侯愛宜，侯萌妮

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.陜西省西安市戶縣水土保持局 陜西 西安 710001)

西花水電站調(diào)壓室體型設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

侯愛宜1，侯萌妮2

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.陜西省西安市戶縣水土保持局 陜西 西安 710001)

調(diào)壓室作為壓力引水系統(tǒng)利用室內(nèi)自由水面反射水錘波，限制水錘波進(jìn)入引水道，減小壓力水管及水輪機(jī)的水錘壓力。改善水輪機(jī)在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件及系統(tǒng)供電質(zhì)量。其體型尺寸確定的是否合適對(duì)壓力引水系統(tǒng)以后運(yùn)行的穩(wěn)定性影響很大，西花水電站在調(diào)壓室設(shè)計(jì)過程中采用解析法初步確定調(diào)壓室體型尺寸后并委托科研單位對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行了水力過渡過程計(jì)算，進(jìn)一步優(yōu)化了調(diào)壓室的體型尺寸。

西花水電站；調(diào)壓室；涌浪計(jì)算；水力過渡

1 工程概況

西花水電站位于陜西省佛坪縣境內(nèi)的金水河支流—西河上，位于西河與康家溝匯合口上游約500 m的西河峽谷段，山體較雄厚，河谷呈“V”型，谷底寬約20 m。

本電站為混合式開發(fā)電站，主要任務(wù)是發(fā)電，主要建筑物由泄洪沖沙閘、排冰閘、擋水壩、引水建筑物、發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。電站設(shè)計(jì)水頭230.00 m，設(shè)計(jì)引用流量13.371 m3/s，電站總裝機(jī)容量28.053 MW，多年平均發(fā)電量約7 527萬 kW·h，年利用小時(shí)數(shù)2 683 h。工程規(guī)模為四等小(1)型工程，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

引水建筑物布置在西河河道左岸，由進(jìn)水口、引水發(fā)電洞、調(diào)壓室、壓力管道四部分組成。洞身段長(zhǎng)度9 130.396 m，進(jìn)口底板高程972 m ，出口底板高程943.00 m，斷面為圓形，直徑為2.7 m，襯砌段采用全斷面30 cm厚C25鋼筋砼，錨噴支護(hù)段洞徑3.4 m，采用厚8 cmC20砼噴護(hù)，底板采用30 cm厚C20砼護(hù)底。調(diào)壓室采用圓筒阻抗式高程1 004.00至高程1 020.00段為上室，內(nèi)徑D=12 m，豎井高度16 m；高程1 004.00至高程944.9段為豎井段，內(nèi)徑D=5 m，高度59.1 m，阻抗孔內(nèi)徑D=1.5 m，高0.8 m。調(diào)壓室下游側(cè)與壓力鋼管相接，壓力鋼管主管內(nèi)徑1.9 m，岔支管段由兩個(gè)“卜”型岔管布置形式，分別與廠房3臺(tái)機(jī)組連接。

2 調(diào)壓室設(shè)置的必要性

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5058—1996)設(shè)置上游調(diào)壓室的條件為：

式中： Tw為壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)(s)；Li為壓力水道及蝸殼和尾水管各分段的長(zhǎng)度(m)；Vi為各分段內(nèi)相應(yīng)的流速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；Hp為設(shè)計(jì)水頭，262 m；[Tw]為TW的允許值，規(guī)范取值2～4 s。

經(jīng)計(jì)算，水流慣性時(shí)間常數(shù)8.43 s，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的允許值2～4 s，因此本工程壓力引水系統(tǒng)中必須設(shè)置調(diào)壓室。

3 穩(wěn)定斷面計(jì)算

經(jīng)方案比選后推薦采用圓筒阻抗式調(diào)壓室。

依據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5058—1996)，調(diào)壓室小波動(dòng)穩(wěn)定斷面面積按托馬準(zhǔn)則計(jì)算并乘以系數(shù)K確定。

式中：Ath為托馬臨界穩(wěn)定斷面面積，m2；K為系數(shù)，一般可采用1.0～1.1；取1.1；L為壓力引水道長(zhǎng)度，取9 130.396 m；A1為壓力引水道斷面面積，取2.835 m2；H0為發(fā)電最小靜水頭，取212.0 m；α為自水庫(kù)至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，取2.21 s2/m；hw0為壓力引水道水頭損失，取14.588 m；hwm為壓力管道水頭損失， 取12.319 m。

注：式中各項(xiàng)水頭損失值均取自有壓引水隧洞及壓力鋼管部分的計(jì)算結(jié)果，求得所需穩(wěn)定斷面面積A=19.635 m2。反算井筒直徑D=5.0 m。

西花電站總裝機(jī)容量28.053 MW，多年平均發(fā)電量約7 527萬 kW·h，年利用小時(shí)數(shù)2 683 h。本電站在電網(wǎng)中所占比例遠(yuǎn)小于1/3，且不承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)，其小波動(dòng)穩(wěn)定性可由系統(tǒng)中的其它機(jī)組來保證。故調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面可不以小波動(dòng)的穩(wěn)定要求來控制。

本工程調(diào)壓室豎井?dāng)嗝娉叽缫哉{(diào)壓室涌波作為控制。經(jīng)計(jì)算，調(diào)壓室豎井井筒直徑取D=5 m，斷面積為19.625 m2；上室圓筒直徑取D=12 m，斷面積為113.04 m2。

4 調(diào)壓室涌波計(jì)算及體型尺寸優(yōu)化

4.1 初設(shè)階段

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)水頭高的特點(diǎn)，同時(shí)為了方便施工，選定調(diào)壓室型式為帶上室的圓筒阻抗式。本工程初步設(shè)計(jì)階段采用解析法分別計(jì)算最高涌浪和最低涌浪。

最高涌波：上游庫(kù)水位處于正常工作水位(正常蓄水位)，共用同一調(diào)壓室的全部機(jī)組滿載運(yùn)行瞬時(shí)丟棄全部負(fù)荷，作為設(shè)計(jì)工況；按上游庫(kù)水位校核洪水位時(shí)，作為校核工況。計(jì)算出調(diào)壓室最高涌波水位。

最低涌波：上游水位處于最低工作水位時(shí)，2臺(tái)機(jī)組處于滿負(fù)荷狀態(tài)，瞬時(shí)第3臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行至滿發(fā)，計(jì)算出調(diào)壓室最低涌波水位；并復(fù)核上游最低水位時(shí)全部機(jī)組瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷時(shí)的第二振幅。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 調(diào)壓室涌波計(jì)算條件及成果表

初設(shè)階段調(diào)壓室體型布置如下：井底高程944.900 m，井頂高程1 028.500 m，井高83.600 m。井內(nèi)徑：994.000 m高程以下5 m，井壁厚度0.5 m；994.000 m高程以上8 m，井壁厚度0.8 m做為上室高度為34.5 m。阻抗孔直徑1.5 m。

表2 典型工況統(tǒng)計(jì)表 m

4.2 施工圖階段

施工圖階段考慮調(diào)壓井過高結(jié)合施工方便將調(diào)壓井向下游推移50 m，調(diào)壓塔塔體平臺(tái)由原有994.000 m高程變?yōu)? 004.000 m高程；上室尺寸由原有的圓筒直徑8.0 m高度34.5 m改為圓筒直徑12.0 m高度16.0 m。

根據(jù)電站的運(yùn)行條件和要求分為常規(guī)、疊加、特殊三種情況下不同工況，取典型控制工況統(tǒng)計(jì)其工況統(tǒng)計(jì)表及調(diào)壓室涌浪計(jì)算表分別見表2、表3。

表3 調(diào)壓室最高、最低涌浪計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)大小波動(dòng)及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的研究分析其調(diào)壓室尺寸及涌浪計(jì)算研究結(jié)論如下：

(1)阻抗孔尺寸的選擇是正確的，本電站阻抗孔尺寸不需要調(diào)整。如果阻抗孔過小，水擊壓力引起的最高測(cè)壓管水位會(huì)超過調(diào)壓室最高涌浪水位，就是發(fā)生所謂“水擊穿透”現(xiàn)象；如阻抗孔過大，則沒有明顯的水擊壓力引起的測(cè)壓管水位升高。

(2)調(diào)壓室最高涌浪水位為1 017.505 m，發(fā)生在工況D5；調(diào)壓室最低涌浪水位為951.4 m，發(fā)生在工況D6。

(3)施工圖階段調(diào)壓室頂部高程為1 020.0 m，疊加工況調(diào)壓室最高涌浪水位1 017.505 m，因此安全余量大于2 m，調(diào)壓室頂部高程合適。調(diào)壓室底部高程約為944.90 m，非組合工況調(diào)壓室最低涌浪水位為954.760 m，組合工況調(diào)壓室最低涌浪水位為951.400 m，因此有足夠安全余量。

依據(jù)該計(jì)算研究結(jié)論，最終確定體型布置為將調(diào)壓室的頂高程由1 028.50 m降至1 020.00 m。塔底高程由944.00 m抬高至1004.00 m，塔高由34.50 m降至16.00 m。塔內(nèi)徑：由D=8.00 m擴(kuò)大為D=12.00 m，塔壁厚度由0.80 m 增至1.50 m。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)壓室為壓力引水系統(tǒng)中的平水建筑物，其體型尺寸確定的是否合適對(duì)壓力引水系統(tǒng)以后運(yùn)行的穩(wěn)定性影響很大，西花水電站在調(diào)壓室設(shè)計(jì)過程中采用解析法初步確定調(diào)壓室體型尺寸后又委托科研單位對(duì)壓力引水系統(tǒng)進(jìn)行了水力過渡過程計(jì)算，對(duì)調(diào)壓室的體型尺寸進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：(1)優(yōu)化后水力過渡更為平穩(wěn)，引水系統(tǒng)以后運(yùn)行的穩(wěn)定性增強(qiáng)；(2)使其井身高度降低8.5m結(jié)構(gòu)安全性提高，大小波動(dòng)下調(diào)壓室內(nèi)調(diào)幅更為快速；(3)阻抗孔底板所承受的正負(fù)壓力值減??；(4)施工難度降低，為工程建成后的順利運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2017-02-21

侯愛宜(1975-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

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