CN101178051A - 洞群差动式调压室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洞群差动式调压室。本发明所要解决的技术问题是提供一种以调压室群的形式解决超大规模的调压室布置及采用差动式调压室抑制涌浪振幅及加速涌浪波动衰减速度的洞群差动式调压室，以保证调压室结构的安全性，提高机组运行的稳定性和机组的供电质量。解决该问题的技术方案是：洞群差动式调压室，其特征在于在长引水隧洞末端串联布置2～4个较小规模的调压室群，并在调压室群间布置上室连通洞。本发明可用于水利水电工程。

Description

洞群差动式调压室

技术领域

本发明涉及一种洞群差动式调压室。适用于水利水电工程。

背景技术

目前我国为保护环境正在加大力度进行绿色能源开发，其中水利水电工程作为绿色可再生能源成为国家优先发展的方向，一大批水利水电工程相继开发，其中许多中低水头、大流量的长引水发电工程也相继进入设计、施工阶段。为保证机组的正常稳定运行及供电质量，要求调压室满足托马稳定断面，对于中低水头、大流量的水电站需要的托马稳定断面很大，有些工程接近2000m²，如此大规模的单个调压室布置成开敞地面式在结构方面存在许多问题，所以一般布置成地下式。这种超大规模的地下式调压室受结构尺寸及地质条件的影响，常常很难布置成结构受力条件较优的圆形断面，一般布置成长廊形断面，且必须采取强大的支护措施保证围岩稳定。

目前国际及国内修建的长引水发电工程越来越多，长度也越来越长。国内长度超过10km的引水发电隧洞有福堂水电站、锦屏二级水电站、太平驿水电站等，其中最长的福堂水电站引水发电隧洞长为19.343km。这种长引水发电隧洞工程带来的最不利问题是调压室涌浪振幅大、涌浪波动衰减周期长，造成调压室高度增加、机组调速***长时间动作、对相邻机组的干扰较大、为避免调压室底部漏空而需要设置机组运行限制条件，影响机组的供电质量。

发明内容

本发明就是针对受地质条件、枢纽布置、水力学和机组运行稳定性等因素影响，无法布置单个大规模的上游调压室或下游调压室的水电工程，提供一种以调压室群的形式解决超大规模的调压室布置及采用差动式调压室抑制涌浪振幅及加速涌浪波动衰减速度的洞群差动式调压室，以保证调压室结构的安全性，提高机组运行的稳定性和机组的供电质量。

本发明的另一目的是为扩建工程原有调压室过小不能满足增加装机的要求，而需要增设新的调压室工程提供设计方法及依据，也为了减小调压室工程量，而利用已有的施工竖井或闸门井作为另一个调压室的工程提供了设计方法及依据。

本发明所采用的技术方案是：洞群差动式调压室，其特征在于在长引水隧洞末端串联布置2～4个较小规模的调压室群，并在调压室群间布置上室连通洞。

所述调压室群为串联布置的二个阻抗式地下式调压室。

所述调压室群的水平总面积应大于单调压室时的托马稳定断面面积。托马稳定断面定义为当水电站引水***设有调压室时，在不考虑电力***的情况下，电站机组运行的稳定性是由机组调节***和调压室的稳定断面面积来保证的，一般调压室断面面积越大，在电站机组出力受扰动的情况下，调压室内的水位波动越迅速衰减至稳定，反之则调压室内的水位波动衰减越慢，甚至不衰减而使得电站机组运行不稳定，其中确保调压室水力稳定性所需要的最小断面面积称为托马稳定断面。托马稳定断面公式如下：

$F>F_{\mathrm{Th}}=\frac{\mathrm{Lf}}{2\mathrm{\αg}(H_0-h_{\mathrm{\ω}0}-{3h}_{\mathrm{\ωm}})}$

式中：F——调压室托马稳定断面面积；

      F_th——托马临界稳定断面面积；

      L——引水道的长度；

      f——引水道断面面积；

      α——引水道的水头损失系数，α＝h_ω0/v₀ ²；

      H₀——上下游的静水头；

      h_ω0、h_ωm——对应于初始流量Q₀时的引水道和压力管道的水头损失。

在推导上述托马稳定条件公式时，引入了一些假定，即假定水电站孤立运行，调速器绝对灵敏能严格保持出力恒定，波动是极微小的，可使波动微分方程线性化，忽略机组效率的变化，忽略调压室底部的流速水头，忽略引水道管壁和水体的弹性等。上述托马稳定断面所要求的假定和公式称为托马条件。

两调压室总面积应大于单调压室托马稳定断面面积，且后调压室的面积在任何情况下都必须大于单调压室托马稳定断面面积的一半。

所述前调压室面积一般大于后调压室面积。

前、后调压室中心线间距约为3倍的前、后调压室平均开挖跨度。

在两调压室的底部设置阻抗孔，且两调压室阻抗孔总面积等于或略大于单调压室时的阻抗孔面积，在面积分配上，前调压室阻抗孔面积为后调压室阻抗孔面积的1/4～1/6。

本发明的有益效果是：1)对于中低水头、大流量的长引水发电工程，采用洞群差动式调压室可以使枢纽布置更加灵活、多样，解决了较差地质条件下修建大规模单一调压室的难题，有利于地下调压室的结构安全及围岩稳定，有利于抑制上、下涌浪，有利于加快调压室涌浪波动的衰减速度，减小共一调压室的机组间的相互影响，避免由于中低水头、大流量的长引水发电工程特点而设置机组运行限制条件，并提高机组的供电质量和电站运行调度灵活性；2)由于调压室群具有同时施工的条件，较单一大规模调压室可以加快施工进度，可提前发挥发电效益；3)解决了扩建工程中遇到的原有调压室过小不能满足增加装机的要求，而需要增设新的调压室的难题，可以利用已有的施工竖井或闸门井改建成另一个调压室，减小了建造调压室的工程量。

附图说明

图1是本发明实施例在长引水隧洞末端串联布置二个阻抗式地下式调压室的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，中低水头、大流量的长引水式水电站的调压室由于发电水头低、隧洞洞线长，因此具有托马稳定面积巨大，涌浪振幅大、涌浪波动衰减时间长的特点，当地质条件、枢纽布置等原因无法布置单个大规模调压室时，可以在长引水隧洞1末端串联布置2～4个较小规模的调压室群，调压室群间距离满足围岩稳定或枢纽布置要求，并在调压室群间布置上室连通洞，形成差动效应，达到抑制涌浪振幅、加速涌浪波动衰减的目的。

本实施例的调压室群为串联布置的二个阻抗式地下式调压室。第一步是要确定调压室群的面积，对于中低水头电站而言，调压室或调压室群的总水平断面面积是由机组小波动稳定运行的需要而决定的，单调压室***的调压室面积是要满足所谓的“托马条件”的，而有研究表明，当使用调压室群时，调压室群的水平总面积应大于单调压室时的托马稳定断面面积，当两调压室串联安排时，不但两调压室总面积要大于单调压室托马稳定断面面积，而且后调压室的面积在任何情况下都必须大于单调压室托马稳定断面面积的一半。

由于***方程过于复杂，解析法不得不对复杂的***作一些简化，而在一定的条件下这种简化是有可能引起错误的结论。而采用计算机程序在时间域或频率域内来求解和研究复杂的调压室***稳定性问题可以弥补这一不足。

用于频率域分析的图1所示的双调压室***可以用以下矩阵方程表达：

$\left[\begin{array}{ccccccccc}{T}_{e1}s+k1& & & 1& & & & & \\ & T_{e2}s+k2& & -1& 1& & & & \\ 1& -1& & T_{g1}s& & & & & \\ & 1& -1& & T_{g1}s& & & & \\ & & T_{w}s+k& & -1& 1& & & \\ & & 1& & & 1& -1& & \\ & & & & & & -1& T_{a}s& \\ & & & & & & & G\left(s\right)& 1\\ & & 1& & & -0.5& & & -Q_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}q1\\ q2\\ q\\ h_{s1}\\ h_{s2}\\ h\\ p\\ n\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

其中：

T_g1——前调压室容量时间常数

T_g2——后调压室容量时间常数

T_e1——隧洞1水流加速时间常数

T_e2——隧洞2水流加速时间常数

T_w——高压管水流加速时间常数

k₁——隧洞1阻尼系数

k₂——隧洞2阻尼系数

k——高压管阻尼系数

Q_y——水机运行点流量系数

T_a——机组惯性时间常数

G(s)——水机调速***传递函数

s——拉普拉斯算子

q1——隧洞1流量增量拉氏变换

q2——隧洞2流量增量拉氏变换

q——高压管流增量量拉氏变换

h_s1——前调压室水位增量拉氏变换

h_s2——后调压室水位增量拉氏变换

h——蜗壳压加增量拉氏变换

p——机组出力增量拉氏变换

n——机组转速增量拉氏变换

y——导叶开度增量拉氏变换

详细的时间域仿真计算表明，只要双调压室间的距离与主隧洞长度之比在五十分之一以下，双调压室的总断面(面积)就可以按单调压室考虑。就小波动稳定而言，双调压室之间的面积分配亦可任意。当然本发明的核心之一是要利用双调压室布置实现双调压室差动，以增强对大波动的衰减力度。从大波动衰减角度出发，在地质条件，施工等因素许可的条件下，应尽可能拉大两调压室面积差，一般是前调压室面积大，后调压室面积小，但也有限制，较小的调压室断面面积一般不应小于所联高压管道断面面积的总和，这一点与差动调压室升管断面选取的原则相同。

以上有关双调压室***稳定断面的讨论也适用于多调压室情况。

通过理论计算确定前、后调压室面积后应通过水力学过渡过程计算验证前、后调压室面积是否满足机组小波动稳定运行的要求。

第二，确定调压室群的间距，在工程上一般是根据地质条件、围岩特性及枢纽布置等因素，确定前、后调压室的间距，使围岩保持稳定、枢纽布置合理及保证结构安全。根据工程经验，前、后调压室中心线间距约为3倍的前、后调压室平均开挖跨度可以基本满足围岩稳定要求，但在进一步的设计过程中，需采用三维非线形有限元计算程序对前、后调压室间的围岩稳定及支护措施进行计算验证。在满足上述条件的前提下，前、后调压室间距应紧凑布置，有利于加快涌浪波动的衰减速度。

第三，确定调压室群的差动措施，使调压室群间产生差动效应的措施有两个：一是扩大后调压室3阻抗孔5面积、减小前调压室2阻抗孔面积，二是在调压室间布置上室连通洞4。先确定阻抗孔的面积，后调压室可利用闸门孔口6作为阻抗孔，与前调压室阻抗孔的面积之和需满足水锤波充分反射的要求，并且在布置时应可能加大前、后调压室阻抗孔的面积差，使水位波动过程中前、后调压室内水位差较大，增加通过上室连通洞4将后调压室3内的水体引至前调压室2跌落过程中造成较大的能量消耗。一般情况下按以下步骤决定与阻抗孔有关的参数，第一步要把后调压室3的面积初定下来，方法如前所述，如果后调压室面积选得较小，例如与所联高压管面积总合差不多，则不宜再人为地设阻抗孔，如果由于为了减小前调压室跨度，从而使用了较大的后调压室断面，则可适当设置阻抗孔，这时就应与前调压室阻抗孔面积一并考虑，前面已提到本发明在前后调压室距离的安排上应尽可能紧凑一些，也就是说距离一般不会很大，因此在阻抗孔面积初选时，可先用对于单一阻抗式调压室决定阻抗孔面积的办法，使两调压室阻抗孔总面积等于或略大于(例如大10％)单调压室时的阻抗孔面积。单调压室阻抗孔面积一般对于混凝士衬彻的隧洞，可初取隧洞面积的三分之一到一半。对于不衬彻隧洞，由于设计流速小，因此比例要小许多。在面积分配上，前调压室阻孔不应大于后调压室的三分之一，否则不会有足够的差动效应，一般可取到后调压室的四分之一到六分之一。以上原则只用于初选，最后都应通过过渡过程计算确定。

第四，上室连通洞的设置，上室连通洞4起到联系前、后两个调压室水力单元的作用，同时还起到增加调压室上部面积、削减高涌浪的作用。

上室连通洞的高程、断面积及坡度等布置应结合阻抗孔的布置，使后调压室内的最高涌浪、最低涌浪分别等于前调压室内的最高涌浪、最低涌浪。上室连通洞的后调压室一侧若使用溢流堰，溢流高程可比照设计差动式调压室升管溢流高程来决定，溢流堰下不要设回流孔。如果不设溢流堰，则可选底板高程略低于对应的溢流堰方案的溢流高程。当然无论是溢流高程还是底板高程，都应高于最高水库发电水位。

Claims (7)

1.一种洞群差动式调压室，其特征在于：在长引水隧洞(1)末端串联布置2～4个较小规模的调压室群，并在调压室群间布置上室连通洞(4)。

2.根据权利要求1所述的洞群差动式调压室，其特征在于：所述调压室群为串联布置的二个阻抗式地下式调压室。

3.根据权利要求1所述的洞群差动式调压室，其特征在于：所述调压室群的水平总面积应大于单调压室时的托马稳定断面面积。

4.根据权利要求2所述的洞群差动式调压室，其特征在于：两调压室总面积应大于单调压室托马稳定断面面积，且后调压室(3)的面积在任何情况下都必须大于单调压室托马稳定断面面积的一半。

5.根据权利要求2或4所述的洞群差动式调压室，其特征在于：所述前调压室(2)面积大于后调压室(3)面积。

6.根据权利要求2或4所述的洞群差动式调压室，其特征在于：前、后调压室中心线间距约为3倍的前、后调压室平均开挖跨度。

7.根据权利要求2或4所述的洞群差动式调压室，其特征在于：在两调压室的底部设置阻抗孔(5)，且两调压室阻抗孔总面积等于或略大于单调压室时的阻抗孔面积，在面积分配上，前调压室阻抗孔面积为后调压室阻抗孔面积的1/4～1/6。

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