大渡河丹巴水电站上游调压室水力学研究.pdf

'2010年第10期东北水利水电水利科研【文章编号】10o2—0624(2010)10—0055—03大渡河丹巴水电站上游调压室水力学研究姜女宏军午(华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)【摘要]大渡河丹巴水电站调压室托马稳定断面面积大、涌波振幅大、波动衰减时间长、同一水力单元的相邻机组水力干扰情况严重。通过研究，明确了调压室小波动稳定性的控制标准、托马稳定断面的主要影响因素、研究了不同调压室布置方案在抑制涌波振幅、加速涌波衰减时间、相邻机组水力干扰程度等方面的差别，初步确定了调压室布置方案及机组运行方式。[关键词]丹巴水电站；调压室；托马稳定断面面积；涌波；涌波周期衰减度；负荷扰动量；水力干扰[中图分类号]Tv13[文献标识码]A1工程概况压室的稳定断面面积进行详细的数值仿真模型计算，若不能减小调压室稳定断面面积，需进一步研丹巴水电站位于大渡河上游河段丹巴县境究多调压室组合方式、所需总面积、抑制涌浪振幅内，是干流梯级规划22个梯级水电站中的第8个及共一调压室两机问的水力干扰情况，最终确定水电站，上接巴底水电站，下临猴子岩水电站。根合适的多调压室布置方式。据规划阶段前期的设计成果，工程坝址位于丹巴县境内水卡子沟下游400m处，坝址以上集水面3调压室稳定断面面积研究积为42844kmz，多年平均流量为573m3／$，水库3．1面积的控制标准正常蓄水位2040m，死水位2035m，调节库容调压室的面积要满足机组负荷扰动量发生一0．4亿m3，具有日调节性能。工程采用混合式开定变化时产生的调压室涌波是衰减的，即通常所发，拦河坝为砾石土心墙堆石坝，引水系统总长约说的小波动稳定性。采用解析公式计算调压室稳17km，布置在大渡河左岸山体中，为两洞4机布定断面面积常用托马公式，采用数值仿真模型计置，2机共用一个圆形阻抗式上游调压室，尾部地算时，可以用涌波周期衰减度来衡量调压室面积是下厂房在小金河右岸的山体内，尾水系统为单洞否满足小波动稳定性要求，涌波周期衰减度的定单机布置，电站总装机容量1560Mw。义为：2研究思路涌波周期衰减度=f第1周期涌波振幅一第2周期涌波振幅)／第1周期涌波振幅规划阶段前期的设计成果为：引水隧洞直径12．5针对不同型式的调压室，满足小波动稳定性m、长约17km，水轮机额定水头163m、额定流量的机组负荷扰动量及涌波周期衰减度也不同，具268rn3／s、发电机单机容量390Mw。体见表1。根据规范公式【l】计算，上游调压室托马临界稳3．2单一调压室稳定断面面积计算定断面面积接近1000m2，而调压室内还需布置因本工程引水隧洞长约17km，上游调压室涌事故闸门，实际开挖断面还需增大。调压室区域处波振幅大，波动周期长，因此简单式调压室型式不于二云片岩软岩区，如此大规模的开挖断面施工适合该工程，只对阻抗式调压室和差动式调压室难度非常大，围岩稳定问题突出。因此有必要对调·55· 水利科研东北水利水电2010年第10期表l不同型式调压室稳定性控制标准阻抗式调压室为例对以上主要影响因素进行分析、数值计算：1)理论研究证明：当电站容量小于电网容量的1／3时，任意小的调压室断面面积都能满足稳定要求，但对于骨干水电站和担任事故备用的抽水蓄能电站，在电网事故解列后很有可能独立运的稳定面积进行详细的数值计算。行，此时调压室水位波动稳定性、水轮机调节系统电站在孤网运行、且不考虑调压室底部流速的稳定性以及电站的调节品质必须在水电站设计头的影响时，数值计算结果为：阻抗式调压室所需中予以考虑，这两种电站的调压室面积应满足托稳定断面面积为1130m2，差动式调压室所需稳马稳定断面面积要求。定断面面积为1070m2。无论是阻抗式还是差压2)考虑井下流速头的影响后计算所需的上游式，随着负荷扰动量的减小，计算所得到的稳定断调压室稳定断面面积为1040m2，较不考虑时小面非常接近，在1100m2到1130m2之间，最后约8％。选取调压室的稳定断面面积为1100m2。3)将缓冲强度6￡值从O．8增加到1．6，调压室3．3多调压室稳定断面面积计算所需稳定断面只减9m2，将缓>中时间常数值从12S增加到24S，调压室所需稳定断面只减1Om2，调压室稳定断面面积数值计算结果，较解析而bt=1．6或Td=24s时的调速系统的品质已经非公式计算结果还稍大，因此需要研究多调压室的常差了。因此计算调压室稳定断面时不应考虑调布置形式，以减小调压室的开挖跨度。根据规范及速器的影响。教科书【2]的研究成果，多调压室总稳定断面面积随4)根据多个工程经验：在机组效率上升区域调压室间距的增加而增大，根据数值计算结果：由内所需稳定断面可以小于托马临界断面，在机组效于引水隧洞较长，多调压室间距在200m以内时，率基本平坦区域所需稳定断面与托马临界断面基调压室总稳定断面面积与单一调压室稳定断面面本相同，而在机组效率下降区域所需稳定断面则要积基本相同，随着调压室间距的增加调压室总面大于托马临界断面。丹巴工程的计算也证明了这积而增大，具体见图1。一点，当共一调压室的2台机组各带240Mw负g荷(额定负荷的61．5％)时，所需的调压室稳定断面暄不到750m2。因此机组效率特性对调压室稳定断旧塔面影响十分显著，不可忽视其影响；因混流式机组确的效率下降区一般在额定负荷的80％～85％以上，所以在研究分析调压室稳定性时，计算工况点选取应满足机组出力不小于额定出力85％的要求。图1调压室间距与所需稳足断面之间的关系4调压室布置方案初拟3．4调压室稳定断面的影响因素分析托马公式在推导过程中假定水电站孤立运通过调压室稳定断面面积研究，多调压室布行，调速器绝对灵敏能严格保持出力恒定，波动是置间距在200m以内时的总稳定断面面积与单调极微小的，且忽略机组效率的变化等。这些假定中压室相同，为减小在软岩区域开挖大跨度调压室忽略了一些对稳定不利的因素，如水轮机的效率、的施工难度，初拟两大井、两大井一小井和一大井尾水管和压力管道中水流的惯性等：也忽略了一两小井共三个阻抗式多调压室布置方案，各方案些对稳定有利的因素，如电网系统、引水道管壁和的调压室间通过上室相连，还能形成差动效应，加水体的弹性等。速涌波的衰减速度。一般认为托马公式忽略的主要因素有：电网单调压室方案：面积1100ms，阻抗孔面积42mz因素、调压室下流速头、调速器和水轮机特性，以，上室长162m，井底分出两条压力管道，井内·56· 2010年第10期东北水利水电水利科研布置闸门。表3不同调压室布置方案的涌波衰减度汇总表两大井方案：大井面积分别为610／490m：，阻调压室方案涌波衰减度／(％)抗孔面积分别为6／36m2，共用上室长162m，井单井43中心距离78m，后井底分岔且布置事故闸门。两大井58两大一小方案：大小井面积分别为450／450／两大一小58一大两小60200m2，阻抗孔面积分别为4／8／36m2，共用上室2222长162m，井中心距离77／75m，后井底分岔且布制涌波振幅、加速涌波衰减时间方面基本相同，但l∞99∞9∞置事故闸门。都明显优于单一阻抗式调压室方案。4883一大两小方案：大小井面积分别为610／245／6水力干扰研究245m2，阻抗孔面积分别为6／18／18m2，两小井布同一水力单元的2台机组，当其中1台发生置在引水隧洞岔管后的支洞上，共用上室长162负荷变化，必然影响调压室水位，进而对另1台机m，井中心距离75m，小井内布置事故闸门。组发生水力干扰，下面对此问题进行较详细的数对以上4个方案在涌波振幅、涌波衰减速度值分析计算。及水力干扰方面进行分析比较，确定合适的布置6．1频率调差方式运行方案。假定机组并大网运行，运行方式为频率调差5调压室涌波研究方式。因为这种假定方式最能反映机组间水力干5．1调压室涌波研究扰的严重程度，同时频率调差方式也是电站最普因4个调压室方案均为阻抗式，故只选取上遍采用的运行方式。涌波水位作为研究对象。以上下游均为最高发电当共一调压室的2台机额定出力运行，一台水位时，共一调压室2台机组同时甩全部负荷为机甩额定负荷对另1台的影响见表4。代表性工况，分别计算调压室上涌波，具体涌波水表4水力干扰情况汇总表位见表2。表2不同调压室布置方案的上涌波汇总表调压室方案上涌波／m单井两大井两大一小一大两小通过以上数值计算，不管哪种调压室布置方通过数值计算，所有的调压室组合方案在抑案，当机组采用频率调差方式运行时，两机间的水制上涌波方面，均优于等断面的单一阻抗式调压力干扰过于严重：两大井方案在第一周期转速收室方案，两大井方案与一大两小方案在抑制上涌敛度方面有较大优势，但收敛时间也长达近1h，波方面相同，两大一小方案抑制上涌波能力最强。单井的收敛时间更长。5．2调压室涌波衰减度研究6．2自动调功方式运行以共一调压室2台机组同时负荷扰动80Mw以两大井方案为例进行计算，自动调功条件为代表性工况，分别计算调压室涌波第一周期的下当1台机甩额定负荷时，对另1台机组的负荷衰减程度，具体见表3。偏离值为10MW，负荷偏差不到额定负荷的3‰通过数值计算，所有的调压室组合方案在加但后井的涌波收敛较慢，使被扰机组的负荷波动速涌波衰减时间方面基本相同，但都明显优于单收敛也较慢，长达1h时多。一阻抗式调压室方案。机组甩满负荷工况在实际运行中是很少发生5．3调压室涌波研究小结的，但机组正常调节负荷则是电站经常发生的工通过以上计算，所有的调压室组合方案在抑(下转第63页)·57· 2010年第10期东北水利水电水利科研和坡降约0．5~1．0，一般8～12h提高一次水头，待隔30～60min测读测压管水位，测量流量及水温。饱和水出现于试样下游面(出水面)时，视为达到仔细观察水面出现的多种现象，如水的浑浊程度、饱和，当试样饱和并在溢流口出现水流时，开始冒气泡、细颗粒的跳动、移动或被水流带出、土体试验。膨胀以至悬浮等，一并做好记录。素描出现异常的2)试验时的水力坡降由小到大，级差先小后位置，必要时应照相。卸样时要做好描述。大，逐级提高。6试验结果3)测试的时间间隔为0．5～4h，当测压管水位试验在无反滤压重，由下向上垂直渗透条件及渗流水量连续3次基本不变，且不出现新的泉下进行。渗透变形试验成果表明：眼和异常现象时视为稳定，稳定后抬高下一级水1)F1—1试样为岩体与断层泥接触带，在渗压头，直至试样破坏，试验结束。水作用下，首先失稳的是岩体裂隙中的自由颗粒，形5关键技术问题式为中刷，冲刷结果只是渗漏量略有增加，而不影响1)现场切取原状试样是关键技术问题，试样岩体稳定。失稳的是断层泥，其破坏形式为流土。体积大，断层带破碎，取样方法稍有差错，试样即2)F1—2试样为岩体与断层泥接触带，岩体部散，这样既浪费时间又会延误工期。因此解决这分用水泥砂浆封闭，岩土界面之间未见中刷现象，一问题，有经验专业技术人员必须到场亲自取样，两者同时在水压作用下，首先失稳的是断层泥而以保证试验顺利进行。不是岩体，其破坏形式为流土。2)试验过程时间长、必须连续不得间断，按排3)F1—3试样为断层泥，为流土破坏。好试验人员三班倒，确保试验质量。3)试样饱和结束，从抬高第一级水头开始，每【收稿151期】2010-08-22(上接第57页)况。那么在1台机组大幅度调负荷时，对另1台机量水电站，调压室托马稳定断面面积大、涌波振幅组会产生怎样的水力干扰呢?假定一台机组用60大、波动衰减时间长、同一水力单元的相邻机组水s的时间从额定负荷减到空载，另1台机组最大负力干扰严重情况为其它工程所不多见。通过本阶荷偏离值只有约3MW，不到1％，但后井涌波收段的研究，确定了调压室小波动稳定性的控制标敛仍较慢，时间也近1h。准，研究了托马稳定断面的主要影响因素，明确了在调压室总稳定断面不变的前提下，加快涌多调压室布置方案较单一调压室布置方案在抑制波哀减时间的唯一办法是进一步减小前井阻抗孔涌波振幅、加速涌波衰减时间方面均有较大优势，的面积。计算表明，将前井阻抗孔面积由6m2减考虑软岩区大跨度地下洞室的围岩稳定性及工程至4m：，调压室水位波动衰减速度增快约一倍。投资，二大井调压室布置方案更具优势；通过水力6．3水力干扰研究小结干扰研究，也明确了较优的机组运行方式。综合比较，各调压室布置方案间在负荷、水头[参考文献]和转速最大偏离值方面基本相同，但多井布置方[1]DL／T5058-1996(水电站调压室设计规范>[S]．北京：案在转速收敛度方面有较大优势。机组的并网运中国电力出版社，1997．行方式对机组问的水力干扰有重大影响，采用自[2]刘启钊，彭守拙合编．水电站调压室[M]．北京：中国水动调功方式比采用频率调差方式在抗水力干扰的利电力出版社，】995，9．性能方面有很大的优势。7结论大渡河丹巴水电站为长引水、中低水头、大流【收稿日期】。1。一05—25·63·'