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  摘 要：對于長引水式水電站，為保證電站引水發(fā)電系統(tǒng)及機(jī)組的安全，滿足調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求，需采取調(diào)節(jié)保證措施。常用的調(diào)節(jié)保證措施為設(shè)置調(diào)壓井，部分中小型電站由于地形、地質(zhì)條件的限制，選擇采用調(diào)壓閥作為電站調(diào)節(jié)保證措施。針對印尼某水電站的工程實(shí)例，根據(jù)電站的地質(zhì)條件、樞紐布置、引水發(fā)電系統(tǒng)布置及機(jī)組參數(shù)，結(jié)合電站的實(shí)際情況，對該電站的調(diào)節(jié)保證措施選擇進(jìn)行了比較分析和研究。

 

 

1 概述

1.1 工程概況

印尼某水電站位于蘇門答臘島北蘇門答臘省境內(nèi)Batang Toru河中游河段，電站的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，采用引水式開發(fā)。水庫正常蓄水位682.8 m，相應(yīng)庫容60.2萬m 3 ，死水位680.8 m，水庫無調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)兩臺(tái)，總裝機(jī)容量32 MW，樞紐由堆石混凝土重力壩、開敞式自由溢流堰、右岸引水系統(tǒng)和地面廠房等建筑物組成。

 

1.2 電站基本參數(shù)

電站基本參數(shù)如表1所示。

 

1.3 電站引水發(fā)電系統(tǒng)概況

電站裝設(shè)兩臺(tái)單機(jī)容量為16 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方式為“一洞一管兩機(jī)”[1] 。引水系統(tǒng)由壩身進(jìn)水口、壩后明管、前部引水隧洞、中部淺埋管、后部引水隧洞、壓力鋼管段組成。引水線路總長967.1 m，其中壩后明管段長50.62 m，前部引水隧洞328.83 m，中部淺埋管120.77 m，后部引水隧洞335.51 m（明管—后部引水隧洞內(nèi)徑為4.8 m）。壓力鋼管主管長100.5 m，直徑4 m，壓力鋼管支管長18.5 m，管徑2.9 m。兩臺(tái)機(jī)引水系統(tǒng)管徑和長度相同，引水系統(tǒng)示意簡圖如圖1所示。

 

2 電站調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)初步分析

根據(jù)NB/T 35021—2014《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定 [2] ，基于水道特性設(shè)置上游調(diào)壓室的條件按如下公式判別，式中：T w 為壓力管道中水流慣性時(shí)間常數(shù)；[T w ]為T w的允許值，一般取2～4 s；L i 為壓力管道及蝸殼各段的長度；v i 為各管段內(nèi)相應(yīng)的平均流速；g為重力加速度；H p 為設(shè)計(jì)水頭。

 

該電站壓力管道水流慣性時(shí)間常數(shù)T w 值為9.18 s，大于規(guī)范的允許值4 s，根據(jù)規(guī)范要求需設(shè)置上游調(diào)壓室。除設(shè)置調(diào)壓室外，部分中小型電站由于地形、地質(zhì)條件的限制，選擇采用調(diào)壓閥作為電站調(diào)節(jié)保證措施，根據(jù)GB 50071—2014《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[3] 中第6.2.4條“當(dāng)壓力升高率保證值和轉(zhuǎn)速升高率保證值不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采取下列措施”的第3條為“設(shè)置調(diào)壓閥”。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目的工程實(shí)際、樞紐布置及地形、地質(zhì)條件，針對調(diào)壓井和調(diào)壓閥兩種調(diào)節(jié)

保證措施進(jìn)行進(jìn)一步分析。

 

3 電站調(diào)節(jié)保證措施對比分析

3.1 技術(shù)可行性對比

3.1.1 調(diào)壓井方案

調(diào)壓井利用擴(kuò)大了的斷面和自由水面反射水擊波的特點(diǎn)，將有壓引水道分成兩段：上游段為有壓引水隧洞，下游段為壓力鋼管。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，由于引水隧洞和調(diào)壓井存在摩阻，通過引水隧洞和調(diào)壓井中水體的往復(fù)波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)水體的能量會(huì)被逐漸消耗，波動(dòng)也就逐漸衰減，最后波動(dòng)停止。調(diào)壓井方案的主要優(yōu)點(diǎn)：1）調(diào)壓井能有效縮短壓力管道的長度，減少水錘壓力值。調(diào)壓井上游段可大幅減小水錘壓力的影響；調(diào)壓井下游段壓力管道，由于縮短了水錘波傳遞的路程，從而減小了壓力管道中的水錘壓力值，改善了機(jī)組運(yùn)行條件及供電質(zhì)量。2）調(diào)壓井調(diào)壓原理簡單直接、調(diào)節(jié)性能好，能夠比較全面地解決水力過渡過程問題，在大、小波動(dòng)中都能發(fā)揮有效作用。當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)輕微變化時(shí)，能迅速消除波動(dòng)、恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)較大變化時(shí)，波動(dòng)迅速衰減，水面振動(dòng)幅度減小。3）調(diào)壓井運(yùn)行方便，且調(diào)節(jié)性能基本不隨電站運(yùn)行時(shí)間的增加而變化，可靠性較高。4）調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡單，日常運(yùn)行維護(hù)簡單。調(diào)壓井采用筋混凝土澆筑，管理上較為簡單，日常僅需巡視檢查即可，維護(hù)流程簡單。5）調(diào)壓井耐久性好。調(diào)壓井采用鋼筋混凝土澆筑，一般調(diào)壓室的設(shè)計(jì)年限為50年，設(shè)計(jì)年限內(nèi)只需簡單檢修維護(hù)即可長期使用。

 

調(diào)壓井方案的主要缺點(diǎn)：1）調(diào)壓井受地質(zhì)、地形條件制約大，部分電站由于地質(zhì)和地形條件限制，無法設(shè)置調(diào)壓井。2）調(diào)壓井土建工程量大，投資較高。

3）調(diào)壓井施工組織較復(fù)雜，需布設(shè)調(diào)壓井施工道路，增加征地，導(dǎo)致投資增加。4）調(diào)壓井施工工期較長，影響總工期。

 

本工程所在地印尼蘇門答臘島，位于板塊交界處，地質(zhì)情況復(fù)雜，鄰接構(gòu)造活躍區(qū)域，受地震和火山作用頻繁。經(jīng)地質(zhì)勘測分析，工程所在地地質(zhì)條件差，引水隧洞均為V類圍巖，圍巖極不穩(wěn)定，成洞條件差，存在漏頂和沿裂隙涌水問題，開挖支護(hù)成洞風(fēng)險(xiǎn)高，成井條件差，因此設(shè)置調(diào)壓井存在一定制約因素，導(dǎo)致投資和成本增加。

 

3.1.2 調(diào)壓閥方案

采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井的方案，在機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí)，通過開啟調(diào)壓閥引導(dǎo)一部分流量直接進(jìn)入尾水中，從而控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升和引水管道的壓力上升 [4] 。

 

調(diào)壓閥方案的主要優(yōu)點(diǎn)：

1）調(diào)壓閥的布置受地形、地質(zhì)條件及施工難度的制約較小 [5] 。調(diào)壓閥一般布置在電站廠房內(nèi)機(jī)組前壓力鋼管或蝸殼處，相比于設(shè)置調(diào)壓井，調(diào)壓閥的布置受電站當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)條件及施工難度的制約較小。

2）節(jié)約投資。由于調(diào)壓井土建工程量較大，土建投資較高，而調(diào)壓閥方案僅增加調(diào)壓閥及其附屬設(shè)備的投資，廠房尺寸只稍微增大，對土建投資影響不大，因此采用調(diào)壓閥能節(jié)約投資。

3）施工組織簡單，對工程總工期幾乎無影響。調(diào)壓閥方案僅涉及電站廠房內(nèi)相關(guān)設(shè)備的安裝及調(diào)試，基本無須增加額外的施工設(shè)施，且不影響工程的總工期。

 

調(diào)壓閥方案的主要缺點(diǎn)：

1）可靠性較調(diào)壓井低。調(diào)壓井為水工建筑物，結(jié)構(gòu)及調(diào)壓原理簡單直接，可靠性較高。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)制造水平有所提高，但調(diào)壓閥本質(zhì)上為液壓機(jī)械設(shè)備，理論上仍存在發(fā)生故障而拒動(dòng)的概率。

 

當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷緊急停機(jī)時(shí)，如調(diào)壓閥因故障拒動(dòng)，雖然通過導(dǎo)葉慢關(guān)，蝸殼的壓力上升能控制在調(diào)節(jié)保證控制值內(nèi)，但機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速上升率仍較高。雖然根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速不應(yīng)產(chǎn)生有害變形和結(jié)構(gòu)性損傷，但機(jī)組超過額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的離心力成倍增長，仍會(huì)增大機(jī)組產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷的隱患。

2）響應(yīng)速度較慢，調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，運(yùn)行靈活性下降。采用調(diào)壓閥方案，雖解決了機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)壓力上升及轉(zhuǎn)速上升的問題，但機(jī)組正常開關(guān)機(jī)及增減負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥不動(dòng)作，因此本質(zhì)上并未改變引水系統(tǒng)管道的特性。相比設(shè)置調(diào)壓井的方案，電站開關(guān)機(jī)及增減負(fù)荷都需要更長的時(shí)間，導(dǎo)致電站的響應(yīng)速度較慢，運(yùn)行靈活性下降。

3）增加運(yùn)行、檢修、維護(hù)工作量。調(diào)壓閥作為保證電站安全的重要設(shè)備，需對其進(jìn)行定期的檢修及維護(hù)以保證調(diào)壓閥正常工作，因此電站運(yùn)行、檢修及維護(hù)的工作量會(huì)增加。

 

3.2 經(jīng)濟(jì)性對比

3.2.1 調(diào)壓井方案

調(diào)壓井方案投資主要涉及調(diào)壓井單體建筑、施工輔助道路及征地。調(diào)壓井單體建筑物工程量如表2所示，投資1 680.18萬元。

調(diào)壓井需布設(shè)施工便道600余m，按56萬元/km，施工便道增加投資33.6萬元。調(diào)壓井井筒及施工便道合計(jì)新增占地約3 333 m 2（5畝），征地費(fèi)用按每667 m 2 （1畝）地4萬元計(jì)列，新增征地費(fèi)用20萬元。調(diào)壓井方案合計(jì)工程投資1 733.78萬元。

 

3.2.2 調(diào)壓閥方案

采用調(diào)壓閥方案會(huì)主要增加如下幾個(gè)方面的投資：

1）調(diào)壓閥投資。每臺(tái)調(diào)壓閥設(shè)備的總投資約為150萬元（含設(shè)備本體投資、備品備件、運(yùn)費(fèi)、稅費(fèi)、設(shè)備安裝費(fèi)及初估的運(yùn)行檢修維護(hù)費(fèi)用），該電站共需兩臺(tái)套調(diào)壓閥，共計(jì)300萬元。

2）廠房尺寸增加的投資。根據(jù)樞紐布置成果，不設(shè)調(diào)壓閥方案廠房尺寸為46.5 m×30.5 m×32.2 m（長×寬×高），根據(jù)調(diào)壓閥的廠房布置，增加調(diào)壓閥后，廠房尺寸為47.5 m×32.5 m×32.2 m（長×寬×高），廠房跨度增加2 m，長度增加1 m，相應(yīng)工程量及投資增加如表3所示。調(diào)壓閥方案發(fā)電廠房投資較調(diào)壓井方案增加310.67萬元。

3）廠內(nèi)起重設(shè)備的投資增加。不設(shè)調(diào)壓閥方案初選廠內(nèi)起重設(shè)備為額定起重量為100/20 t的單小車橋機(jī)，跨度為16 m，由于設(shè)調(diào)壓閥后廠房跨度增加，橋機(jī)跨度由16 m增加至18 m，橋機(jī)重量增加約6 t，設(shè)備投資增加約20萬元。

根據(jù)以上匡算，調(diào)壓閥方案共需增加投資約630.67萬元。

 

4 調(diào)節(jié)保證措施對比分析結(jié)論

經(jīng)對兩種調(diào)節(jié)保證措施方案進(jìn)行對比分析，結(jié)合電站實(shí)際情況，主要結(jié)論如下：

1）設(shè)置調(diào)壓井為最常見的調(diào)節(jié)保證措施，有豐富的工程實(shí)踐，技術(shù)成熟、可靠性高，調(diào)節(jié)效果明顯，且運(yùn)行、檢修及維護(hù)的成本較低。但土建投資相對較高，且受地形、地質(zhì)及施工條件的影響較大。

2）調(diào)壓閥的設(shè)置受地形、地質(zhì)條件的制約較小，布置靈活，投資相對較低，雖然調(diào)節(jié)可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)較調(diào)壓井方案差，但經(jīng)復(fù)核計(jì)算滿足保證電站引水發(fā)電系統(tǒng)及機(jī)組安全的要求。

3）該電站地質(zhì)條件較差，圍巖極不穩(wěn)定，成洞條件差，且調(diào)壓井井筒直徑為12 m，存在漏頂和沿裂隙涌水問題，開挖支護(hù)成洞風(fēng)險(xiǎn)高，成井條件差，經(jīng)分析計(jì)算，設(shè)置調(diào)壓井投資比設(shè)置調(diào)壓閥高1 103.11萬元，且調(diào)壓井占用關(guān)鍵工期，使得總工期增加。經(jīng)綜合比較，結(jié)合電站的實(shí)際情況，該電站調(diào)節(jié)保證選擇采用調(diào)壓閥方案。