长引水隧洞电站调压室的水力学问题研究
陈祥荣
国家电力公司华东勘测设计研究院 杭州 310014
1 概述
锦屏二级水电站位于四川省冕宁县境内的雅砻江干流上，利用锦屏大河弯有利条件，截弯取直开挖隧洞引水发电。根据初步选定的水能参数，本电站总装机容量为3 200 MW，引水系统按1洞2机布置，共有4条引水隧洞，一期工程拟先安装4台400 MW机组，待上游锦屏一级水电站高坝建成发电后，续建二期工程，再安装4台400 MW机组。
锦屏二级水电站一期工程引水系统由两个引水单元组成，每个单元包括：1条引水隧洞、1座上游调压室，2条压力管道(在调压室底部分岔)，2台混流式水轮发电机组、1座尾水调压室和1条尾水隧洞。引水隧洞总长18 738 m，埋深约1 000 m～2 500 m，衬砌后内径为9.6 m，电站水头高约300 m，是一个具有特长深埋隧洞的引水式地下厂房水电站。
由于引水隧洞特长且引用流量大，上游调压室采用了差动加溢流上室的混合式布置，大井断面积为200 m2，2个升管面积为(2×20) m2，尾水调压室采用简单式(上大下小)在高尾水位下完全联合运行，低尾水位时，独立运行，即不完全联合运行方式。底板高程1 300 m，在高程1 349 m以下断面积为1 000 m2。
鉴于该电站长引水隧洞电站调压室所特有的非恒定流现象，即：振荡周期长、振幅大、波动衰减时间长，存在涌波叠加的可能性。本文考虑了机组特性，调速器以及增甩负荷等实际可能操作过程，采用特征线法进行电算仿真模拟研究，着重介绍了调压室的组合工况选取和对长引水隧洞存在着若干特殊水力学问题进行了初步探讨分析。
2 涌波叠加组合工况的选择
出现涌波叠加是在上一工况波动未稳定时另一工况的投入可能会对涌波产生不利组合，有些负荷变化是可以控制的，如机组增负荷。但机组弃荷是人为不可控制的，针对机组运行这一特点，从可能导致上下游调压室出现超过文献〔1〕的最高、最低水位值着手。特选定表1所列7个工况进行水力过渡过程计算，工况Z-1、Z-2、Z-3是在两机全弃荷后，寻求第1台机组何时投入运行，可能导致上调出现最低涌波水位；工况Z-4、Z-5也是在两机全弃荷后，寻求两台机组连续投入运行的时间间隔，这样有可能使得上调出现最低涌波水位，而尾调出现最高涌波水位；工况Z-6,Z-7是指一台机运行另一台增负荷后，在人为不可控制下，两台机又全弃荷，可能导致尾调出现最低涌波水位，而上调出现最高涌波水位。
表1 组合计算工况
工况
水位
组合工况情况
时间间隔
ΔT1
s
说明
Z-1
Z-2
Z-3
排沙水位
两台机弃荷后过
ΔT1→0
第1台机开始增荷
305
1 805
557
求上调最低水位
Z-4
Z-5
排沙水位
校核洪水
位
两台机弃荷后过
ΔT1→第1台增荷
ΔT2→第2台增荷
557
1 084
求上调最低水位
求尾调最低水位
Z-6
Z-7
拦沙水位
校核洪水
位
ΔT
1台增荷→2台弃荷
40
242
求尾调最低水位
求上调最高水位
表1中机组导叶关闭(开启)时间Ts均为8s，ΔT1、ΔT2分别表示两台机全弃荷导叶开始关闭时刻至第一台机，第二台机导叶开始启动时刻的时间间隔；ΔT表示一台机启动导叶开始打开时刻至两台机突然全弃荷时的时间间隔。
对应表1中7个工况的计算成果列于表2和图2～图7。计算成果分析如下：
表2 组合工况的水力计算结果m
工况
编号
上调水位
尾调水位
最高
最低
最高
最低
Z-1
-
1 563.60
-
-
Z-2
-
1 580.91
-
-
Z-3
-
1 603.50
-
-
Z-4
-
1 583.92
-
-
Z-5
-
-
1 357.12
1 312.61
Z-6
-
-
-
-
Z-7
1 687.57(大井)
1 692.05(升管)
-
-
-
-
-
图2 组合工况Z-1，上调大井水位波动曲线
图3 组合工况Z-2，上调大井水位波动曲线
图4 组合工况Z-3，上调大井水位波动曲线
图5 组合工况Z-4，上调大井水位波动曲线
图6 组合工况Z-6，尾调水位波动曲线
图7 组合工况Z-7，上调升管水位波动曲线
(1)在上游排沙水位(即上游最低库水位)两台机全弃荷后，如需再开机，则应选择有利的开机时刻，否则将使上调发生“抽空”现象，所谓开机“有利时刻”即在两台机全弃荷后的水力过渡过程中，引水隧洞中水流正向流速(流向上调)达极大值的时刻，亦即上调水位上升速率dHSt/dt达极大值的时刻，如图1的a、b、c、d、e诸点，反之，引水隧洞中水流反向流速(流向上库)达极大值时刻，亦即上调水位下降速率dHst/dt达极大值时刻，是开机的“危险时刻”如图1中的A、B、C、D、E诸点，根据调压室水位波动理论可知：图1中的a～e点及A～Z点所对应的上调水位均为上库水位。
(2)计算工况Z-1取ΔT1=305s(即图1中A点)，这是最危险开机时刻，其对应的上调最低水位为1 563.61 m，比上调底板高程1 580 m低了16.4 m，见图2。计算工况Z-2，取ΔT1=1 805s(即图1中的D点)，其对应的上调最低水位为1 580.91 m，比上调底板高程仅高出0.91 m，见图3，两种工况均不安全。由此可见，在两台机全弃荷后，至少半小时内不可随意开机。
 
图1 初选方案(排沙水位，2台-0台)
上、下游调压室水位波动曲线
(3)计算工况Z-3取ΔT=557s(即图1中的a点)这是最有利的开机时刻，此时刻开机所产生的上调最低水位高于未开机前由于两台机全弃荷所产生的上调最低水位，见图4。同理可判断：在每一个“有利时刻”即图1中的a～e)附近开机均不会出现上调最低水位的控制值。因此，合理的ΔT1应选在557s，1 057s，1 557 s，2 057 s等值附近。
(4)计算工况Z-4是为了在选定ΔT1=557 s的基础上寻求ΔT2的取值。由计算工况Z-3的结果(见图4)可知，在开启第一台机后的上调水位波动下降最快的k点处(即ΔT2=1 084s)开启第二台机是最危险的，见图5。由表2可见，其对应的上调最低水位为1 583.50 m，比上调底板高程1 580 m高出3.5 m，满足要求。由此可见：只要第一台机开机时间选择合适，第二台机的开机时间仅需保证ΔT2-ΔT1≥270s，使ΔT2落在图4中G点的右边，以避免连续开机即可。
(5)计算工况Z-5是为了检验对于上述选定的ΔT1、ΔT2值，是否会出现尾调最高涌波水位的控制值。计算结果表明，对于该组合工况尾调不会出现最高水位控制值。
(6)计算工况Z-6、Z-7中的ΔT值是人为不可控制的，因此均取为一台机增荷后的最危险弃荷时刻，见图6和图7。由表2可见：工况Z-6的尾调最低水位为1 312.61 m，比文献〔1〕尾调最低水位控制值1 315.66 m低约3 m，但比尾水隧洞顶高程1 309.6 m仍高出约3 m，可满足要求；工况Z-7的上调最高水位为1 687.57 m(大井)和1 692.05(升管)，分别比文献〔1〕中上调最高水位控制值1 687.04 m(大井)和1 690.97 m(升管)高出0.53 m和1.08 m。
综上所述：各种组合工况有可能成为水电站水力过渡过程中的控制值。对于具有长引水隧洞的水电站，由于调压室水位波动周期长，衰减慢，易于造成水位波动叠加，在设计时尤须重视这种工况。
3 长引水隧洞水力过渡过程中的特殊水力学问题
长引水隧洞电站的水力过渡过程存在着若干与短引水洞电站所不同的特殊水力学问题，这些问题主要有：引水洞沿线最高、最低压力分布规律：转轮进口水击压力与最高压力发生时刻，不同导叶关闭时间(Ts)对阻抗式和差动式调压室的各自转轮进口压力变化的影响，阻抗孔口面积的大小对水击压力、穿室压力大小不同程度的影响等。
3.1 引水隧洞沿线最高、最低压力分布
引水隧洞沿线的最高压力分布资料是引水隧洞衬砌强度设计的重要依据，而最低压力分布资料是隧洞沿线高程布置及调压室有关参数确定的重要依据，表3给出了两种型式上调在最高、最低两个水位工况下的水力过渡过程计算成果，导叶关闭(开启)时间T′s=8s，对应表3的隧洞沿线压力水位分布见图8。
表3 引水隧洞沿线节点最大、最小压力水位
节点位置
计 算 工 况
说
明
上调：差动加溢流上室
上调：阻抗加溢流上室
校核洪水位
2台→0
排沙水位
1台→2台
校核洪水位
2台→0
排沙水位
1台→2台
节点号
管线长L
m
最大压力水位
m
最小压力水位
m
最大压力水位
m
最小压力水位
m
1
0.0
1 652.530
1 638.500
1 652.530
1 638.500
进口节点
2
2 082.0
1 662.353
1 631.845
1 661.549
1 632.162
3
4 184.0
1 669.985
1 625.386
1 667.599
1 626.171
4
8 246.0
1 675.922
1 619.877
1 672.835
1 620.381
5
8 328.0
1 681.108
1 614.336
1 677.822
1 614.716
6
10 410.0
1 688.211
1 609.219
1 682.254
1 609.188
7[1] [2] [3] [4] 下一页
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
