侯爱宜，侯萌妮

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001；2.陕西省西安市户县水土保持局 陕西 西安 710001)

西花水电站调压室体型设计优化探讨

侯爱宜1，侯萌妮2

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001；2.陕西省西安市户县水土保持局 陕西 西安 710001)

调压室作为压力引水系统利用室内自由水面反射水锤波，限制水锤波进入引水道，减小压力水管及水轮机的水锤压力。改善水轮机在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。其体型尺寸确定的是否合适对压力引水系统以后运行的稳定性影响很大，西花水电站在调压室设计过程中采用解析法初步确定调压室体型尺寸后并委托科研单位对引水系统进行了水力过渡过程计算，进一步优化了调压室的体型尺寸。

西花水电站；调压室；涌浪计算；水力过渡

1 工程概况

西花水电站位于陕西省佛坪县境内的金水河支流—西河上，位于西河与康家沟汇合口上游约500 m的西河峡谷段，山体较雄厚，河谷呈“V”型，谷底宽约20 m。

本电站为混合式开发电站，主要任务是发电，主要建筑物由泄洪冲沙闸、排冰闸、挡水坝、引水建筑物、发电厂房及开关站组成。电站设计水头230.00 m，设计引用流量13.371 m3/s，电站总装机容量28.053 MW，多年平均发电量约7 527万 kW·h，年利用小时数2 683 h。工程规模为四等小(1)型工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。

引水建筑物布置在西河河道左岸，由进水口、引水发电洞、调压室、压力管道四部分组成。洞身段长度9 130.396 m，进口底板高程972 m ，出口底板高程943.00 m，断面为圆形，直径为2.7 m，衬砌段采用全断面30 cm厚C25钢筋砼，锚喷支护段洞径3.4 m，采用厚8 cmC20砼喷护，底板采用30 cm厚C20砼护底。调压室采用圆筒阻抗式高程1 004.00至高程1 020.00段为上室，内径D=12 m，竖井高度16 m；高程1 004.00至高程944.9段为竖井段，内径D=5 m，高度59.1 m，阻抗孔内径D=1.5 m，高0.8 m。调压室下游侧与压力钢管相接，压力钢管主管内径1.9 m，岔支管段由两个“卜”型岔管布置形式，分别与厂房3台机组连接。

2 调压室设置的必要性

根据《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058—1996)设置上游调压室的条件为：

式中： Tw为压力水道中水流惯性时间常数(s)；Li为压力水道及蜗壳和尾水管各分段的长度(m)；Vi为各分段内相应的流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；Hp为设计水头，262 m；[Tw]为TW的允许值，规范取值2～4 s。

经计算，水流惯性时间常数8.43 s，远大于规范规定的允许值2～4 s，因此本工程压力引水系统中必须设置调压室。

3 稳定断面计算

经方案比选后推荐采用圆筒阻抗式调压室。

依据《水电站调压室设计规范》(DL/T 5058—1996)，调压室小波动稳定断面面积按托马准则计算并乘以系数K确定。

式中：Ath为托马临界稳定断面面积，m2；K为系数，一般可采用1.0～1.1；取1.1；L为压力引水道长度，取9 130.396 m；A1为压力引水道断面面积，取2.835 m2；H0为发电最小静水头，取212.0 m；α为自水库至调压室水头损失系数，取2.21 s2/m；hw0为压力引水道水头损失，取14.588 m；hwm为压力管道水头损失， 取12.319 m。

注：式中各项水头损失值均取自有压引水隧洞及压力钢管部分的计算结果，求得所需稳定断面面积A=19.635 m2。反算井筒直径D=5.0 m。

西花电站总装机容量28.053 MW，多年平均发电量约7 527万 kW·h，年利用小时数2 683 h。本电站在电网中所占比例远小于1/3，且不承担系统调频任务，其小波动稳定性可由系统中的其它机组来保证。故调压室的稳定断面可不以小波动的稳定要求来控制。

本工程调压室竖井断面尺寸以调压室涌波作为控制。经计算，调压室竖井井筒直径取D=5 m，断面积为19.625 m2；上室圆筒直径取D=12 m，断面积为113.04 m2。

4 调压室涌波计算及体型尺寸优化

4.1 初设阶段

根据本工程设计水头高的特点，同时为了方便施工，选定调压室型式为带上室的圆筒阻抗式。本工程初步设计阶段采用解析法分别计算最高涌浪和最低涌浪。

最高涌波：上游库水位处于正常工作水位(正常蓄水位)，共用同一调压室的全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计工况；按上游库水位校核洪水位时，作为校核工况。计算出调压室最高涌波水位。

最低涌波：上游水位处于最低工作水位时，2台机组处于满负荷状态，瞬时第3台机组投入运行至满发，计算出调压室最低涌波水位；并复核上游最低水位时全部机组瞬时丢弃全负荷时的第二振幅。计算结果见表1。

表1 调压室涌波计算条件及成果表

初设阶段调压室体型布置如下：井底高程944.900 m，井顶高程1 028.500 m，井高83.600 m。井内径：994.000 m高程以下5 m，井壁厚度0.5 m；994.000 m高程以上8 m，井壁厚度0.8 m做为上室高度为34.5 m。阻抗孔直径1.5 m。

表2 典型工况统计表 m

4.2 施工图阶段

施工图阶段考虑调压井过高结合施工方便将调压井向下游推移50 m，调压塔塔体平台由原有994.000 m高程变为1 004.000 m高程；上室尺寸由原有的圆筒直径8.0 m高度34.5 m改为圆筒直径12.0 m高度16.0 m。

根据电站的运行条件和要求分为常规、叠加、特殊三种情况下不同工况，取典型控制工况统计其工况统计表及调压室涌浪计算表分别见表2、表3。

表3 调压室最高、最低涌浪计算结果

通过对大小波动及导叶关闭规律的研究分析其调压室尺寸及涌浪计算研究结论如下：

(1)阻抗孔尺寸的选择是正确的，本电站阻抗孔尺寸不需要调整。如果阻抗孔过小，水击压力引起的最高测压管水位会超过调压室最高涌浪水位，就是发生所谓“水击穿透”现象；如阻抗孔过大，则没有明显的水击压力引起的测压管水位升高。

(2)调压室最高涌浪水位为1 017.505 m，发生在工况D5；调压室最低涌浪水位为951.4 m，发生在工况D6。

(3)施工图阶段调压室顶部高程为1 020.0 m，叠加工况调压室最高涌浪水位1 017.505 m，因此安全余量大于2 m，调压室顶部高程合适。调压室底部高程约为944.90 m，非组合工况调压室最低涌浪水位为954.760 m，组合工况调压室最低涌浪水位为951.400 m，因此有足够安全余量。

依据该计算研究结论，最终确定体型布置为将调压室的顶高程由1 028.50 m降至1 020.00 m。塔底高程由944.00 m抬高至1004.00 m，塔高由34.50 m降至16.00 m。塔内径：由D=8.00 m扩大为D=12.00 m，塔壁厚度由0.80 m 增至1.50 m。

5 结语

调压室为压力引水系统中的平水建筑物，其体型尺寸确定的是否合适对压力引水系统以后运行的稳定性影响很大，西花水电站在调压室设计过程中采用解析法初步确定调压室体型尺寸后又委托科研单位对压力引水系统进行了水力过渡过程计算，对调压室的体型尺寸进一步优化。优点主要表现为：(1)优化后水力过渡更为平稳，引水系统以后运行的稳定性增强；(2)使其井身高度降低8.5m结构安全性提高，大小波动下调压室内调幅更为快速；(3)阻抗孔底板所承受的正负压力值减小；(4)施工难度降低，为工程建成后的顺利运行奠定了基础。

2017-02-21

侯爱宜(1975-)，女，陕西西安人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

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1004-1184(2017)04-0095-02