童 祥， 張曉宏， 張俊發(fā)

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

為了獲得更多的水能，有些水力發(fā)電工程需要修建較長(zhǎng)的有壓引水隧洞，由此會(huì)引起一系列水力過(guò)渡過(guò)程問(wèn)題[1-3]。為了合理解決這些問(wèn)題，保證引水系統(tǒng)和機(jī)組的正常運(yùn)行，工程中廣泛應(yīng)用的是阻抗式調(diào)壓室[4-8]。而阻抗孔尺寸的選擇對(duì)于保障水力系統(tǒng)穩(wěn)定有著不可或缺的重要性，前人的成果多是集中在對(duì)與阻抗孔過(guò)流特性等方面進(jìn)行了較為深入地研究[9-11]，而將阻抗孔尺寸與引水道面積關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)化研究的成果較少。本文結(jié)合具體的某工程實(shí)例，研究了阻抗孔尺寸對(duì)調(diào)壓室涌浪水位、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率和蝸殼末端最大相對(duì)升壓[12-15]的影響，進(jìn)而分析得出阻抗孔面積與引水道斷面面積比的合理區(qū)間。

2 工程概況

某水電站位于陜西省嵐皋縣，是具有發(fā)電、養(yǎng)殖和旅游等綜合效益的一座大型水利樞紐工程。共安裝3臺(tái)24 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。水庫(kù)上游校核洪水位為512.5 m，設(shè)計(jì)洪水位為511.1 m，正常蓄水位為512.0 m，水電站設(shè)計(jì)水頭為97 m，下游洪水位為414.4 m，引水洞及壓力管道總長(zhǎng)2.94 km，壓力引水隧洞長(zhǎng)2715.213 m，設(shè)計(jì)引用流量為93 m3/s，最大發(fā)電流量為102.1 m3/s。

調(diào)壓室型式為阻抗式，豎井開(kāi)挖斷面尺寸為16.0 m，設(shè)計(jì)內(nèi)徑為14.0 m，阻抗孔口直徑2.9 m，底板高程為469.524 m。豎井頂部地面高程為532.00 m，豎井靜高76.393 m。

有壓引水隧洞洞徑6 m，調(diào)壓室后接壓力埋管，鋼襯，開(kāi)挖洞徑為6.9 m，內(nèi)徑為5.5 m。壓力鋼管主管長(zhǎng)134.281 m。在進(jìn)入廠房前約102m處分為3條支管，支管內(nèi)徑為3.0 m。支管后接主廠房。發(fā)電系統(tǒng)采用“三機(jī)一室一洞”的布置形式。

該水電站引水發(fā)電系統(tǒng)用過(guò)渡過(guò)程計(jì)算軟件模擬如圖1所示，其中J1為上游水庫(kù)，水位取校核洪水位512.5 m。J11、J12、J13為3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)葉總關(guān)閉時(shí)間[16-17]為12 s，采用先快后慢的關(guān)閉規(guī)律。J2為上游阻抗式調(diào)壓室，直井面積為154 m2。調(diào)壓室后接3條支管連接水輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)應(yīng)的下游水位為414.4 m。

圖1 某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)仿真圖形

本文取調(diào)壓室J2和機(jī)組J11為研究對(duì)象，計(jì)算工況取校核洪水位512.5 m，下游取對(duì)應(yīng)的414.4 m水位。3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷。假設(shè)J1到J2為D1，J2到J11為D2，D1為上游水庫(kù)到調(diào)壓室的距離，D2為調(diào)壓室到水輪發(fā)電機(jī)組的距離。研究在調(diào)壓室前后移動(dòng)[18](即D2的長(zhǎng)度變化)的情況下，改變阻抗孔尺寸對(duì)調(diào)壓室涌浪水位、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率和蝸殼末端最大水錘相對(duì)升壓的影響。前提是保證D1+D2=Constant，即改變D2時(shí)，D1也隨之改變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]，只有當(dāng)阻抗孔面積與壓力引水道斷面面積比值在一定范圍內(nèi)時(shí)，才能有效地抑制調(diào)壓室的波動(dòng)振幅及加速波動(dòng)的衰減。本文初步研究擬定阻抗孔直徑d為3.00、3.29、3.55、3.79、4.02、4.24 m(相應(yīng)的阻抗孔面積A與引水道斷面面積S的比值分別為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)。對(duì)6組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。D2的取值為231.3～431.3 m，每隔50 m遞增進(jìn)行計(jì)算，各特征參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 阻抗孔尺寸與調(diào)壓室斷面波動(dòng)振幅及衰減的關(guān)系

取D2為231.3 m為研究對(duì)象，分析不同阻抗孔面積與引水道斷面面積比條件下的波動(dòng)振幅及衰減情況。阻抗孔尺寸與調(diào)壓室斷面波動(dòng)及衰減的關(guān)系如表2。

由表2可以看出，隨著阻抗孔面積與引水道斷面面積比值的減小，波動(dòng)振幅抑制作用越顯著，衰減率明顯增大。

3.2 阻抗孔尺寸與調(diào)壓室涌浪水位的關(guān)系

不同阻抗孔尺寸下，D2與調(diào)壓室涌浪水位關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 阻抗孔直徑改變對(duì)于不同D2時(shí)的調(diào)壓室最高涌浪水位

在阻抗式調(diào)壓室中，水流進(jìn)出調(diào)壓室的水頭損失分為兩種，一種是由引水隧洞進(jìn)入阻抗孔時(shí)突然收縮的局部水頭損失，另一種是由阻抗孔進(jìn)入直井時(shí)突然擴(kuò)大的局部水頭損失。

由圖2可知，當(dāng)D2增大時(shí)，最高涌浪水位降低，說(shuō)明調(diào)壓室涌浪水位與有壓引水道的長(zhǎng)度有關(guān)；當(dāng)阻抗孔直徑變大時(shí)，調(diào)壓室阻抗減小，最高涌浪水位升高，水位波動(dòng)幅度變大，說(shuō)明增大阻抗孔直徑能夠更有效地發(fā)揮調(diào)壓室的作用，但調(diào)壓室最高涌浪水位差值會(huì)隨著阻抗孔直徑的增大而越來(lái)越小。

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]推薦，在校核工況下，調(diào)壓室最高涌浪水位以上的安全超高不宜小于0.5 m。

以上數(shù)據(jù)中阻抗孔直徑為4.24 m(A/S=50%)不滿足規(guī)范要求，需重新擬定比值范圍。故選擇直徑為4.07 m(A/S=46%)、4.11 m(A/S=47%)、4.15 m(A/S=48%)和4.20 m(A/S=49%)4組數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表1 阻抗孔直徑變化在不同D2下對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)

注：ZT為調(diào)壓室最高涌浪水位；β為機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率；ζ為最大水錘相對(duì)升壓值。

表2 阻抗孔尺寸變化與調(diào)壓室波動(dòng)振幅及衰減率的關(guān)系

注：Zi為不同時(shí)段調(diào)壓室中的波峰值；Z穩(wěn)為對(duì)應(yīng)工況的穩(wěn)定水位值。 衰減率=1-(Zi-Z穩(wěn))/(Z1-Z穩(wěn))。

表3 阻抗孔直徑變化時(shí)不同D2下的最高

由表3可以看出，調(diào)壓室最高涌浪水位仍是隨著阻抗孔直徑d的增大而減小，且伴隨D2(調(diào)壓室到水輪發(fā)電機(jī)組的距離)的增大而減小。從滿足規(guī)范要求來(lái)看，宜選d=4.07 m(A/S=46%)作為合理比值的區(qū)間邊界。

3.3 阻抗孔尺寸與蝸殼末端最大水錘相對(duì)升壓的關(guān)系

不同阻抗孔尺寸下，D2與最大水錘相對(duì)升壓關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 阻抗孔直徑改變對(duì)于不同D2時(shí)的最大水錘相對(duì)升壓

由圖3可以看出，隨著D2的遞增，最大水錘相對(duì)升壓會(huì)隨之遞增；隨著阻抗孔直徑的遞增，最大水錘相對(duì)升壓呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的差值會(huì)隨著直徑的遞增而越來(lái)越小,說(shuō)明最大水錘相對(duì)升壓隨著阻抗孔直徑的增大而越來(lái)越不敏感；但當(dāng)直徑為3 m(A/S=25%)時(shí)，其最大水錘相對(duì)升壓值最大且與其他數(shù)據(jù)差值較大；說(shuō)明當(dāng)阻抗孔面積與壓力引水道面積占比為25%時(shí)，壓力管道末端及調(diào)壓室底部的水錘壓力急劇惡化，且其值超過(guò)規(guī)范允許范圍，不宜作為合理比值范圍邊界，需重新擬定比值范圍。故擬定阻抗孔直徑為3.06 m(A/S=26%)、3.12 m(A/S=27%)、3.17 m(A/S=28%)和3.23 m(A/S=29%)作比選(如表4)。

表4 阻抗孔直徑變化對(duì)不同D2下的最大水錘相對(duì)升壓(A/S=26%～29%)

從表4可以看出，最大水錘相對(duì)升壓隨著阻抗孔直徑d的增大而減?。划?dāng)D2增大時(shí)，最大水錘相對(duì)升壓呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由ζ值宜為0.3～0.5的范圍來(lái)看，宜選d=3.17 m(A/S=28%)作為比值區(qū)間的邊界。綜上所述，該工程阻抗孔面積與引水道面積比宜為28%～46%。該結(jié)論與相關(guān)規(guī)范和學(xué)者的研究成果相近，具有較強(qiáng)的普適性。

4 結(jié) 論

阻抗孔尺寸的選擇在調(diào)壓室設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，結(jié)合某水電站工程實(shí)例的水力過(guò)渡過(guò)程，探討了阻抗孔尺寸變化對(duì)有壓引水系統(tǒng)的影響。得出了以下兩個(gè)重要的結(jié)論：

(1)隨著阻抗孔尺寸占引水道面積比值的逐漸增大，調(diào)壓室涌浪水位值逐漸增大，最大水錘相對(duì)升壓值和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率逐漸減小，但隨著該比值增加到一定程度，對(duì)上述3個(gè)值影響的敏感性越來(lái)越弱。

(2)調(diào)壓室涌浪水位、最大水錘相對(duì)升壓和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率三者不僅需要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，還需綜合考慮，在這種情況下，阻抗孔面積與引水道斷面面積的比值存在一定的合理范圍，考慮到施工條件和經(jīng)濟(jì)效益，該范圍宜為28%～46%。