非洲某水电站项目采用中国规范设计, 美标复核。该电站总装机容量2115MW, 年发电量6307GWh。工程枢纽主要由碾压混凝土重力坝 (主坝) 、坝身泄水建筑物、右岸引水系统及地面厂房等建筑物组成。
该电站引水系统采用一洞三机布置, 线路轴线平均长675m, 单机引用流量为235.56m3/s。引水系统由进水口、闸门井、引水隧洞、调压井及压力钢管等建筑物组成。按中国规范计算, 调压井采用阻抗式, 阻抗孔直径8.2m, 井筒直径22m, 总高度84m。
因为调压室判别计算需要引水系统流道特性参数, 所以需先复核引水系统水力学, 计算沿程水头损失和局部水头损失。
中国标准中, 沿程水头损失计算采用经验公式谢才-曼宁公式, 美国标准则使用达西-魏兹巴赫 (Darcy-Wiesbach) 的摩阻系数。对于局部水头损失计算, 中美标准规律公式基本一致, 影响因子基本相同。通过计算, 中国标准平均糙率时水头损失为9.067m, 美国标准糙度中等时水头损失为9.531m。
中国标准《水电站调压室设计规范》 (NB/T 35021-2014) 采用水流惯性时间常数 (Tw) 来判别是否设置上游调压室。具体公式如下:
式中:
Tw—压力水道的惯性时间常数, s;
Li—压力水道各段长度, m;
Vi—压力水道各段相应的流速, m/s;2
g—重力加速度, 9.81m/s2;
Hp—电站的设计水头;
[Tw]—Tw的允许值, 一般取2~4s。
美国标准《美国土木工程师学会水电工程设计导则》上游调压室判别公式如下。
式中:H——静水头;
L、V——分别为压力引水道长度和对应流速;
Tw——压力管道中水流惯性时间常数, s;
[Tw]——Tw的允许值, 建议大于2.5s时调整引水结构;
根据中国标准《水电站调压室设计规范》和《水轮机调速器与油压装置技术条件》的规定, 电站运行稳定性与水流惯性时间常数, 机组加速时间常数相关。即上游调压室需要采用水流惯性时间常数 (Tw) 与机组惯性时间常数 (Ta) 的比值不大于0.4, 共同判别调压室设置。
式中:
GD2—机组的飞轮力矩, kg·m2;
N—机组的额定转速, r/min;
P—机组的额定出力, W;
查询美国论据工程兵团规划设计规范, 未列出机组加速时间计算公式, 本次采用《水电开发 (墨索尼著作) 》中公式:
式中:
GD2—机组的飞轮力矩, t·m2;
n—机组的正常操作转速, rpm;
N—机组额定出力, W;
根据中国标准计算, 引水系统水流惯性时间Tw=5.36s>[Tw=4s], 机组惯性时间常数Ta=0.069, Tw/Ta=77.74, 综合考虑需设置上游调压井。
根据美国标准计算, 引水系统水流惯性时间Tw=4.11s>[Tw=2.5s], 机组惯性时间常数Ta=0.067, Tw/Ta=61.23, 综合考虑需设置上游调压井。
结合Tw、Ta与调速性能关系分析, 本工程Tw、Ta位于调速性能差的区域, 引水发电系统可需设置上游调压室。对比中美标准中基于水道特性的判别成果, 两种标准结果相同均同意设置上游调压室。
经过中美标准调压室判别两种方法、公式的计算, 该工程引水系统均需要设置上游调压室。由于中美标准调压室判别公式类似, 计算成果数值成果也很接近。本文就中美规范之间的异同和可操作性进行对比分析, 可为涉外工程设计提供参考。
摘要：非洲某水电站引水发电系统采用中国规范设计, 美标复核。本文以《水电站调压室设计规范》为基础, 结合美国垦务局及美国陆军工程师兵团相关美国规范进行对照分析。本文就中美规范之间的异同和可操作性进行对比分析, 可为涉外工程设计提供参考。
关键词：引水系统,调压室,判别,中国标准,美国标准
[1] 水力计算手册 (第二版) [M].北京;中国水利水电出版社, 2006.
[2] DL/T 5195-2004, 水工隧洞设计规范Specification for Design of Hydraulic Tunnel[S]
[3] NB/T 35021-2014, 水电站调压室设计规范Design code for surge chamber of hydropower stations[S]
[4] 水电工程规划设计土木工程导则第二卷水道[S]
[5] 工兵团水力设计准则Hydralic design criteria[S]
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