周公宅水库工程新设计：取消引水调压室的引水发电系统

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：按规范要求，当水道水力惯性时间常数大于2~4s时应设置调压室，周公宅水库工程在初设阶段设置了引水调压室，招标、技施阶段通过对发电引水系统布置及调保参数优化，在过渡过程计算和运行条件分析的基础上，取消了引水调压室，取得了一定的效益。本文介绍了周公宅电站取消引水调压室的论证过程，供类似工程借鉴。发电引水系统取消调压室方案优化布置如图3所示。

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院吕慷冯仕能张盛初胡万飞###。

【摘要】按规范要求，当水道水力惯性时间常数大于2~4s时应设置调压室，周公宅水库工程在初设阶段设置了引水调压室，招标、技施阶段通过对发电引水系统布置及调保参数优化，在过渡过程计算和运行条件分析的基础上，取消了引水调压室，取得了一定的效益。本文介绍了周公宅电站取消引水调压室的论证过程，供类似工程借鉴。

水道系统设置引水调压室的目的是截断沿压力管道向上游传播的水锤波，使上游引水隧洞不受或少受水锤压力变化的影响，同时减少压力管道的水锤压力升高，改善机组运行条件和供电质量。对于一些处于调压室设置临界状态的电站而言，从施工、投资、环保、运行条件考虑，是否设置调压室是一个需要认真考虑和加以研究的问题。

周公宅水库位于宁波市鄞县大皎溪皎口水库上游15km，水库总库容1.12亿m³，是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程，电站装机容量12.6（2×6.3）MW。引水发电系统采用常规引水式地面厂房的布置格局，发电引水系统按一洞二机布置在右岸山体中，由进水口、引水隧洞、引水调压室、高压管道等组成。引水隧洞纵向一坡到底，平均坡度4.791%，开挖断面为圆形平底型，初步设计阶段开挖洞径3.6m，衬砌支护形式视不同地质条件分不衬砌、喷锚支护和钢筋混凝土衬砌三种。电站压力引水道总长1625.7m（进水口至蜗壳进口），额定水头为108.0m，具有长隧洞、水头高的特征。从有利于电站的安全稳定运行角度出发，初步设计阶段设置了引水调压室。调压室位于厂房后山坡山脊梁附近，采用阻抗式加扩大上室形式，离机组中心线262.0m。调压室阻抗孔直径2.2m.竖井直径4.0m，上室直径7m，调压室总高度达139m。发电引水系统布置如图1所示。

图1 初步设计阶段引水发电系统布置###。

由于本工程调压室高度高，直径小，施工有一定的难度，加之业主征地以及环保方面的问题，考虑类似工程有不设置引水调压室的成功先例，招标设计阶段取消引水调压室的论证工作提上议事日程。取消调压室是否可行，须从优化发电引水系统布置着手，通过机组调节保证计算和小波动稳定性分析，进行技术经济综合论证。

按初步设计阶段布置，压力水道中水流惯性时间常数TW为2.87s，介于《水电站调压室设计规范》（DL/T 5058-1996）规定的允许值2s~4s之间。根据机组资料计算机组惯性时间常数Ta=5.636s，由图2—Tw、Ta与调速性能关系图上可以判断如周公宅水电站不设置调压室隧洞，机组调速性能处在较好与差的区域之间。（对应于图中A点）。

图2 Tw、Ta与调速性能关系图###。

根据《水电站机电设计规范》第4.4节“调速系统及调节保证”中的要求，电站最大转速上升率宜小于60%，机组甩负荷时的蜗壳最大压力上升率宜为30%左右。当超过上述值时，应进行技术经济比较.研究改变发电引水系统管道布置，增加转动惯量或设置调压室等措施，以合理控制压力上升率和转速上升率。

在不设置调压室、隧洞洞径3.6m、GD²=24tm²条件下，按优化的导叶关闭规律（Ts=6s+14s）进行计算，蜗壳进口最大动水压力达210.8m.相应上升率达到58.5%，机组最大转速上升率约为58%。蜗壳最大压力上升率与机组最大转速上升率均较大。

综合以上因素，初步设计阶段考虑设置引水调压室以利于电站的安全稳定运行，该方案蜗壳进口最大动水压力为154.3m，相应压力上升率为16.0%，机组最大转速上升率为41.7%。

引水调压室取消后，针对机组调速性能变差、蜗壳进口最大内水压力高的情况，考虑适当扩大引水隧洞洞径以降低引水发电系统的∑LV值和水流惯性时间常数，控制水击压力。当引水隧洞开挖洞径扩大为4m时，Tw为2.422s，从图1可知，机组调速性能有明显改善（对应于图中的B点）。发电引水系统取消调压室方案优化布置如图3所示。

图3 取消调压室后引水发电系统布置###。

周公宅水电站引水系统按一洞两机布置，共一个水力单元，包括：一条引水隧洞，一条压力主管，两条压力支管，两台混流式水轮发电机组，两条尾水管。经分析确定机组调保计算控制条件为：机组最大转速上升率（βmax≤60%；尾水管进口最小压力＞-8m。导叶关闭规律采用两段6s+14s折线关闭规律，拐点04。

计算表明，取消调压室后的优化方案，在所有工况中，机组最大转速升高为57.4%；蜗壳进口最大动水压力为193.44m，与蜗壳进口初始压力比，压力上升率为45.4%（见图4）；尾水管最大真空度为4.185m。蜗壳进口最大压力上升率在单纯优化关闭规律的基础上又得到进一步改善，虽然超过了规范要求，但最大动水压力已经控制在200m水头以下，引水钢管和机组承压水头从原来设置引水调压室的154.3m提高到193.4m，技术难度增幅不大，经济性指标影响有限。

图4 机组最大压力上升工况过渡过程图###。

考虑到实际施工时存在地质条件变化及施工质量波动等情况，还进行了过渡过程敏感性分析。分析主要考虑了两个因素：

（I）由于地质条件变化使不衬砌段和钢筋衬砌段长度发生变化。主要工况是假定不衬砌段长度分别变化+10%、-10%、-20%和-30%，砼衬砌段相应增减。

（2）由于开挖施工质量波动使不砌段和喷锚衬砌段糙率发生变化。主要工况是假定糙率分别变化-10%、+10%、+20%和+30%。

计算表明，随着不衬砌长度的减少，蜗壳最大压力和机组最大转速上升有加大的趋势；随着糙率的增大，机组最大转速上升有减少的趋势，蜗壳最大压力则以糙率增加20%工况为分界点上下波动，但其最大变化率不超过1.5%，说明过渡过程对上述因素的敏感性是很低的。

小波动稳定计算主要用来分析调节系统的稳定性和过渡过程动态品质，采用与大波动分析一样的非线性模型和算法。但与大波动过渡过程不同，除要考虑有压引水系统特性、水轮机特性和关闭规律等的影响外，小波动过渡过程还受负荷特性、调速器参数、水轮机的水流稳定性等因素的影响。本文研究了4种工况的小波动过渡过程：两台机同时带额定负荷，负荷自调整系数为零；两台机同时带额定负荷，负荷自调整系数为-1；一台机带额定负荷，一台机空载；一台机停机，一台机空载。对每一种工况采用3种水位组合，分别对应额定水头、上游正常蓄水位和死水位。对上述12种工况进行调速器参数优化计算，然后对采用优化参数的过渡过程进行分析，计算时对两台机带额定负荷情况同时施加10%额定负荷的减负荷扰动，对一台机空载的情况，仅对空载机组施加10%额定转速的增转速给定的扰动。计算中采用允许频率摆动单幅值为0.1Hz。

计算表明，只有在孤网带大负荷运行时存在不稳定性，本工程的机组是并网运行，不存在这种工况；而在一台机空载时，调节系统的稳定性和动态特性相对比较好，如在现场没有其它干扰因素，调速器参数整定适当，机组空载顺利并网是完全可以实现的。

除了用上述调速器参数优化分析调节系统稳定性外，通常还采用绘制调节系统稳定域的方法来进一步确认调节系统的稳定性。其结果与调速器参数优化计算结果相近。

已经投运的广东八乡水电站有压输水管道长达2.8km，额定水头162m，水轮机单机容量6.32MW，使用微机型调速器，引水发电系统未设调压室，其水道系统水流惯性时间常数Tw=4.736s，机组惯性时间常数Ta=8.535s，Tw/Ta=0.555，从指标上看，Tw和Twrra均超过调速器国标规定。该电站1998年投运后，使用过手动准同期和自动准同期，运行正常，运行人员没有感到并网困难。相比而言周公宅水库工程水道系统的特征参数较八乡水电站更有余地，电站的安全运行应有保证。

根据机组调保计算成果，取消调压室方案蜗壳进口最大动水压力为193.44m，引水隧洞在原调压室处的最大内水压力为184.8m，压力管道钢衬起点最大内水压力为187.5m。经结构计算，选定方案（D=4.0m）压力钢管主管最大壁厚为18mm，钢岔管壁厚为24mm。虽然取消调压室方案蜗壳进口最大压力较设调压室方案增大，但总体上仍可以节省工程投资约111.30万元，经济效益较明显。

电站发电引水系统于2003年10月开工，引水隧洞土建工程已于2006年5基本完工，电站已通过蓄水安全检查。2006年7月9日完成空载扰动试验和两台机并网带负荷试验。2007月6月7日，在水库水位约为217.37m，毛水头约为110m时，完成了两台机联合甩满负荷试验，各试验结果见表1、表2及表3。

表1 导叶关闭规律实际整定值###。

表2 机组空载扰动试验###。

表3 甩满负荷记录###。

从机组空载扰动试验以及并网情况看，机组小波动情况较为稳定，实现顺利并网。从二台机甩满负荷实测结果对比理论计算成果表明，实测的转速上升率、压力上升率均控制在取消调压井后的设计计算值范围内，并还有一定裕度。

周公宅水电站引水系统取消引水调压室后，通过适当扩大隧洞洞径等优化设计，从机组运行及二台机甩满负荷实测结果表明，在所有工况中，电站大波动特性均控制在设计计算值范围内，并网运行时小波动稳定性也满足运行要求。

发电引水系统隧洞施工质量及调速器的设备选择均满足了设计要求。

调压室取消后，工程直接投资减少约111.30万元，还能节省运行管理成本，经济效益较明显。同时避免了因施工引起的水土流失，对环境保护有一定的积极意义。

周公宅水电站经技术和经济比较，取消了引水隧洞调压室，在国内同类型电站中又产生了一成功的典例，值得进一步推广应用。

1.周公宅工程发电引水系统取消调压井方案优化设计报告，华东院，2003年

2.周公宅工程发电引水系统取消调压井方案小波动稳定性分析报告，沈祖怡，河海大学，2003年