博瓦水電站尾閘室替代尾水調(diào)壓室計(jì)算研究

張作棟，鞠小明,2，劉期勇

(1. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065； 3.四川省清源工程咨詢有限公司，成都 610072)

0 引 言

博瓦水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，為金沙江左岸一級(jí)支流水洛河“一庫十一級(jí)”中的第八個(gè)梯級(jí)電站。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房等系統(tǒng)組成，首部樞紐為低閘壩，采用“正向泄洪排沙，側(cè)向引水”的樞紐布置，正常蓄水位2 001.00 m。引水建筑物包括引水隧洞、上游調(diào)壓井、壓力管道、尾水支洞、尾閘室和尾水洞。引水隧洞全長14 188.660 m，上游調(diào)壓井采用帶上室的阻抗式，由井筒、上室、及交通洞組成，調(diào)壓井井筒為圓形斷面，內(nèi)徑19.0～19.6 m，井高82.66 m。壓力管道由上平段、斜井段和下平段組成。發(fā)電廠房位于水洛河下博瓦溝溝口上游約900 m處山體內(nèi)，為地下廠房，廠內(nèi)安裝3臺(tái)單機(jī)容量為56 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。該電站于2015年4月開工建設(shè)，目前在建，原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室第一層上部頂拱已開挖及臨時(shí)支護(hù)完成，施工開挖揭示，頂拱部位發(fā)現(xiàn)大范圍的溶蝕溶腔，充填黃色風(fēng)化砂并夾雜大理石團(tuán)塊，無膠結(jié)，滲滴水，成洞條件差，圍巖自穩(wěn)性差，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占比66.77%，原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室底部交通洞仍有溶蝕現(xiàn)象，地質(zhì)條件已不能滿足調(diào)壓室按原設(shè)計(jì)方案繼續(xù)施工。若直接取消尾水調(diào)壓室，一是不利于3臺(tái)機(jī)組檢修，二是不利于降低水輪機(jī)尾水管真空度。為保證施工和運(yùn)行安全，擬采用加大尾水洞徑，并將原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室改為尾閘室的設(shè)計(jì)方案，尾水系統(tǒng)布置如圖1所示，論文從水力計(jì)算方面研究了尾閘室替代原尾水調(diào)壓室的可行性。

圖1 博瓦水電站尾閘室替代尾水調(diào)壓室尾水系統(tǒng)布置圖Fig.1 System layout of Bowa hydropower station replaced tailwater surge chamber as draft tube gate chamber

1 尾水調(diào)壓室改為尾閘室的水力影響分析

博瓦水電站機(jī)組尾水流道總長接近200 m(包括尾水連接洞)，原設(shè)計(jì)有尾水調(diào)壓室。設(shè)置尾水調(diào)壓室的目的是減小下游尾水系統(tǒng)的水錘壓力，改善水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件，保證水輪機(jī)尾水管的真空度滿足水電站機(jī)電設(shè)計(jì)要求[1]。原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室反射水錘波的功能是通過尾水調(diào)壓室底部的阻抗孔口(實(shí)際是3孔尾水閘門槽孔口，閘門槽孔口兼做尾水調(diào)壓室阻抗孔口)來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)設(shè)計(jì)方案改尾水調(diào)壓室為尾閘室，尾閘室閘門檢修平臺(tái)高程1 869.00 m，高于尾閘室最高涌浪水位2.91 m。尾水連接管上的3孔尾水閘門槽孔口仍然保留原面積5.58 m2，只是將尾水調(diào)壓室改成了尾閘室，這樣使得開挖面積減小，頂拱施工因此變得更加安全，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸計(jì)算，尾閘室閘門槽孔口面積占尾水連接管面積約21.27%，基本達(dá)到了調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范要求的作為阻抗孔口反射水錘波的最小面積要求，現(xiàn)修改設(shè)計(jì)方案尾閘室的橫截面積遠(yuǎn)小于原尾水調(diào)壓室的斷面積，或者說3孔尾閘室就是橫截面積縮小后的3個(gè)尾水調(diào)壓室。因此僅就尾水系統(tǒng)反射水錘波的功能而言，尾閘室依然可以起到降低尾水系統(tǒng)水錘壓力的作用，并且更改方案的電站尾水洞斷面面積由原來的48.08 m2增加到78.70 m2，尾水洞內(nèi)流速降低，更有利于降低尾水系統(tǒng)中的水錘壓力和尾水管的真空度。從上述分析可以看出，判斷原尾水調(diào)壓室改成尾閘室設(shè)計(jì)方案成立與否，就是判斷更改方案的調(diào)節(jié)保證計(jì)算能否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，特別是水輪機(jī)尾水管的真空度是否能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室改成尾閘室后，對電站輸水系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在電站下游輸水系統(tǒng)，對于上游引水隧洞和上游調(diào)壓室系統(tǒng)的水力影響較小，可以通過電站引水發(fā)電系統(tǒng)小波動(dòng)計(jì)算來復(fù)核。只要修改方案的調(diào)節(jié)保證計(jì)算的結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，特別是 3臺(tái)機(jī)組的水輪機(jī)尾水管真空度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并且電站引水發(fā)電系統(tǒng)小波動(dòng)是穩(wěn)定的，則該修改方案就是可行的。

2 水力計(jì)算研究方法及水輪機(jī)特性曲線數(shù)據(jù)處理

2.1 水力計(jì)算方法簡介

尾水調(diào)壓室改為尾閘室的水力計(jì)算研究方法就是水電站輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算方法[2]，該方法的基本理論是用特征線方法求解基于彈性水錘理論的非恒定流(也稱瞬變流)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

連續(xù)方程：

(2)

式中：H為壓頭；V為流速；x為從管段左端起算的距離；g為重力加速度；f為沿程損失系數(shù)；D為管徑；a為水錘波速；t為時(shí)間。將其沿正特征線和負(fù)特征線分別積分得：

C+：HP=CP-BQP

(3)

C-：HP=CM+BQP

(4)

CP=HA+BQA-R|QA|QA

(5)

CM=HB-BQB+R|QB|QB

(6)

(7)

(8)

式中：HA、QA分別為t-Δt時(shí)刻管段第i-1節(jié)點(diǎn)處的壓頭和流量；HB、QB分別為t-Δt時(shí)刻管段第i+1節(jié)點(diǎn)處的壓頭和流量；Δx為相鄰兩節(jié)點(diǎn)的距離；R為阻力系數(shù)；CP、CM分別與t-Δt時(shí)刻的壓頭和流量有關(guān)，對t時(shí)刻是已知量。上述特征方程(3)和(4)結(jié)合各種邊界條件方程，包括進(jìn)水口水庫、調(diào)壓室、水輪機(jī)、調(diào)速器、岔管、尾閘室、下游河道等邊界，就可以進(jìn)行水電站復(fù)雜引水道的水力瞬變計(jì)算，有關(guān)這些基本方程的求解方法和邊界條件方程可參考有關(guān)文獻(xiàn)[3,4]。

2.2 水輪機(jī)特性曲線數(shù)據(jù)處理

博瓦水電站輸水系統(tǒng)包括上游引水隧洞、上游調(diào)壓室、壓力鋼管主管和支管、水輪發(fā)電機(jī)組、尾閘室、尾水洞，其水力瞬變計(jì)算簡圖如圖2所示。

對于尾閘室替代尾水調(diào)壓室的研究，由于水輪機(jī)尾水管真空度是水力計(jì)算研究的重點(diǎn)內(nèi)容，因此水輪機(jī)特性曲線的處理和水輪機(jī)邊界的準(zhǔn)確模擬至關(guān)重要。博瓦水電站水輪機(jī)模型綜合特性曲線如圖3所示[5]。根據(jù)圖3的水輪機(jī)綜合特性曲線，得到離散后的水輪機(jī)特性數(shù)據(jù)如表1和表2所示，其力矩特性和流量特性曲線如圖4和圖5所示。

表1 水輪機(jī)導(dǎo)葉開度數(shù)據(jù)表Tab.1 Openness data of hydroturbine guide vane

表2 水輪機(jī)效率數(shù)據(jù)表Tab.2 Efficiency data of hydroturbine

圖3 博瓦水電站水輪機(jī)模型綜合特性曲線Fig.3 Hydroturbine Model performance hillchart in Bowa hydropower station

圖4 博瓦水電站水輪機(jī)單位力矩特性Fig.4 Hydroturbine unit torque data character in Bowa hydropower station

圖5 博瓦水電站水輪機(jī)單位流量特性曲線Fig.5 Hydroturbine unit-flow character in Bowa hydropower station

3 尾閘室替代尾調(diào)后的水力計(jì)算

3.1 尾水管進(jìn)口壓力計(jì)算

按照博瓦水電站計(jì)算簡圖和前述計(jì)算方法，對額定水頭工況和最大水頭工況分別進(jìn)行電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算分析。根據(jù)不同關(guān)機(jī)時(shí)間計(jì)算比較，確定水輪機(jī)100%開度甩負(fù)荷關(guān)機(jī)時(shí)間Ts為8 s。該電站上游水庫水位1 999.00 m時(shí)，電站3臺(tái)水輪機(jī)額定負(fù)荷57.74 MW運(yùn)行，水輪機(jī)工作水頭接近額定水頭，該工況的尾水管進(jìn)口壓力和尾閘室水位計(jì)算成果如表3所示；水庫水位2 001.00 m是電站最大水頭工況，計(jì)算該水頭下3臺(tái)機(jī)組和1臺(tái)機(jī)組分別甩負(fù)荷，計(jì)算成果分別如表4和表5所示。

從表3～表5中的尾水管進(jìn)口壓力分析，尾閘室替代原尾水調(diào)壓室后，水輪機(jī)尾水管進(jìn)口最大真空度3.301 m，表中尾水管進(jìn)口壓力計(jì)算已經(jīng)考慮了尾水管形狀的變化，該電站尾水管真空度設(shè)計(jì)要求是不超過5.94 m(考慮海拔高程的影響)，從尾水管進(jìn)口真空度評判，尾閘室替代原尾水調(diào)壓室方案是可行的，并且調(diào)節(jié)保證計(jì)算的其他參數(shù)如蝸殼壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高率等數(shù)據(jù)均滿足《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求，機(jī)組丟棄負(fù)荷后的蝸殼壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速、尾水管進(jìn)口壓力以及尾閘室的水位變化如圖6～圖9所示。

表3 水庫水位1 999.00 m，電站3臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表Tab.3 Calculation results after 3 Uuits load rejection at reservoir level 1 999.00 m

表4 水庫水位2 001.00 m，電站3臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表Tab.4 Calculation results after 3 Uuits load rejection at reservoir level 2 001.00 m

表5 水庫水位2 001.00 m，電站1臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表Tab.5 Calculation results after 1 Uuit load rejection at reservoir level 2 001.00 m

圖6 丟棄負(fù)荷后水輪機(jī)蝸殼壓力升高過程Fig.6 Spiral case pressure fluctuation after load rejection

圖7 丟棄負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速升高過程Fig.7 Rotate-speed rising process of hydro-electric unit after load rejection

圖8 丟棄負(fù)荷后尾水管壓力變化過程Fig.8 Pressure variation process in draft tube after after load rejection

圖9 丟棄負(fù)荷后尾閘室水位波動(dòng)過程Fig.9 Water level fluctuation process of draft tube gate chamber after load rejection

從圖6～圖9可以看出，機(jī)組丟棄負(fù)荷后蝸殼壓力迅速升高，其后與上游調(diào)壓室水位同步波動(dòng)，尾水管進(jìn)口壓力首先降低，其后與尾閘室水位同步波動(dòng)。圖10是設(shè)置尾閘室和不設(shè)置尾閘室機(jī)組丟棄負(fù)荷后的水輪機(jī)尾水管壓力變化對比圖，可以看出設(shè)置尾閘室后水輪機(jī)尾水管真空度有所降低。

圖10 設(shè)置尾閘室和不設(shè)置尾閘室尾水管壓力變化比較Fig.10 The comparison of pressure variation in draft tube between build draft tube gate chamber or not

3.2 小波動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

博瓦水電站將尾水調(diào)壓室改為尾閘室后，尾閘室相比于尾水調(diào)壓室，其截面積較小，若尾水洞面積不增加，依據(jù)引水系統(tǒng)小波動(dòng)理論和調(diào)壓室托馬斷面計(jì)算公式[1,7]，理論上整個(gè)輸水系統(tǒng)的小波動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)略有降低。根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》NB/T 35021-2014中設(shè)置下游調(diào)壓室的條件復(fù)核[7]，修改方案尾水洞斷面面積由原來的48.08 m2增加到78.70 m2，不需要設(shè)置尾水調(diào)壓室，并且上游調(diào)壓室的截面積已經(jīng)足夠大于調(diào)壓室托馬臨界穩(wěn)定斷面積，輸水系統(tǒng)Tw/Ta約為0.16，遠(yuǎn)小于0.4。數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，負(fù)荷小波動(dòng)上游調(diào)壓室和尾閘室水位波動(dòng)衰減收斂，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)穩(wěn)定收斂，并且具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，不同暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)過程如圖11所示，說明尾水調(diào)壓室改為尾閘室后的引水發(fā)電系統(tǒng)小波動(dòng)仍然是穩(wěn)定的。

4 結(jié) 語

通過瞬變流水力計(jì)算研究，論證了博瓦水電站尾閘室替代原設(shè)計(jì)尾水調(diào)壓室方案是可行的，避免了不良地質(zhì)條件下大尺寸尾水調(diào)壓室開挖帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)。通過加大尾水洞斷面積采用尾閘室替代尾水調(diào)壓室既滿足了電站機(jī)組檢修的要求，又滿足電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算對水輪機(jī)尾水管真空度的要求。設(shè)計(jì)中需要注意的是尾閘室的閘門槽孔口面積要達(dá)到足夠反射水錘波的面積要求，尾閘室的閘門檢修平臺(tái)高程應(yīng)高于尾閘室最高涌浪水位高程，并應(yīng)復(fù)核整個(gè)電站引水發(fā)電系統(tǒng)的小波動(dòng)穩(wěn)定性。

圖11 不同調(diào)速器參數(shù)小波動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程Fig. 11 Rotate-speed fluctuation process with small disturbance with different speed-governor parameter

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