（丹東市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧丹東118001）

隧洞出口控制閘門運行分析

李瑞濤

（丹東市水利勘測設(shè)計研究院，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)濟效果，但不同用途的隧洞，其水流特性和運用條件都有較大的差異。在其控制運行中即要考慮工程安全，也要盡量減少或避免對系統(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行操作為例，分析了其運行操作過程，并給出了其運行操作中應該注意的問題。

多用途；隧洞；控制閘門；運行

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，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。

水庫設(shè)計洪水標準為200年一遇，設(shè)計洪水位92.23 m；校核洪水標準為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，建庫時為施工導流隧洞，現(xiàn)為灌溉、發(fā)電、供水多用途的隧洞。

1）主洞。進口底高程71.00 m，進口斷面尺寸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）；突然擴大段（因城市供水需求，一直未中斷供水進行處理，突變?yōu)?6.25 m2）；漸變段（16.25 m2漸變?yōu)?2.77 m2，長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水力發(fā)電機組供水，管徑均為1.75 m。漸變段（15.20 m2漸變?yōu)?.15 m2，長8.29 m）；突然收縮段（突變?yōu)?.12 m2）。

3）供水支洞：位于樁號0+211.87右側(cè)，管徑1.20 m。

4）灌溉支洞：位于樁號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，長年基本不中斷。

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

4 各工況灌溉支洞進口處能頭計算

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

5 閘門開度計算

依據(jù)以上推求出的電站運行各工況主洞末端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)計引用流量38.70 m3/s要求。灌溉支洞水頭損失計算見表3。

以雙機設(shè)計水頭額定出力為例，計算分析灌溉支洞出口弧形閘門開度。不同開度對流量的影響參照《水力計算手冊》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，電站引用流量24.36 m3/s，為滿足設(shè)計灌溉流量，需要灌溉支洞的放流量為14.34 m3/s。灌溉支洞進口能頭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，出口直段流速6.64 m/s，依據(jù)上表計算支洞進口至弧形閘門前水頭損失2.85 m。

表1 電站運行各工況引用流量計算表

表2 電站運行各工況主洞末端0+236.87處的能頭計算表

表3 灌溉支洞水頭損失計算表

試算假設(shè)閘門開啟高度0.48 m，計算得該工況弧形閘門局部水頭損失為2.25 m，此時灌溉支洞過流量為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出口能量差值相等，假設(shè)閘門開啟高度合理。同理計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。

以上工況中在單機開啟運行時，設(shè)計灌溉流量均不滿足要求。如需滿足設(shè)計灌溉流量要求，兩臺機組均要求開啟。

6 電站調(diào)節(jié)保證計算成果

電站總裝機容量4 000 kW，2臺，單機額定出力2 000 kW，水輪機型號HLTF50b-LJ-140，發(fā)電機型號SF2000-28/2820，發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量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主洞的平均流速的影響，利用水力機械過渡過程仿真分析計算。各工況雙機運行同時丟棄全部負荷最大轉(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，導葉關(guān)閉采用兩段關(guān)閉規(guī)律,第一段關(guān)閉時間為1 s，關(guān)閉至開度0.45；第二段關(guān)閉時間為15 s，關(guān)閉至開度0。

表4 電站機組調(diào)節(jié)保證計算成果表

由上表數(shù)據(jù)中看出，即使導葉關(guān)閉采用兩段關(guān)閉規(guī)律，工況1機組最大轉(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)保證計算結(jié)論，要求在電站機組丟棄負荷期間禁止對輸水洞出口工作閘門進行操作，避免對電站機組的安全運行造成影響。

7 控制閘門運行操作要求

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，應先關(guān)閉電站蝶閥及灌溉支洞出口工作閘門進行充水。充水完畢后主洞洞首平板工作閘門應保持全開，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嚴格控制，整個洞內(nèi)充水時間不得小于1 h。當水位接近洞頂，即將充滿整個洞體時，要求適當停頓、再開啟，促使洞內(nèi)氣體順利由排氣孔排出。在確認洞內(nèi)氣體已排凈后，再開啟電站水輪機進口蝶閥，繼而啟動機組。待電站增加負荷運行穩(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開度。

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

4）在電站機組增加或丟棄負荷期間禁止對輸水洞出口工作閘門進行操作，避免對電站機組的安全運行造成影響。

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2017-01-20