水电站调压井的水力学特性

水电站调压井的水力学特性

洪振国

(云南省水利水电勘测设计研究院, 云南 昆明 650021)

摘要：为了研究调压井在水轮机负荷变化时的水力学特性,以漾洱水电站调压井为研究对象,通过数值法计算调压井稳定断面面积、阻抗孔尺寸、最高水位和最低水位,同时为了论证数值法可行性,采用调节保证计算机组转速、蜗壳压力和尾水管压力,且以模型试验进一步分析调压井水力学特性．结果表明:调压井的稳定断面面积为688.134 m2,阻抗孔直径为4.50 m,最高涌波水位低于调压井顶高程2.120 m,最低涌波水位高于调压井底板5.541 m;蜗壳最大压力水头升高值为67.85 m,上升率为29%;机组转速上升值为350.7 r/min,上升率为40%;尾水管最低压力水头为0;蜗壳压力、机组转速和尾水管压力在安全可靠、经济合理范围内;调压井水流稳定,流态良好,没有产生旋涡,没有出现负压,阻抗孔上下压力差较小．因此调压井水力学特性良好,调压井体型是合理的．

关键词：水电站调压井;水力学特性;数值法计算;调节保证计算;模型试验

洪振国. 水电站调压井的水力学特性[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(3):228-234.

HONG Zhenguo. Hydraulic characteristics of hydropower station surge shaft [J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(3):228-234.(in Chinese)

引水式水电站的引水隧洞较长,机组的安装高程与上游水库高程相差很大,当水力加速时间较长时,必须在引水隧洞末端与压力管道连接处设置调压井[1]．调压井是利用自由水面反射水击波,限制水击波进入引水道、减小压力管道及水轮机的水击压力、改善水轮机在负荷变化时的运行条件及系统供电质量的调压设施[2]．新中国成立以来,水电建设突飞猛进,中国已建设了大批的水电站调压井,在设计、施工、科研各个

领域中都取得了不小的成就．目前调压井向大型化、结构多样化、水流流态复杂化发展．调压井水力学特性对调压井水面波动衰减情况、调压井的经济合理性、水电站发电机组的稳定运行非常重要[3],水轮发电机组是一个集水力、机械、电气为一体的复杂非线性系统,水力机械和电气等因素引起的机组不稳定振动等问题日益突出．常规调压井水力学特性分析采用传统数值法计算,未能实现对引水隧洞、压力管道、水轮机、调速器等引水发电系统的统一考虑．因此有必要对调压井水力学特性进行研究．

文中通过结构复杂、水流流态复杂、稳定断面大的漾洱水电站调压井进行数值法计算、调节保证计算,并通过模型试验进一步进行调压井水力学特性分析,论证调压井体型设计的合理性． 1 工程概况

漾洱水电站位于漾濞县境内澜沧江支流黑惠江上,是以发电为单一目标的工程,总装机容量为3×16.60 MW,保证出力为13.08 MW,多年平均发电量为24 242.31×104 kW·h,装机利用小时为4 868 h．其引水系统由取水口、引水隧洞、调压井、压力管道等部分组成[4-5],平面布置如图1所示．

图1 引水系统平面布置

Fig.1 Plan of water diversion system

取水口布置于拦河闸坝上游右岸,侧向取水,高15.7 m,长16.4 m,下接引水隧洞;引水隧洞引水流量为134.67 m3/s,总长8 121.45 m,均采用钢筋混凝土衬砌,整条隧洞设置13个平面转弯,断面为圆形,直径为7.5 m．调压井上接引水隧洞,下接1#,2#,3#压力管道．压力管道内径为3.6 m,1#,2#,3#压力管道分别长107.3,113.5,132.3 m． 2 调压井结构

漾洱水电站调压井稳定断面较大,为了有利于结构安全,调压井采用地下式．由于地表第四系覆盖层较厚,需要开挖覆盖层,因此调压井部位顶部岩土体可以露天开挖,有利于施工．由于阻抗式调压井波动衰减较快,水位波动振幅较小,容积较小,工程量较少,正常运行时水头损失小,因

此选用阻抗式调压井．阻抗式调压井由井筒、阻抗孔等组成,结构如图2所示.

图2 调压井结构(单位：m) Fig.2 Structure of surge shaft

调压井断面为圆形,各部分结构采用钢筋混凝土建造．调压井上游接引水隧洞出口,下游接3根压力管道;调压井的结构和水流流态复杂．调压井底板高程为1 340.259 m,顶高程为1 375.000 m,井筒高1 375.000 m;井筒直径为29.60 m,阻抗孔口直径为4.50 m;井筒高程为1 344.759～1 375.000 m时衬砌厚度为1.0 m,高程为1 340.259～1 344.759 m时衬砌厚度为1.5 m,底板衬砌厚1.5 m[6-8]． 3 调压井数值法计算与分析

3.1 稳定断面面积

调压井稳定断面面积按《水电站调压室设计规范》[2]中的托马公式计算，即

(1)

式中:A为调压井稳定断面面积,m2;K为系数,一般取1.0～1.1;L为压力引水道长度,m;A1为引水道断面面积,m2;H0为发电最小静水头,即

上下游水位差,m;α为自水库至调压室水头的损失系数,α=hw0/v2;hw0为压力引水道水头损失,m;v为压力引水道中的流速,m/s;hwm为压力管道水头损失,m．

H0=50.800 m, L=8 121.45 m,A1=44.178 m2,hw0=6 m,v=3.05 m/s,hwm=1.2 m,按式(1)计算,调压井的稳定断面面积A=688.134 m2,相应调压井直径为29.6 m．由于调压井稳定断面面积与静水头、水轮机出力、引水道水头损失、机组运行工况、水轮机效率及水轮机调速器的参数整定等有关,以上数值法计算值仅是初步拟定的小波动稳定需要的最小断面面积,实际小波动稳定性可以根据后文的调节保证计算进一步复核．

3.2 阻抗孔尺寸

先根据《水电站调压室设计规范》进行压力水道系统的摩阻为0并丢弃全负荷时的自由振幅计算,然后查相关表得hc值,最后按式(2)的调压室阻抗孔公式计算阻抗孔尺寸,即

, (2)

式中: hc为通过阻抗孔时的水头损失,m;Q为引水道的流量,m3/s;φ为阻抗孔的流量系数,可由试验得出,初步计算时取0.60～0.80;S为阻抗孔断面面积, m2．

由于Q=134.67 m3/s,hc=10 m,根据式(2)计算得阻抗孔断面面积S=15.904 m2, 对应阻抗孔直径取4.50 m[4]．

3.3 最高涌波水位

根据《水电站调压室设计规范》进行调压室最高涌波水位计算:按水库校核洪水位为1 359.000 m时,3台机组满载运行时瞬时丢弃全部负荷,计算调压井最高涌波水位．当阻抗式调压井丢弃全负荷时的最高涌波Zmax由下列公式计算．

当λ′hc0<>

(1+λ′Zmax)-ln(1+λ′Zmax)=(1+λ′hw0)- ln(1-λ′hc0); (3)

当λ′hc0>1时,计算式为 (λ′|Zmax|-1)-ln(λ′|Zmax|-1)= ln(λ′hc0-1)-(λ′hw0+1), (4) 其中

, (5)

式中: hc0为全部流量通过阻抗孔时的水头损失,m;hw0为压力引水道水头损失,m;v0为引水道的水流速度,m/s．

由于hc0=35.1 m,hw0=6.0 m,λ′=0.097,则λ′hc0=3.41>1．按式(4)计算最高涌波Zmax=13.88 m,对应的最高涌波水位为1 372.880 m[4]．

3.4 最低涌波水位

根据《水电站调压室设计规范》计算最低涌波水位,主要是为了确定调压井底部和压力管道进口高程．计算取上游水库死水位为1 357.000 m,同时水电站机组由n-1台增至n台,或由2/3负荷突增至全负荷为前提．

阻抗式调压井增加负荷时,最低涌波Zmin的计算式为

.

, (6)

式中:ε为量纲一的系数;m′=Q/Q0;Q为增加负荷前引水道的流量,m3/s;Q0为增加负荷后引水道的流量,m3/s．

由于ε=1.45,hw0=6.0 m,m′=0.333 3,则根据式(5)计算最低涌波为11.2 m,最低涌波水位为1 345.800 m．

3.5 数值法计算分析

调压井的最高水位为1 372.880 m,比调压井顶高程1 375.000 m低2.120 m;最低涌波水位为1 345.800 m,比调压井底板高程1 340.259 m高5.541 m,满足了《水电站调压室设计规范》中调压井底板高程2.0 m以上的要求．但是漾洱水电站调压井底部的导流墙将引水隧洞分为三岔岔管,岔管顶有阻抗孔．调压井结构和水流流态复杂,同时阻抗孔的尺寸与调压井底板压力有关,需要模型试验进一步复核．

数值法通过由取水口、引水隧洞、调压井、压力管道等部分组成的引水系统模型进行计算分析,根据波动衰减的小波动稳定要求,求出调压井所需的最小断面面积,按发生大波动过渡过程得到调压井的最高、最低水位以及水位变化过程,从而确定调压井的高度．按阻抗孔口使水流进出调压井的阻力和消耗的能量,以及水击波反射和隧洞受到水击的影响情况,选择合适的阻抗孔口尺寸．数值法计算比较简便,可以直接求出最高、最低水位,但有时精度较差,且不能求出调压井水位随时间波动的全过程[9],因此需要由模型试验进一步复核． 4 调压井调节保证计算与分析

调压井调节保证计算满足水流的动量方程和连续方程,基本计算公式为

(7)

(8)式中:H为测压管水头,m;x为从管段左端起算的距离,m;g为重力加速度,m/s2;D为管径,m;c为摩擦系数;a为水击波在管道中的传播速度,m/s;t为时间,s．

由于v=3.05 m/s,D=3.6 m,由式(7),(8)计算,在最大水头下,3台机组同时甩满负荷时,导叶关闭按一段直线关闭规律,关闭时间控制为6 s,蜗壳最大压力上升率为29%,压力升高值为67.85 m水头<79.20>79.20>m水柱．蜗壳压力小则不会增加水力系统的投资,同时具有良好的机组调节品质．机组转速上升值为350.7 r/min,上升率为40%,小于60%的规范要求,不会影响发电机寿命和供电质量,机组转速上升值在经济合理的范围内,水电站可安全可靠和经济合理运行．尾水管最低压力水头为0,真空度大于-8 m水头,尾水管最低压力满足《水力发电厂机电设计规范》[10]的要求．在水轮机全部运行范围内,水轮机径向轴承的垂直振动位移不超过60 μm,且不发生共振;进水阀两侧压力差在不大于30%的最大静水压时均能正常开启,且不产生强烈振动;尾水管内压力脉动值不大于额定水头的11%;水轮机最高效率保证值不低于94.85%,因此水轮机无有害的振动和压力脉动,长期运行是稳定的[11-12]．

由上述分析可知，尾水管最低压力满足《水力发电厂机电设计规范》的要求,机组转速、蜗壳压力和尾水管压力在安全可靠、经济合理范围内,水轮机无有害的振动和压力脉动,长期运行是稳定的,因此调压井计算的稳定断面面积和阻抗孔是合理的． 5 调压井模型试验

5.1 模型设计

水电站引水发电系统整体模型包括模拟水库、隧洞进口、发电引水隧洞、调压井、压力钢管、水轮机、蜗壳和尾水管、必要的水位和流量测量装置等．

调压井水位由压力传感器测量,经动态应变仪后由计算机采集数据并处理、绘出水位波动过程；同时，在调压井外辅以标尺读取调压井水位波动过程中的最高和最低水位．各部分的比尺选择应同时满足重力相似、阻力相似．由于引水隧洞比较长,考虑模型场地采用变态模型进行研究,引水隧洞糙率比尺为1.217,长度比尺为90,洞径比尺为49.8,调压井高度比尺为67.432,直径比尺为67.432[4]．

5.2 模型试验结果与分析

5.2.1 甩负荷水力学运动特性

机组甩负荷时,水流从阻抗孔喷涌而出,主流偏向下游侧,井筒水面上下左右晃动,水面逐渐上升至最高,然后下降至最低,经过几次振荡后趋于稳定,最高涌波水位发生在甩负荷后的第1个波峰．阻抗孔下的压力比阻抗孔上的压力快速先行上升,到达最高点．阻抗孔上的压力上升速率滞后于阻抗孔下的．到达高点水位后,阻抗孔下的压力又先行下降,与阻抗孔上的压力一起到达最低点,阻抗孔下最大压力水头小于最高涌波水位．

5.2.2 增负荷水力学运动特性

调压井的全部n台机组由n-1台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载时,水流从阻抗孔流向压力钢管,水面平稳下降,到达最低点时没有产生旋涡,没有出现负压,没有空气带入压力钢管中;然后水面又向上涌升,经过一次振荡后逐渐衰减,趋于平稳．阻抗孔上下压力几乎同步下降,阻抗孔下的压力在水位下降时小于阻抗孔上的压力,阻抗孔下最小压力水头小于调压井最低涌波水位时的压力水头．

5.2.3 调压井体型合理性

根据上述水力学运动特性分析,当机组甩负荷时,水流从阻抗孔以喷涌而出,井筒水面上下左右晃动,水面逐渐上升至最高,然后下降至最低,经过几次振荡后趋于稳定．当机组增负荷时,水流从阻抗孔流向压力钢管,水流平稳下降,没有出现负压,没有空气带入压力钢管,没有产生旋涡,阻抗孔上下压力差较小,验证了调压井阻抗孔尺寸、稳定断面、体型设计是合理性的．

5.2.4 不同直径阻抗孔最高涌波试验

上游水库校核洪水位,全部机组满载运行时瞬时丢弃全部负荷,调压井不同直径阻抗孔最高涌波试验水力特性结果见表1．表1中d为阻抗孔直径,hGSW为最高涌波水位,tH为最高涌波发生时间,Hmax为阻抗孔下最大压力水头,tp1为阻抗孔下最大压力水头发生时间,Δp为阻抗孔上下最大压力差,Δt为阻抗孔上下最大压力差发生时间．

表1 不同直径阻抗孔的最高涌波试验

Tab.1 Test results of maximum surge of different diameter

impedance holes

d/mhGSW/mtH/sHmax/mtp1/sΔp/kPaΔt/s6.781376.066227.331376.810215.9135.7122.375.261373.335226.621373.724215.68106.0324.505.121372.632224.031373.154214.86110.5228.964.501370.806222.901370.940190.10129.0925.014.201370.506221.911373.80127.62185.2029.123.701370.079206.631375.83037.78224.8037.00

由表1可知:① 阻抗孔直径越大,则最高涌波水位越高,最高涌波发生时间、阻抗孔下最大压力水头发生时间均越长,阻抗孔上下最大压力差越小,阻抗孔下最大压力水头则先大后小再大、阻抗孔上下最大压力差发生时间亦先长后短然后又延长;② 当阻抗孔直径为4.50 m时,最高涌波水位的发生时间为222.90 s,水位为1 370.806 m,阻抗孔下最大水头发生时间为190.10 s,阻抗孔下最大压力水头为1 370.940 m,接近调压井最高水位1 370.806 m,同时阻抗孔上下压力差较小,所以调压井阻抗孔直径选定为4.50 m;③ 当阻抗孔直径为4.50 m时,调压井最高水位为1 370.806 m,比调压井顶高程1 375.000 m低4.194 m,所以调压井顶高程是合理的．

5.2.5 甩负荷试验

上游水库校核洪水位,调压井阻抗孔直径为4.50 m时,各种工况甩负荷试验结果见表2．

表2 各种工况甩负荷试验

Tab.2 Load rejection test results under various working conditions

工况hGSW/mtH/sHmax/mtp1/sΔp/kPaΔt/s1台台台

→01364.804195.221365.106177.2324.4021.212→01368.580210.291368.664185.7987.4023.503→01370.806222.901370.940190.10129.0925.01

由表2可知:① 从工况1台→0，2台→0到3台→0时,最高涌波水位、最高涌波发生时间、阻抗孔下最大水头、阻抗孔下最大水头发生时间、阻抗孔上下最大压力差及阻抗孔上下最大压力差发生时间均增大;② 当工况3台→0时,最高涌波水位最高,所以此工况为甩负荷时的控制工况;③ 最高涌波发生时间为222.90 s,水位为1 370.806 m,比调压井顶高程1 375.000 m低4.194 m,所以调压井顶高程是合理的．

5.2.6 增负荷试验

上游水库死水位,调压井阻抗孔直径为4.50 m时,各种工况增负荷试验结果见表3．表3中hDSW为最低涌波水位,tL为最低涌波发生时间,Hmin为阻抗孔下最小压力水头,tp2为阻抗孔下最小压力水头发生时间．

表3 各种工况增负荷试验结果

Tab.3 Load test results of various working conditions

工况hDSW/mtL/sHmin/mtp2/sp/kPat/s0→1

台台

→2→3

台台台

1350.374188.631348.740194.92-10.721.3211349.497230.811347.854206.91-11.626.5021345.114231.611344.501226.75-14.965.63

由表3可知:① 从工况0→1台、1台→2台到2台→3台时,最低涌波水位、阻抗孔下最小水头均减小;② 当工况2台→3台时,最低涌波水位最低,所以此工况为增负荷时的控制工况;③ 最低涌波水位发生时间

为231.61 s,水位为1 345.114 m,距调压井底板高程还有4.855 m,满足了《水电站调压室设计规范》中最低涌波水位均高于调压井底板高程2.0 m以上的要求．

5.2.7 模型设计的方法与规范、设计结果

国内外已有很多水力学模型设计的方法被广泛应用于实际,不同的模型方法都各有特点．漾洱水电站模型设计根据实验室试验场地和测量精度要求,按照事先选定的模型引水隧洞材料糙率值,采用水电站调压井涌波试验模型率设计水电站引水发电系统整体模型．原型与模型引水系统和调压井水力相似满足规范要求,原型引水系统及调压井和模型引水系统及调压井都应满足规范基本方程,从而可以得到引水发电系统调压井模型试验的模型率．从模型试验的水位波动特性分析,模型试验调压井水位波动的周期基本与水力计算的水位波动周期一致,说明水电站这种具有长引水隧洞的引水系统受到整体正态模型布置场地限制,采用整体变态模型进行调压室涌浪水位试验的方案是可行的,所得模型试验结果是可信的．水电站引水系统调压室模型试验结果和水力计算结果具有较好的一致性,说明水电站采用阻抗式调压井是合适的． 6 数值法计算与模型试验对比分析

上游水库校核水位和死水位,调压井阻抗孔直径为4.50 m时,调压井数值法计算与模型试验的比较结果见表4．表中hKSW为水库水位,hSW为涌波水位．

表4 数值法计算与模型试验结果比较

Tab.4 Comparison between numerical method and model test results

hKSW/md/m工况hSW/m计算值试验值1359.0004.503台→01372.880(最高)1370.806(最高)1359.0004.502台→3台1345.800(最低)1345.114(最低)

水力学计算与模型试验结果表明:① 由于调压结构和水流流态复杂,水力计算的最高、最低涌波水位均高于模型试验的;② 当调压井阻抗孔直径选定为4.50 m时,阻抗下压力水头接近调压井最高水位,最高涌波水位比调压井顶高程低,最低涌波水位高于洞顶、高于调压井底板高程2.0 m以上,满足了《水电站调压室设计规范》的要求．

数值法计算未能实现对引水隧洞、压力管道、水轮机、调速器等引水发电系统的统一考虑,但数值法计算比较简便,可以直接求出最高水位和最低水位,并且有时精度较差,也不能求出调压室水位随时间波动的全过程．模型试验引水发电系统整体模型包括模拟水库、隧洞进口、发电引水隧洞、调压井、压力钢管、水轮机、蜗壳、尾水管、必要的水位和流量测量装置等,精度较好,可模拟出调压室水位随时间波动的全过程,克服了调压井水流流态复杂等问题． 7 结 论

应用数值法和调节保证进行计算,在水轮机负荷变化时,计算调压井的水力学特性,并通过模型试验进行对比分析,得到结论如下:

1) 应用数值法计算得到调压井稳定断面、阻抗孔尺寸、最高和最低水位,满足机组转速、蜗壳压力和尾水管压力在安全可靠运行范围等要求,因此调压井计算的稳定断面面积和阻抗孔是合理的．

2) 当机组甩全负荷时,水流从阻抗孔喷涌而出,井筒水面经过几次振荡后趋于稳定．当机组增负荷时,水流从阻抗孔流向压力钢管,水流平稳下降,没有出现负压,没有空气带入压力钢管,没有产生旋涡,阻抗孔上下压力差较小．

3) 模型试验调压室水位波动的周期基本与水力计算的水位波动周期一致,水电站引水系统调压室模型试验结果和水力计算结果具有较好的一致性．

4) 数值法计算比较简便,可以直接求出最高水位和最低水位,但是精度较差,且不能求出调压室水位随时间波动的全过程．模型试验精度较好,可模拟出调压室水位随时间波动的全过程．

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(责任编辑 张文涛)

Hydraulic characteristics of hydropower station surge shaft

HONG Zhenguo

(Yunnan Water Conservancy and Hydropower Survey, Design Research Institute, Kunming, Yunnan 650021, China)

Abstract：In order to study the surge shaft hydraulic characteristics in turbine load change, taking Yang′er Hydropower Station surge shaft as research object, through the numerical method the surge shaft stability section, impedance hole size, the highest and the lowest water level are calculated;

at the same time in order to prove the feasibility of numerical method, through regulation the calculation unit speed, spiral case pressure and draft tube pressure are guaranteed, and by model test the surge shaft hydraulic characteristics are further analyzed. The results show that the surge shaft stable sectio-nal area is 688.134 m2, impedance hole diameter is 4.50 m, the highest surge water level is 2.120 m lower than the surge shaft top, the lowest surge water level is 5.541 m higher than the surge shaft bottom; spiral case maximum pressure rise is 67.85 m, the rate of rise is 29%; the unit rotating speed rise is 350.7 r/min, the rate of rise is 40%; the draft pipe minimum water pressure head is 0 m. Spiral case pressure, unit rotating speed and draft pipe pressure are in a safe and economical range. The surge shaft flow is stable, with good flow condition, no vortex, no negative pressure and the pressure difference of hole impedance is small.

Key words：hydropower station surge shaft;hydraulic characteristics;numerical method calculation; calculation of regulation guarantee;model test

洪振国

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0062 收稿日期：2016-03-21; 网络出版：时间： 2017-03-17 网html

作者简介：洪振国(1976—)，男，云南洱源人，高级工程师(****************)，主要从事水工建筑物设计研究.

中图分类号：TV732.5 文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2017)03-0228-07

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