設(shè)氣墊式調(diào)壓室的超長引水隧洞水電站大波動過渡過程探討

張　洋，楊建東，郭文成（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢　430072）

設(shè)氣墊式調(diào)壓室的超長引水隧洞水電站大波動過渡過程探討

張洋，楊建東，郭文成
（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢430072）

超長引水隧洞水電站設(shè)置氣墊式調(diào)壓室可以有效抑制過渡過程中調(diào)壓室涌浪振幅，但蝸殼壓力的變化規(guī)律也因氣墊式調(diào)壓室的影響變得更為復(fù)雜。本文通過數(shù)值計算方法，分析了設(shè)氣墊式調(diào)壓室超長引水隧洞水電站大波動過渡過程中，導(dǎo)葉關(guān)閉時間、引水隧洞水流慣性、壓力管道水流慣性及調(diào)壓室參數(shù)等因素對蝸殼最大動水壓力的影響；并與常規(guī)調(diào)壓室進行對比，討論了氣墊式調(diào)壓室對超長引水隧洞水電站甩負荷過渡過程中反射水擊波特性的作用。結(jié)果表明：氣墊式調(diào)壓室對水擊波的反射效果不如常規(guī)調(diào)壓室，且氣墊和涌浪壓力之和最大值大于常規(guī)調(diào)壓室最大水壓力，更容易發(fā)生蝸殼最大動水壓力，此壓力由調(diào)壓室壓力極值決定、不受導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律控制的影響。

水電站；超長引水隧洞；氣墊式調(diào)壓室；大波動過渡過程；蝸殼最大壓力；水擊波反射

0　前言

超長引水隧洞由于引水隧洞長、水流慣性大，在機組甩負荷過程中調(diào)壓室涌浪振幅大、周期長、衰減慢。對于此類水電站，可采用氣墊式調(diào)壓室，利用氣體動特性有效抑制調(diào)壓室的涌浪振幅，降低調(diào)壓室的設(shè)計高度。但是由于設(shè)置高壓氣墊，調(diào)壓室內(nèi)水位波動引起氣體壓力變化，對蝸殼最大動水壓力影響很大。

前人在氣墊式調(diào)壓室過渡過程研究中，重點集中在調(diào)壓室穩(wěn)定斷面積［5，6］、氣墊調(diào)壓室涌浪計算［7，12］以及氣體多方指數(shù)［11，14］等方面的研究，而蝸殼壓力是由氣墊調(diào)壓室內(nèi)氣體壓力和調(diào)壓室涌浪壓力之和決定，前人未將氣墊調(diào)壓室內(nèi)氣體壓力和調(diào)壓室涌浪壓力聯(lián)合考慮，對蝸殼最大動水壓力控制因素也未做深入探討。本文將氣墊調(diào)壓室內(nèi)氣體壓力和調(diào)壓室涌浪壓力相加做為氣墊式調(diào)壓室壓力，分析氣墊式調(diào)壓室對超長引水隧洞大波動甩負荷過渡過程蝸殼最大動水壓力的影響。

本文以某在建水電站為例，輸水系統(tǒng)布置如圖1所示。該水電站采用三機一洞尾導(dǎo)結(jié)合的布置方式，單機容量16MW，額定水頭140m，額定流量13.3m3/s，引水隧洞直徑4.5m，引水隧洞長度對應(yīng)Twy值為12s，壓力管道直徑3m，壓力管道長度對應(yīng)Twt值為1s，三臺機發(fā)電尾水位 3275m，氣墊調(diào)壓室初始氣壓P0=14.4atm，初始氣墊高度10.8m，氣體系數(shù)n=1.4，計算對應(yīng)托馬斷面積671m2為調(diào)壓室斷面積。通過數(shù)值計算方法，對設(shè)氣墊式調(diào)壓室的超長引水隧洞水電站大波動甩負荷過渡過程中，蝸殼最大壓力的控制因素進行了探討，分析了引水隧洞水流慣性、壓力管道水流慣性、調(diào)壓室參數(shù)及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律等因素對蝸殼最大壓力的影響；并與常規(guī)調(diào)壓室進行對比，討論了氣墊式調(diào)壓室對超長引水隧洞水電站甩負荷過渡過程中反射水擊波特性的作用，為合理控制大波動蝸殼壓力提供設(shè)計依據(jù)。

圖1　某設(shè)氣墊式調(diào)壓室的超長引水隧洞水電站引水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面圖

1　蝸殼最大動水壓力控制因素

本電站三臺機組在額定水頭甩全負荷過程中，蝸殼最大動水壓力不隨導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加而改變。選取導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為12s時，蝸殼動水壓力隨時間變化曲線如圖2（a）所示，由圖可知，此時蝸殼最大動水壓力由調(diào)壓室涌浪與氣體壓力之和最大值決定，繪制調(diào)壓室氣體壓力和涌浪壓力隨時間變化曲線圖2（b）。由圖2（b）可知，氣體壓力變化由調(diào)壓室內(nèi)涌浪變化引起，調(diào)壓室涌浪壓力和氣體壓力具有相同周期，極值發(fā)生時刻相同，可以將兩者相加做為調(diào)壓室壓力計算。

為了探究氣墊式調(diào)壓室在額定水頭甩全負荷過程中，蝸殼最大動水壓力控制因素，本段著重從導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間、引水隧洞水流慣性Twy值、壓力管道水流慣性Twt值以及調(diào)壓室體型參數(shù)四個方面進行探討。

圖2　蝸殼壓力和調(diào)壓室壓力

1.1導(dǎo)葉關(guān)閉時間

引水隧洞水流慣性Twy值增加，水流慣性增大，調(diào)壓室涌浪幅值增大，調(diào)壓室壓力極值隨之增大。為了探求Twy值對蝸殼最大動水壓力影響，以此水電站為模型，在保持其余參數(shù)不變情況下，選取了Twy值從1.5s（此時對應(yīng)引水隧洞長度為820m）至24s（此時對應(yīng)引水隧洞長度為13.13km），并對應(yīng)計算不同Twy值下托馬斷面為氣墊調(diào)壓室斷面積。在不同的Twy值，三臺機組額定水頭正常運行甩全負荷的工況條件下，選取導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間在 8s～20s下，對應(yīng)的蝸殼最大動水壓力值如圖3所示。

圖3　Twy取不同值時，導(dǎo)葉關(guān)閉時間對蝸殼最大動水壓力的影響

由圖3可以看出：

（1）當Twy小于4s時，隨著導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間的增加，蝸殼最大動水壓力先降低后保持不變。Twy=1.5s，當導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間小于 14s，蝸殼最大動水壓力值隨導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加而降低；導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間大于14s，隨著導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加，蝸殼最大動水壓力值保持不變。分別選取導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為8s、14s、16s，繪制蝸殼動水壓力隨時間變化情況如圖 4（a）（b）（c）所示。圖中導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為8s時，由于導(dǎo)葉關(guān)閉速度快，水擊壓力極值很大，此時水擊壓力對蝸殼最大動水壓力起決定作用。隨著導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加，蝸殼最大動水壓力隨著水擊壓力極值減小而降低。當導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為 14s時，如圖4（b）所示，水擊壓力極值與調(diào)壓室壓力極值大小相等。導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為16s時，調(diào)壓室壓力極值取代水擊壓力，成為蝸殼最大動水壓力值控制因素。將導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間14s定義為Twy=1.5s下導(dǎo)葉極限關(guān)閉時間。對比Twy=1.5s和Twy=2s可知，引水隧洞長度越短，導(dǎo)葉極限關(guān)閉時間越大。

圖4　蝸殼動水壓力隨時間變化過程

（2）在Twy值大于4s，蝸殼最大動水壓力極值不隨導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加而變化。繪制Twy=4s，導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間為 8s，蝸殼動水壓力隨時間變化情況如圖4（d）。隨著Twy值增加，調(diào)壓室壓力極值增大，此時蝸殼最大動水壓力完全由調(diào)壓室涌浪極值決定，并隨Twy增加而升高。

1.2引水系統(tǒng)水流慣性

隨著壓力管道長度對應(yīng)Twt值變大，壓力管道長度增加，調(diào)壓室至蝸殼距離增大。對于常規(guī)水電站，調(diào)壓室距離機組越近，越利于水擊壓力的控制，但是對于超長引水隧洞氣墊式調(diào)壓室，蝸殼動水壓力易受調(diào)壓室涌浪影響較大，因此增大Twt值，可以適當降低調(diào)壓室涌浪，對限制蝸殼最大動水壓力有利。以此電站為模型，在保證引水隧洞、調(diào)壓室體型等其他參數(shù)不變前提下，取壓力管道對應(yīng)Twt為0.3s～3.5s。Twy小于 4s，出現(xiàn)臨界導(dǎo)葉關(guān)閉時間，蝸殼最大動水壓力控制因素由水擊壓力過渡到調(diào)壓室壓力；Twy值大于4s時蝸殼最大動水壓力由調(diào)壓室壓力極值決定。因此，分別選取Twy值分別為1.5s、4s、12s，導(dǎo)葉關(guān)閉時間分別為8s、14s、20s繪制圖5進行分析。

分析圖5可知：

（1）隨著 Twt值增加，蝸殼最大動水壓力開始變化不大，但是當Twt增加到某一臨界值時，由于受到水擊壓力影響蝸殼最大動水壓力迅速增加。導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間越長，水擊壓力極值越小，對蝸殼最大動水壓力影響效果降低。因此導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間的越長，Twt臨界值越大。

圖5　引水系統(tǒng)水流慣性對蝸殼最大動水壓力影響

（2）對比圖5（b）、（c）看出，Twt臨界值隨著Twy值增加而增大。這是因為隨著Twy值增加，調(diào)壓室涌浪極值增加、調(diào)壓室壓力增大，水擊壓力需要上升更大值才能平衡與調(diào)壓室壓力差值，Twt臨界值隨 Twy增加而增大。對于設(shè)氣墊式調(diào)壓室超長隧洞水電站，在常規(guī)導(dǎo)葉關(guān)閉時間為 12s時，壓力管道水流慣性Twt臨界值大于2s。

1.3調(diào)壓室體型參數(shù)

1.3.1阻抗孔面積

增加阻抗孔面積一定程度上會減小導(dǎo)葉關(guān)閉引起的水擊壓力，另一方面也會增加調(diào)壓室涌浪值。以本電站布置為模型，在其他參數(shù)保持不變的情況下，阻抗孔面積修改為占壓力管道面積15%～35%，對于超長引水隧洞，選擇 Twy=12s、16s、20s，導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間8s、12s、20s，如圖6所示。

由圖6（a）可知，Twy=12s時，當阻抗孔面積取15%，阻抗孔面積很小，不能有效反射水擊波，此時蝸殼最大動水壓力由水擊壓力極值決定，導(dǎo)葉8s關(guān)閉時蝸殼最大動水壓力和導(dǎo)葉 20s關(guān)閉時蝸殼最大動水壓力差值很大。隨著阻抗孔面積增加，最大動水壓力差值縮小，當阻抗孔面積取壓力管道面積 35%時，差值為零，此時蝸殼動水壓力及調(diào)壓室壓力隨時間變化關(guān)系如圖6（d），由圖可知，此時蝸殼最大動水壓力由調(diào)壓室涌浪極值決定。

由圖6（b）、6（c）當Twy值為16s、20s，隨著阻抗孔面積從 15%逐漸增加，水擊壓力極值下降，調(diào)壓室壓力值上升，蝸殼最大動水壓力由水擊壓力極值決定，隨阻抗孔面積增大減小；當蝸殼最大動水壓力由調(diào)壓室涌浪極值決定，隨著阻抗孔面積增加，調(diào)壓室壓力增大，蝸殼最大動水壓力隨之增大。將蝸殼最大動水壓力發(fā)生轉(zhuǎn)折處的阻抗孔面積作為氣墊式調(diào)壓室臨界阻抗孔面積，對比圖 6（a）、6（b）、6（c）可以看出，臨界阻抗孔面積隨著Twy值增加逐漸縮小，對于設(shè)氣墊式調(diào)壓室超長引水隧洞水電站，阻抗孔面積選擇應(yīng)小于20%。

圖6　阻抗孔對蝸殼最大動水壓力影響

1.3.2氣室常數(shù)C0

氣墊式調(diào)壓室的氣室常數(shù)C0是指氣室參數(shù)p0、l0的乘積，p0為初始充氣壓力，l0為初始氣室高度。采用等氣室常數(shù)C0控制方案，綜合考慮了水位、氣壓調(diào)節(jié)變化范圍，假定在任意穩(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，并假定氣體無泄漏，氣墊調(diào)壓室會按照C0為常數(shù)規(guī)律適應(yīng)不同運行工況。

圖7　氣室常數(shù)C0對蝸殼最大動水壓力影響

在保證調(diào)壓室斷面積不變的前提下，增大氣室常數(shù)C0有兩種方式。

（1）增大調(diào)壓室內(nèi)初始氣壓，隨著調(diào)壓室內(nèi)初始氣壓 p0增大，調(diào)壓室初始水位降低，調(diào)壓室頂部高程不變，氣墊高度l0增加，如圖7（a）所示氣室常數(shù)C0=p0l0。隨著C0值增大，調(diào)壓室壓力極值降低，蝸殼最大動水壓力等均逐漸降低，水位變化和波動周期逐漸增大。為了降低蝸殼最大動水壓力，C0值選取應(yīng)盡可能大。但是隨著初始壓力升高，調(diào)壓室最低涌浪值逐漸降低，氣墊調(diào)壓室內(nèi)最小水深不能滿足安全水深限制，因此需要在滿足安全水深前提下，C0取值盡可能增大。該電站現(xiàn)行方案下，C0取值為1620。

（2）保持氣墊調(diào)壓室初始氣壓不變，增大氣墊高度。圖7（b）可以看出，隨著氣室常數(shù)增加，蝸殼最大動水壓力值降低。由于空氣動理論，增加了氣墊高度即增加氣體體積，當調(diào)壓室涌浪達到極值時，氣體壓縮率降低，室內(nèi)氣體最大壓力降低，從而降低了蝸殼最大動水壓力。由于僅僅改變氣墊高度，調(diào)壓室內(nèi)初始水位不變，相比增加初始氣壓值更能滿足安全水深的要求，氣室常數(shù)C0可以取更大值，更能有效降低蝸殼最大動水壓力。但是增加氣墊高度意味著增加調(diào)壓室高度，增大了開挖和混凝土用量，經(jīng)濟投入更高。

2　調(diào)壓室反射水擊波特性

氣墊式調(diào)壓室與常規(guī)調(diào)壓室對比：

選取本電站現(xiàn)行方案下，氣墊式調(diào)壓室初始氣壓為14.4atm，氣室常數(shù)C0為1620，壓力管道Twt值、調(diào)壓室體型參數(shù)保持不變，三臺機組甩全負荷工況下，分別選取Twy=1.5s、4s、20s，此時蝸殼最大動水壓力控制因素由水擊壓力過渡到調(diào)壓室涌浪，對比相同參數(shù)下常規(guī)調(diào)壓室壓力如圖8所示。

圖8　氣墊式調(diào)壓室與常規(guī)調(diào)壓室壓力對比

由圖中可以看出，氣墊式調(diào)壓室壓力大于常規(guī)調(diào)壓室，氣墊式調(diào)壓室相比常規(guī)調(diào)壓室更容易出現(xiàn)蝸殼最大動水壓力受調(diào)壓室壓力極值決定的情況。且Twy值越大，氣墊調(diào)壓室壓力和常規(guī)調(diào)壓室壓力極值差值越大。

同時，為了對比氣墊式調(diào)壓室與常規(guī)調(diào)壓室對超長引隧洞反射水擊波反射性能，選取Twy=20s，導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間 8s，水擊壓力隨時間的變化情況如圖8（d）所示。由圖可知，由于水擊壓力極值出現(xiàn)時刻很早，此時調(diào)壓室未來得及做出反應(yīng)，氣墊式調(diào)壓室和常規(guī)調(diào)壓室水擊壓力極值大小相同。在水擊波衰減過程中，常規(guī)調(diào)壓室水擊壓力在壓力為0的范圍波動振幅小于氣墊式調(diào)壓室，即氣墊式調(diào)壓室對水擊波的反射不如常規(guī)調(diào)壓室，劉德有等在《氣墊調(diào)壓室研究進展》［7］亦在此方面提出過相關(guān)探討。

由于本電站是額定水頭140m的中水頭水電站，為了驗證此結(jié)果，選取低水頭貫流式古城水電站和超長引水隧道高水頭錦屏二級水電站為模型，分別將其電站調(diào)壓室模型修改為氣墊式調(diào)壓室，對比調(diào)壓室壓力、蝸殼動水壓力及水擊壓力隨時間變化情況如圖8（e）、8（f）、8（g）、8（h）所示，仍得到相同結(jié)論。特別對于錦屏二級水電站，設(shè)常規(guī)調(diào)壓室，蝸殼最大動水壓力已經(jīng)由調(diào)壓室涌浪極值決定，若將調(diào)壓室修改為氣墊式，蝸殼最大動水壓力值增加，且不隨導(dǎo)葉有效關(guān)閉時間增加變化。對于超長引水隧洞水電站，設(shè)置氣墊式調(diào)壓室需要選擇更好的調(diào)壓室體型參數(shù)降低調(diào)壓室壓力。常規(guī)調(diào)壓室可近似看成初始氣墊壓力1atm 氣墊高度無窮大，C0=∞的特殊氣墊式調(diào)壓室，因此即使降低氣墊式調(diào)壓室壓力也只能無限趨近于常規(guī)調(diào)壓室。

3　結(jié)論

氣墊式調(diào)壓室由于設(shè)置高壓氣墊，調(diào)壓室內(nèi)水位波動引起高壓氣體的壓縮，氣墊式調(diào)壓室的大波動甩負荷過渡過程中：

（1）在引水隧洞長度逐漸增加過程中，水擊壓力對蝸殼最大動水壓力影響逐漸降低，蝸殼最大動水壓力控制因素由水擊壓力過渡到調(diào)壓室壓力極值，出現(xiàn)臨界導(dǎo)葉關(guān)閉時間、臨界Twt值和臨界阻抗孔面積。增大氣室常數(shù)C0能減小調(diào)壓室壓力極值，當蝸殼最大動水壓力由調(diào)壓室壓力極值控制，在滿足安全運行情況下，增大C0可以降低蝸殼最大動水壓力。

（2）與常規(guī)調(diào)壓室水電站對比，氣墊式調(diào)壓室對水擊波反射不如常規(guī)調(diào)壓室且氣墊式調(diào)壓室壓力極值大于常規(guī)調(diào)壓室。對于超長引水隧洞水電站，若設(shè)常規(guī)調(diào)壓室，蝸殼最大動水壓力已經(jīng)由調(diào)壓室涌浪極值決定，此時將常規(guī)調(diào)壓室改為氣墊式調(diào)壓室，雖然調(diào)壓室涌浪振幅降低，但是蝸殼最大動水壓力值升高，且仍不受導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律控制。因此對于設(shè)氣墊式調(diào)壓室超長引水隧洞水電站，需要更合適的調(diào)壓室體型降低調(diào)壓室壓力極值。

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張洋（1991-）武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，碩士研究生，主要從事水電站過渡過程與控制的研究。

審稿人：劉萬江

Discussion on Large Oscillation Transient Process of Hydropower Station with Long-Distance Diversion Tunnel of Air- Cushion Surge Chamber

ZHANG Yang， YANG Jiandong， GUO Wencheng
（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Air-cushion surge chamber can effectively suppresse the highest surge of hydropower station with long-distance diversion tunnel，but the changes of dynamic pressure in spiral case become more complex due to the influence of air- cushion surge chamber. This paper analyzes large oscillation transient process of hydropower station with long-distance diversion tunnel of air- cushion surge chambe by the effects of wicket closure time， water inertial time constant of diversion tunnel， water inertial time constant of pressure pipeline and parameter choice of air-cushion surge chamber on the maximum dynamic pressure in spiral case. This paper also compares the hammer wave reflection of air-cushion surge chamber with common surge chamber in hydropower station with long-distance diversion tunnel. The results of numerical calculation indicate that hammer wave reflection of air-cushion surge chamber is inferior to common surge chamber. And maximum pressure of gas and surge in air-cushion surge chamber is lager. Therefor，maximum dynamic pressure in spiral case is more likely controlled by maximum pressure of air-cushion surge chamber other than wicket closure rule.

hydropower station； long-distance diversion tunnel； air-cushion surge chamber； large oscillation transient process； maximum dynamic pressure in spiral case； hammer wave reflection

TV732， TK730

A

1000-3983（2016）04-0042-07

國家自然科學(xué)基金項目（51379158）；國家留學(xué)基金委公派留學(xué)基金資助

2015-06-24