印尼某水電站調(diào)節(jié)保證措施選擇分析研究

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，相應庫容60.2萬m3，死水位680.8 m，水庫無調(diào)節(jié)能力。電站裝機兩臺，總裝機容量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

電站裝設兩臺單機容量為16 MW的水輪發(fā)電機組，輸水發(fā)電系統(tǒng)布置方式為“一洞一管兩機”[1]。引水系統(tǒng)由壩身進水口、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。兩臺機引水系統(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)保證設計初步分析

根據(jù)NB/T 35021—2014《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定[2]，基于水道特性設置上游調(diào)壓室的條件按如下公式判別：

式中：Tw為壓力管道中水流慣性時間常數(shù)；[Tw]為Tw的允許值，一般取2~4 s；Li為壓力管道及蝸殼各段的長度；ui為各管段內(nèi)相應的平均流速；g為重力加速度；Hp為設計水頭。

該電站壓力管道水流慣性時間常數(shù)Tw值為9.18 s，大于規(guī)范的允許值4 s，根據(jù)規(guī)范要求需設置上游調(diào)壓室。除設置調(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)電站設計規(guī)范》[3]中第6.2.4條“當壓力升高率保證值和轉(zhuǎn)速升高率保證值不能滿足設計要求時，可采取下列措施”的第3條，為“設置調(diào)壓閥”。

根據(jù)工程經(jīng)驗，結(jié)合本項目的工程實際、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)保證措施進行進一步分析。

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)壓井利用擴大了的斷面和自由水面反射水擊波的特點,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。當機組負荷發(fā)生變化時,由于引水隧洞和調(diào)壓井存在摩阻,通過引水隧洞和調(diào)壓井中水體的往復波動,運動水體的能量會被逐漸消耗,波動也就逐漸衰減,最后波動停止。

調(diào)壓井方案的主要優(yōu)點：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,改善了機組運行條件及供電質(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、小波動中都能發(fā)揮有效作用。當負荷出現(xiàn)輕微變化時,能迅速消除波動、恢復平穩(wěn)狀態(tài)；當負荷出現(xiàn)較大變化時,波動迅速衰減,水面振動幅度減小。3）調(diào)壓井運行方便,且調(diào)節(jié)性能基本不隨電站運行時間的增加而變化,可靠性較高。4）調(diào)壓井結(jié)構(gòu)簡單,日常運行維護簡單。調(diào)壓井采用鋼筋混凝土澆筑,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)壓室的設計年限為50年,設計年限內(nèi)只需簡單檢修維護即可長期使用。

調(diào)壓井方案的主要缺點：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)壓井施工組織較復雜,需布設調(diào)壓井施工道路,增加征地,導致投資增加。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,開挖支護成洞風險高,成井條件差,因此設置調(diào)壓井存在一定制約因素,導致投資和成本增加。

3.1.2調(diào)壓閥方案

采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井的方案,在機組甩負荷導葉快速關(guān)閉時,通過開啟調(diào)壓閥引導一部分流量直接進入尾水中,從而控制機組的轉(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：

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)機組前壓力鋼管或蝸殼處,相比于設置調(diào)壓井,調(diào)壓閥的布置受電站當?shù)氐牡匦?、地質(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)壓閥及其附屬設備的投資,廠房尺寸只需稍微增大,對土建投資影響不大，因此采用調(diào)壓閥能節(jié)約投資0

3）施工組織簡單，對工程總工期幾乎無影響0調(diào)壓閥方案僅涉及電站廠房內(nèi)相關(guān)設備的安裝及調(diào)試，基本無須增加額外的施工設施，且不影響工程的總工期。

調(diào)壓閥方案的主要缺點：

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)展和進步，調(diào)壓閥的設計制造水平有所提高，但調(diào)壓閥本質(zhì)上為液壓機械設備，理論上仍存在發(fā)生故障而拒動的概率0

當機組甩負荷緊急停機時，如調(diào)壓閥因故障拒動，雖然通過導葉慢關(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，機組在短時間內(nèi)達到飛逸轉(zhuǎn)速不應產(chǎn)生有害變形和結(jié)構(gòu)性損傷，但機組超過額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)動部分的離心力成倍增長，仍會增大機組產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷的隱患。

2）響應速度較慢，調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，運行靈活性下降。采用調(diào)壓閥方案，雖解決了機組甩負荷時壓力上升及轉(zhuǎn)速上升的問題，但機組正常開關(guān)機及增減負荷時，調(diào)壓閥不動作，因此本質(zhì)上并未改變引水系統(tǒng)管道的特性0相比設置調(diào)壓井的方案，電站開關(guān)機及增減負荷都需要更長的時間，導致電站的響應速度較慢，運行靈活性下降0

3）增加運行、檢修、維護工作量。調(diào)壓閥作為保證電站安全的重要設備，需對其進行定期的檢修及維護以保證調(diào)壓閥正常工作，因此電站運行、檢修及維護的工作量會增加。

3.2經(jīng)濟性對比

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新增占地約3 333 m2（5畝），征地費用按每667 m2（1畝）地4萬元計列，新增征地費用20萬元。

調(diào)壓井方案合計工程投資1 733.78萬元。

3.2.2調(diào)壓閥方案

采用調(diào)壓閥方案會主要增加如下幾個方面的投資：

1）調(diào)壓閥投資。每臺調(diào)壓閥設備的總投資約為150萬元（含設備本體投資、備品備件、運費、稅費、設備安裝費及初估的運行檢修維護費用），該電站共需兩臺套調(diào)壓閥，共計300萬元。

2）廠房尺寸增加的投資。根據(jù)樞紐布置成果，不設調(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)起重設備的投資增加。不設調(diào)壓閥方案初選廠內(nèi)起重設備為額定起重量為100!20 t的單小車橋機，跨度為16 m，由于設調(diào)壓閥后廠房跨度增加，橋機跨度由16 m增加至18 m，橋機重量增加約6 t，設備投資增加約20萬元。

根據(jù)以上區(qū)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)保證措施方案進行對比分析，結(jié)合電站實際情況，主要結(jié)論如下：

1）設置調(diào)壓井為最常見的調(diào)節(jié)保證措施，有豐富的工程實踐，技術(shù)成熟、可靠性高，調(diào)節(jié)效果明顯，且運行、檢修及維護的成本較低。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)復核計算滿足保證電站引水發(fā)電系統(tǒng)及機組安全的要求。

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，開挖支護成洞風險高，成井條件差，經(jīng)分析計算，設置調(diào)壓井投資比設置調(diào)壓閥高1103.11萬元，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)合電站的實際情況，該電站調(diào)節(jié)保證選擇采用調(diào)壓閥方案。