余 揚
中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 貴州 貴陽 550081
正文:
非洲某水電站項目采用中國規(guī)范設(shè)計,美標復(fù)核。該電站總裝機容量2115MW,年發(fā)電量6307GWh。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩(主壩)、壩身泄水建筑物、右岸引水系統(tǒng)及地面廠房等建筑物組成。
該電站引水系統(tǒng)采用一洞三機布置,線路軸線平均長675m,單機引用流量為235.56m3/s。引水系統(tǒng)由進水口、閘門井、引水隧洞、調(diào)壓井及壓力鋼管等建筑物組成。按中國規(guī)范計算,調(diào)壓井采用阻抗式,阻抗孔直徑8.2m,井筒直徑22m,總高度84m。
因為調(diào)壓室判別計算需要引水系統(tǒng)流道特性參數(shù),所以需先復(fù)核引水系統(tǒng)水力學(xué),計算沿程水頭損失和局部水頭損失。
中國標準中,沿程水頭損失計算采用經(jīng)驗公式謝才-曼寧公式,美國標準則使用達西-魏茲巴赫(Darcy-Wiesbach)的摩阻系數(shù)。對于局部水頭損失計算,中美標準規(guī)律公式基本一致,影響因子基本相同。通過計算,中國標準平均糙率時水頭損失為9.067m,美國標準糙度中等時水頭損失為9.531m。
中國標準《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》(NB/T 35021-2014)采用水流慣性時間常數(shù)(Tw)來判別是否設(shè)置上游調(diào)壓室。具體公式如下:
式中:
Tw—壓力水道的慣性時間常數(shù),s;
Li—壓力水道各段長度,m;
Vi—壓力水道各段相應(yīng)的流速,m/s;
g—重力加速度,9.81m/s2;
Hp—電站的設(shè)計水頭;
[Tw]—Tw的允許值,一般取2~4s。
美國標準《美國土木工程師學(xué)會水電工程設(shè)計導(dǎo)則》上游調(diào)壓室判別公式如下。
式中:H——靜水頭;
L、V——分別為壓力引水道長度和對應(yīng)流速;
Tw——壓力管道中水流慣性時間常數(shù),s;
[Tw]——Tw的允許值,建議大于2.5s時調(diào)整引水結(jié)構(gòu);
根據(jù)中國標準《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》和《水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》的規(guī)定,電站運行穩(wěn)定性與水流慣性時間常數(shù),機組加速時間常數(shù)相關(guān)。即上游調(diào)壓室需要采用水流慣性時間常數(shù)(Tw)與機組慣性時間常數(shù)(Ta)的比值不大于0.4,共同判別調(diào)壓室設(shè)置。
Ta= GD2N2/(365P)
式中:
GD2—機組的飛輪力矩,kg·m2;
N—機組的額定轉(zhuǎn)速,r/min;
P—機組的額定出力,W;
查詢美國論據(jù)工程兵團規(guī)劃設(shè)計規(guī)范,未列出機組加速時間計算公式,本次采用《水電開發(fā)(墨索尼著作)》中公式:
t=GD2n2/(375N) [sec]
式中:
GD2—機組的飛輪力矩,t·m2;
n—機組的正常操作轉(zhuǎn)速,rpm;
N—機組額定出力,W;
根據(jù)中國標準計算,引水系統(tǒng)水流慣性時間Tw=5.36s>[Tw=4s],機組慣性時間常數(shù)Ta=0.069,Tw/Ta=77.74,綜合考慮需設(shè)置上游調(diào)壓井。
根據(jù)美國標準計算,引水系統(tǒng)水流慣性時間Tw=4.11s>[Tw=2.5s],機組慣性時間常數(shù)Ta=0.067,Tw/Ta=61.23,綜合考慮需設(shè)置上游調(diào)壓井。
表1 中美標準調(diào)壓室判別計算參數(shù)對比表
表2 調(diào)壓室設(shè)置判別中美標準計算對比表
結(jié)合Tw、Ta與調(diào)速性能關(guān)系分析,本工程Tw、Ta位于調(diào)速性能差的區(qū)域,引水發(fā)電系統(tǒng)可需設(shè)置上游調(diào)壓室。對比中美標準中基于水道特性的判別成果,兩種標準結(jié)果相同均同意設(shè)置上游調(diào)壓室。
經(jīng)過中美標準調(diào)壓室判別兩種方法、公式的計算,該工程引水系統(tǒng)均需要設(shè)置上游調(diào)壓室。由于中美標準調(diào)壓室判別公式類似,計算成果數(shù)值成果也很接近。本文就中美規(guī)范之間的異同和可操作性進行對比分析,可為涉外工程設(shè)計提供參考。