李明橋，劉 君，劉國峰，王少鋒，趙 妍

（中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065）

水電站氣墊式調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算

李明橋，劉 君，劉國峰，王少鋒，趙 妍

（中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，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。調(diào)節(jié)保證設(shè)計是評價水電站氣墊式調(diào)壓室輸水發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟合理性的重要研究內(nèi)容之一。本文以西藏地區(qū)某水電站為例，開展了水電站氣墊式調(diào)壓室大波動、小波動調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算，分析了主要控制參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)計算結(jié)果對輸水發(fā)電系統(tǒng)安全性和各項調(diào)節(jié)保證設(shè)計參數(shù)作出評價。

氣墊式調(diào)壓室；調(diào)節(jié)保證設(shè)計；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)開挖一個巖石洞室，洞室內(nèi)由巖壁和水面圍成一個封閉氣室，氣室內(nèi)充滿高壓空氣形成“氣墊”，利用空氣的壓縮和膨脹，來抑制調(diào)壓室水位變化高度和水位波動幅值[1]。

20世紀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；減少對原始地面的建設(shè)性破壞，有利于水土保持和環(huán)境保護；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；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，增加機組調(diào)節(jié)穩(wěn)定性?？傮w來說，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)勢明顯[3]。隨著水電資源開發(fā)力度的加大，我國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)域的水電開發(fā)多采用低閘長引水隧洞開發(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。未來可預(yù)見地，隨著工程技術(shù)不斷迚步，對環(huán)境保護日益重視，氣墊式調(diào)壓室方案以其獨有的優(yōu)越性將被廣泛應(yīng)用于工程實踐中[4]。

調(diào)節(jié)保證設(shè)計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)濟合理性的重要內(nèi)容之一，而仿真計算是采用計算機數(shù)字模擬仿真計算方法，獲得各調(diào)節(jié)工況下輸水發(fā)電系統(tǒng)特定部位運行特征參數(shù)隨時間的變化過程、規(guī)律和極值。本文以西藏地區(qū)某水電站為例，開展了水電站氣墊式調(diào)壓室大波動、小波動的調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算，分析了主要控制參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)計算結(jié)果對該電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)安全性及各項調(diào)節(jié)保證設(shè)計參數(shù)作出評價。

1 仿真計算基本理論及方法

氣墊式調(diào)壓室調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算與常規(guī)調(diào)壓室相同，均采用特征線法，除應(yīng)用連續(xù)方程和動量方程外，要充分考慮氣墊式調(diào)壓室工作特點，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)電站運行水位和引水系統(tǒng)參數(shù)，選擇初始氣壓，計算調(diào)壓室穩(wěn)定斷面和高度，通過調(diào)壓室涌波計算確定調(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準[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匯流后明渠出流，建立水力過渡過程數(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、滿流分界面的運動[7]。

明渠非恒定流連續(xù)方程和動量方程如下：

式中，H為水位、Q為流量、A為過水?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為沿渠長的水平距離、t為時間、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為絕對氣壓，V為氣體體積）三種模式控制[8]。前兩種模式對不同工況適應(yīng)性較差，需要頻繁操作空壓機和迚、排氣閥，運行控制不便[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)電運行狀態(tài)之間氣室內(nèi)氣體的變化過程符合等溫條件，氣體無泄漏，則氣室內(nèi)氣體將根據(jù)“PV=常數(shù)”的規(guī)律自動適應(yīng)仸一正常穩(wěn)定發(fā)電運行狀態(tài)，無需操作空壓機和迚、排氣閥等外部設(shè)備[10]。含氣墊式調(diào)壓室水電站，選擇一個合適的PV值，對簡化電站運行管理，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，在電站水庫水位設(shè)計變化范圍內(nèi)仸一水位下，機組在仸意穩(wěn)定運行工況及可能發(fā)生的各種過渡過程工況下，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)計控制要求。為分析計算方便，工程實際中通常采用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)定斷面計算公式，尋求減小穩(wěn)定斷面的措施及合理的理論計算公式是眾多學(xué)者追求的目標[12]。60年代以來，許多學(xué)者根據(jù)氣墊式調(diào)壓室內(nèi)質(zhì)量體積波動基本方程和氣態(tài)方程，采用數(shù)學(xué)方法作了很多假定，推導(dǎo)得出一些計算質(zhì)量體積波動的臨界穩(wěn)定面積公式[13]，這些公式對于研究氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面有很大幫助。結(jié)合工程特點，本文選用的氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定斷面計算公式如下：

式中：L為有壓引水隧洞長度，f為有壓引水隧洞斷面面積，α為從上游水庫到調(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，空氣恒溫過程m＝1，絕熱工程m＝1.4。

通過上式可以看出，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壓力Pa0等。

2 工程實例

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、尾水管連接洞和無壓尾水洞等部分組成。引水系統(tǒng)隧洞洞徑4.5m，長約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”、“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)布置簡圖如圖1所示，尾水交匯岔口簡圖如圖2所示。

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

圖1 輸水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖

圖2 三臺機尾水岔口示意圖

2.2 水力過渡過程計算控制值

根據(jù)調(diào)節(jié)保證設(shè)計要求，結(jié)合電站性能參數(shù)及相關(guān)規(guī)范[14]，所有工況下過渡過程參數(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%，即最大動水壓力不大于205m；

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

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

（5）甩負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

本電站單機容量較小，為提高運行穩(wěn)定性選用高水頭段轉(zhuǎn)輪，調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算選用A550模型轉(zhuǎn)輪曲線，經(jīng)過多次優(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水輪機模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

圖4 機組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律示意圖

2.4 調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算

從水電站結(jié)構(gòu)安全、運行穩(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)計大波動及小波動仿真計算工況[15]。大波動代表計算工況如下：

A工況：下游三臺滿發(fā)尾水位3275.00m，額定水頭，三臺機正常運行甩全負荷；

B工況：水庫校核洪水位3425.20m，下游校核洪水位3279.42m，兩臺機正常運行，第三臺機增負荷，在流迚調(diào)壓室流量增到最大時三機同時甩負荷；

C工況：水庫死水位3422.00m，下游三臺滿發(fā)尾水位3275.00m，三臺機同時甩負荷，在流出調(diào)壓室流量增到最大時一臺機增負荷。

表1 恒定流計算結(jié)果

表2 選定工況大波動計算結(jié)果

表3 調(diào)壓室涌浪水位計算結(jié)果

分析表1~3中的計算結(jié)果可知：蝸殼末端最大動水壓力控制工況是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工況蝸殼壓力隨時間變化圖

圖6 B況調(diào)壓室涌浪隨時間變化圖

圖7 A工況機組轉(zhuǎn)速隨時間變化圖

小波動計算代表工況如下：D工況：水庫死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺機組滿出力運行同時甩10%的額定負荷。

圖8 C工況調(diào)壓室涌浪隨時間變化圖

取調(diào)速器參數(shù)Tn=0.4s，Td=6s，bt=0.4，Ty=0.02，bp=0，電網(wǎng)負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg取0，迚行小波動工況計算。計算結(jié)果見表4~ 6。

表4 小波動工況恒定流結(jié)果表

表5 小波動工況參數(shù)統(tǒng)計

表6 小波動工況尾水調(diào)壓室極值表

分析計算結(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工況機組轉(zhuǎn)速隨時間變化圖

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)開敞式調(diào)壓室的一個經(jīng)濟實用方案。本文對西藏地區(qū)某水電站氣墊式調(diào)壓室迚行了調(diào)節(jié)保證設(shè)計仿真計算，其大波動和小波動計算結(jié)果表明，該氣墊式調(diào)壓室布置方案滿足水力過渡過程計算控制要求。蝸殼末端最大動水壓力發(fā)生工況為：上、下庫校核洪水位，兩臺機正常運行，第三臺機增負荷，在流迚調(diào)壓室流量最大時三機同時甩負荷，該工況也是氣墊式調(diào)壓室最高涌浪發(fā)生工況，兩個極值發(fā)生時刻相近，隨時間變化過程基本一致，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；機組最大轉(zhuǎn)速上升率為47.14%，滿足50%的計算控制要求。本電站地處西藏地區(qū)小網(wǎng)，采用孤網(wǎng)的計算條件下，小波動計算結(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)負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg=0.0的條件下，水庫死水位3422.00m，下游最低尾水位3275.0m，三臺機組滿出力運行同時甩 10%額定負荷工況下，機組可在39.2s左右迚入±0.2%的轉(zhuǎn)速頻帶偏差內(nèi)，小波動調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。

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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)就職于中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，工程師。

審稿人：宮讓勤

[作者簡介]

散齊國（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