水電站。根據(jù)規(guī)劃階段前期的設(shè)計成果，工程壩址位于丹巴縣境內(nèi)水卡子溝下游400 m處，壩址以上集水面積為42 844 km2，多年平均流量為 573 m3/s，水庫正常蓄水位2 040 m，死水位2 035 m，調(diào)節(jié)庫容0.4億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。工程采用混合式開發(fā)，攔河壩為礫石土心墻堆石壩，引水系統(tǒng)總長約17 km，布置在大渡河左岸山體中，為兩洞4機布置，2機共用一個圓形阻抗式上游調(diào)壓室，尾部地下廠房在小金河右岸的山體內(nèi)，尾水系統(tǒng)為單洞單機布置，電站總裝機容量1 560 MW。

2 研究思路

規(guī)劃階段前期的設(shè)計成果為：引水隧洞直徑12.5 m、長約17 km，水輪機額定水頭163 m、額定流量268 m3/s、發(fā)電機單機容量390 MW。

根據(jù)規(guī)范公式[1]計算，上游調(diào)壓室托馬臨界穩(wěn)定斷面面積接近1 000 m2，而調(diào)壓室內(nèi)還需布置事故閘門，實際開挖斷面還需增大。調(diào)壓室區(qū)域處于二云片巖軟巖區(qū)，如此大規(guī)模的開挖斷面施工難度非常大，圍巖穩(wěn)定問題突出。因此有必要對調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積進行詳細的數(shù)值仿真模型計算，若不能減小調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積，需進一步研究多調(diào)壓室組合方式、所需總面積、抑制涌浪振幅及共一調(diào)壓室兩機間的水力干擾情況，最終確定合適的多調(diào)壓室布置方式。

3 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積研究

3.1 面積的控制標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)壓室的面積要滿足機組負荷擾動量發(fā)生一定變化時產(chǎn)生的調(diào)壓室涌波是衰減的，即通常所說的小波動穩(wěn)定性。采用解析公式計算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積常用托馬公式，采用數(shù)值仿真模型計算時，可以用涌波周期衰減度來衡量調(diào)壓室面積是否滿足小波動穩(wěn)定性要求，涌波周期衰減度的定義為：

涌波周期衰減度＝(第1周期涌波振幅-第2周期涌波振幅)/第1周期涌波振幅

針對不同型式的調(diào)壓室，滿足小波動穩(wěn)定性的機組負荷擾動量及涌波周期衰減度也不同，具體見表1。

3.2 單一調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積計算

因本工程引水隧洞長約17 km，上游調(diào)壓室涌波振幅大，波動周期長，因此簡單式調(diào)壓室型式不適合該工程，只對阻抗式調(diào)壓室和差動式調(diào)壓室的穩(wěn)定面積進行詳細的數(shù)值計算。

表1 不同型式調(diào)壓室穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)

電站在孤網(wǎng)運行、且不考慮調(diào)壓室底部流速頭的影響時，數(shù)值計算結(jié)果為：阻抗式調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面面積為1 130 m2，差動式調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面面積為1 070 m2。無論是阻抗式還是差壓式，隨著負荷擾動量的減小，計算所得到的穩(wěn)定斷面非常接近，在1 100 m2到1 130 m2之間，最后選取調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面面積為1 100 m2。

3.3 多調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積計算

調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積數(shù)值計算結(jié)果，較解析公式計算結(jié)果還稍大，因此需要研究多調(diào)壓室的布置形式，以減小調(diào)壓室的開挖跨度。根據(jù)規(guī)范及教科書[2]的研究成果，多調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面面積隨調(diào)壓室間距的增加而增大，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果：由于引水隧洞較長，多調(diào)壓室間距在200 m以內(nèi)時，調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面面積與單一調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積基本相同，隨著調(diào)壓室間距的增加調(diào)壓室總面積而增大，具體見圖1。

圖1 調(diào)壓室間距與所需穩(wěn)定斷面之間的關(guān)系

3.4 調(diào)壓室穩(wěn)定斷面的影響因素分析

托馬公式在推導(dǎo)過程中假定水電站孤立運行，調(diào)速器絕對靈敏能嚴(yán)格保持出力恒定，波動是極微小的，且忽略機組效率的變化等。這些假定中忽略了一些對穩(wěn)定不利的因素，如水輪機的效率、尾水管和壓力管道中水流的慣性等；也忽略了一些對穩(wěn)定有利的因素，如電網(wǎng)系統(tǒng)、引水道管壁和水體的彈性等。

一般認為托馬公式忽略的主要因素有：電網(wǎng)因素、調(diào)壓室下流速頭、調(diào)速器和水輪機特性，以阻抗式調(diào)壓室為例對以上主要影響因素進行分析、數(shù)值計算：

1）理論研究證明：當(dāng)電站容量小于電網(wǎng)容量的1/3時，任意小的調(diào)壓室斷面面積都能滿足穩(wěn)定要求，但對于骨干水電站和擔(dān)任事故備用的抽水蓄能電站，在電網(wǎng)事故解列后很有可能獨立運行，此時調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定性、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電站的調(diào)節(jié)品質(zhì)必須在水電站設(shè)計中予以考慮，這兩種電站的調(diào)壓室面積應(yīng)滿足托馬穩(wěn)定斷面面積要求。

2）考慮井下流速頭的影響后計算所需的上游調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積為1 040 m2，較不考慮時小約8%。

3）將緩沖強度bt值從0.8增加到1.6，調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面只減9 m2，將緩沖時間常數(shù)Td值從12 s增加到24 s，調(diào)壓室所需穩(wěn)定斷面只減10 m2，而bt＝1.6或Td＝24 s時的調(diào)速系統(tǒng)的品質(zhì)已經(jīng)非常差了。因此計算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面時不應(yīng)考慮調(diào)速器的影響。

4）根據(jù)多個工程經(jīng)驗：在機組效率上升區(qū)域內(nèi)所需穩(wěn)定斷面可以小于托馬臨界斷面，在機組效率基本平坦區(qū)域所需穩(wěn)定斷面與托馬臨界斷面基本相同，而在機組效率下降區(qū)域所需穩(wěn)定斷面則要大于托馬臨界斷面。丹巴工程的計算也證明了這一點，當(dāng)共一調(diào)壓室的2臺機組各帶240 MW負荷（額定負荷的61.5%）時，所需的調(diào)壓室穩(wěn)定斷面不到750 m2。因此機組效率特性對調(diào)壓室穩(wěn)定斷面影響十分顯著，不可忽視其影響；因混流式機組的效率下降區(qū)一般在額定負荷的80%～85%以上，所以在研究分析調(diào)壓室穩(wěn)定性時，計算工況點選取應(yīng)滿足機組出力不小于額定出力85%的要求。

4 調(diào)壓室布置方案初擬

通過調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積研究，多調(diào)壓室布置間距在200 m以內(nèi)時的總穩(wěn)定斷面面積與單調(diào)壓室相同，為減小在軟巖區(qū)域開挖大跨度調(diào)壓室的施工難度，初擬兩大井、兩大井一小井和一大井兩小井共三個阻抗式多調(diào)壓室布置方案，各方案的調(diào)壓室間通過上室相連，還能形成差動效應(yīng)，加速涌波的衰減速度。

單調(diào)壓室方案：面積1 100 m2，阻抗孔面積42 m2，上室長162 m，井底分出兩條壓力管道，井內(nèi)布置閘門。

兩大井方案：大井面積分別為610/490 m2，阻抗孔面積分別為6/36 m2，共用上室長162 m，井中心距離78 m，后井底分岔且布置事故閘門。

兩大一小方案：大小井面積分別為450/450/200 m2，阻抗孔面積分別為4/8/36 m2，共用上室長162 m，井中心距離77/75 m，后井底分岔且布置事故閘門。

一大兩小方案：大小井面積分別為610/245/245 m2，阻抗孔面積分別為6/18/18 m2，兩小井布置在引水隧洞岔管后的支洞上，共用上室長162 m，井中心距離75 m，小井內(nèi)布置事故閘門。

對以上4個方案在涌波振幅、涌波衰減速度及水力干擾方面進行分析比較，確定合適的布置方案。

5 調(diào)壓室涌波研究

5.1 調(diào)壓室涌波研究

因4個調(diào)壓室方案均為阻抗式，故只選取上涌波水位作為研究對象。以上下游均為最高發(fā)電水位時，共一調(diào)壓室2臺機組同時甩全部負荷為代表性工況，分別計算調(diào)壓室上涌波，具體涌波水位見表2。

表2 不同調(diào)壓室布置方案的上涌波匯總表

通過數(shù)值計算，所有的調(diào)壓室組合方案在抑制上涌波方面，均優(yōu)于等斷面的單一阻抗式調(diào)壓室方案，兩大井方案與一大兩小方案在抑制上涌波方面相同，兩大一小方案抑制上涌波能力最強。

5.2 調(diào)壓室涌波衰減度研究

以共一調(diào)壓室2臺機組同時負荷擾動80 MW為代表性工況，分別計算調(diào)壓室涌波第一周期的衰減程度，具體見表3。

通過數(shù)值計算，所有的調(diào)壓室組合方案在加速涌波衰減時間方面基本相同，但都明顯優(yōu)于單一阻抗式調(diào)壓室方案。

5.3 調(diào)壓室涌波研究小結(jié)

通過以上計算，所有的調(diào)壓室組合方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰減時間方面基本相同，但都明顯優(yōu)于單一阻抗式調(diào)壓室方案。

表3 不同調(diào)壓室布置方案的涌波衰減度匯總表

6 水力干擾研究

同一水力單元的2臺機組，當(dāng)其中1臺發(fā)生負荷變化，必然影響調(diào)壓室水位，進而對另1臺機組發(fā)生水力干擾，下面對此問題進行較詳細的數(shù)值分析計算。

6.1 頻率調(diào)差方式運行

假定機組并大網(wǎng)運行，運行方式為頻率調(diào)差方式。因為這種假定方式最能反映機組間水力干擾的嚴(yán)重程度，同時頻率調(diào)差方式也是電站最普遍采用的運行方式。

當(dāng)共一調(diào)壓室的2臺機額定出力運行，一臺機甩額定負荷對另1臺的影響見表4。

表4 水力干擾情況匯總表

通過以上數(shù)值計算，不管哪種調(diào)壓室布置方案，當(dāng)機組采用頻率調(diào)差方式運行時，兩機間的水力干擾過于嚴(yán)重；兩大井方案在第一周期轉(zhuǎn)速收斂度方面有較大優(yōu)勢，但收斂時間也長達近1 h，單井的收斂時間更長。

6.2 自動調(diào)功方式運行

以兩大井方案為例進行計算，自動調(diào)功條件下當(dāng)1臺機甩額定負荷時，對另1臺機組的負荷偏離值為10 MW，負荷偏差不到額定負荷的3%，但后井的涌波收斂較慢，使被擾機組的負荷波動收斂也較慢，長達1 h時多。

機組甩滿負荷工況在實際運行中是很少發(fā)生的，但機組正常調(diào)節(jié)負荷則是電站經(jīng)常發(fā)生的工況。那么在1臺機組大幅度調(diào)負荷時，對另1臺機組會產(chǎn)生怎樣的水力干擾呢？假定一臺機組用60 s的時間從額定負荷減到空載，另1臺機組最大負荷偏離值只有約3 MW，不到1%，但后井涌波收斂仍較慢，時間也近1 h。

在調(diào)壓室總穩(wěn)定斷面不變的前提下，加快涌波哀減時間的唯一辦法是進一步減小前井阻抗孔的面積。計算表明，將前井阻抗孔面積由6 m2減至4 m2，調(diào)壓室水位波動衰減速度增快約一倍。

6.3 水力干擾研究小結(jié)

綜合比較，各調(diào)壓室布置方案間在負荷、水頭和轉(zhuǎn)速最大偏離值方面基本相同，但多井布置方案在轉(zhuǎn)速收斂度方面有較大優(yōu)勢。機組的并網(wǎng)運行方式對機組間的水力干擾有重大影響，采用自動調(diào)功方式比采用頻率調(diào)差方式在抗水力干擾的性能方面有很大的優(yōu)勢。

7 結(jié)論

大渡河丹巴水電站為長引水、中低水頭、大流量水電站，調(diào)壓室托馬穩(wěn)定斷面面積大、涌波振幅大、波動衰減時間長、同一水力單元的相鄰機組水力干擾嚴(yán)重情況為其它工程所不多見。通過本階段的研究，確定了調(diào)壓室小波動穩(wěn)定性的控制標(biāo)準(zhǔn)，研究了托馬穩(wěn)定斷面的主要影響因素，明確了多調(diào)壓室布置方案較單一調(diào)壓室布置方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰減時間方面均有較大優(yōu)勢，考慮軟巖區(qū)大跨度地下洞室的圍巖穩(wěn)定性及工程投資，二大井調(diào)壓室布置方案更具優(yōu)勢；通過水力干擾研究，也明確了較優(yōu)的機組運行方式。

[1]DL/T5058—1996《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》[S].北京：中國電力出版社，1997.

[2]劉啟釗，彭守拙合編.水電站調(diào)壓室[M].北京：中國水利電力出版社，1995，9.