闲林水库工程消能方式比较

闲林水库工程消能方式比较
作者：杨志祥
来源：《南水北调与水利科技》2015年第08期
摘要：闲林水库工程的输水系统与引水入城工程输水隧洞相结合，采用闲林水库上游有压输水隧洞接下游引水入城无压隧洞的输水方式，消能方式相对较为复杂。

选用国内常用机械消能和水工消能等多种方式进行详细比较，结合工程管理最终选择消力池水工消能方式，结果可供类似输水工程参考。

关键词：输水工程；机械消能；水工消能；消力池
中图分类号：TV131.6 文献标志码：A文章编号：
16721683（2015）002026703
闲林水库是杭州城市应急备用水源工程，以城市应急备用和抗咸供水为主，结合防洪和改善水环境等综合利用。

工程主要由混凝土面板堆石坝、泄洪兼导流洞、输水隧洞、大清谷泵站等建筑物组成，输水隧洞在大清谷元坞附近接入引水入城隧洞。

闲林水库正常蓄水位70 m，死水位480 m，消落深度22 m，输水线路洞径、管径根据死水位时满足引水要求确定，库水位高于死水位时，需对多余水头进行消能。

当闲林水库向珊瑚沙水库供水时，来水通过输水系统和引水入城工程隧洞和暗渠，最终引入沉沙调蓄池，需通过大刀沙泵站及配套输水管道二次加压将水送入珊瑚沙水库。

本工程的近期设计供水能力为25 m3/s，远期设计供水能力为35 m3/s，通过水力计算可知，在供水最大水头、供水流量为25 m3/s时，剩余水头为413 m；在供水最小水头、供水流量为35 m3/s时，剩余水头为5.5 m。

本工程供水时的消能水头范围为55～413 m（已扣除水道系统的水力损失）。

1消能方式比较
1.1机械消能方案
针对本工程的消能水头范围，可选的机械消能方案如下。

（1）可逆式水泵水轮机。

由于本工程供水和补水共用一条输水线路，因此，可把供水设备和补水设备合为一体，即采用抽水蓄能发电机组（采用常规水轮机或水泵转轮做双向运行）。

本方案为了确保供水可靠性，可设置两台机组，每台发电工况额定流量为175 m3/s，机组水头范围为5.5～413 m。

但是
该方案有如下缺点：由于转轮为可逆式转轮，抽水工况流量根据机组特性确定约为每台10～14 m3/s，由于本工程输水系统较长，水头损失较大，即使单台机抽水运行，机组的最大扬程为726 m，最小扬程为625 m。

水头变幅HPMAX/HTMIN=625/55=114，大大超出了可逆式机组的安全稳定运行的范围。

（2）三机式水泵水轮机。

该方案可把供水设备和补水设备合为一体，输水系统采用水轮机，补水系统采用水泵，二者共用一台发电电动机。

为了确保输水的安全性，可设置两套机组，每套机组水轮机额定流量为175 m3/s，水泵抽水流量可设计为每台25 m3/s。

采用三机式机组，其优点是水轮机和水泵可分别安装发电和抽水工况的要求进行专门设计，能够适应供水和补水不同的水头/扬程条件，保证高效率工作。

机组水头范围为55～413 m，扬程范围为461～648 m。

但是目前三机式机组结构复杂，国内外没有生产如此小容量的先例。

（3）常规水轮机。

对本工程多余水头采用常规水轮发电机组进行消能，可设置两台机组，每台额定流量为175 m3/s，机组水头范围为55～413 m。

HTMAX/HTMIN=413/55=75，水头范围太大又偏低，机组很难稳定运行。

同时结合本站的运行特点，机组利用率低，经济上不合理。

（4）节流孔板。

节流孔板为固定式减压设备，使用时应控制前后的压差；若压差过大，容易产生阻塞流，并产生气蚀，引起噪音和振动，对下游管路不利。

本工程若采用节流孔板，并保证水库死水位48 m时能供水35 m3/s计，则远期水库正常蓄水位70 m时，供水能力将达到432 m3/s，此时需消能293 m；若采用一级节流孔板，则离气蚀发生点裕度太小，容易产生气蚀；故采用两级节流孔板，第一级减压20 m，第二级减压93 m，第一级孔板孔径约为11 m，第二级孔板孔径约为126 m，孔板厚度约135 mm。

节流孔板可用螺栓固定在一对法兰之间。

本工程节流孔板方案的布置见图1。

对于上述6只节流孔板，总投资约300万元。

图1节流孔板方案布置
（5）节流管。

节流管为固定式减压设备，一般包括渐缩段、中间管段和渐扩段，通过高速水流经过上述管段时的沿程和局部损失来消除水头；通常最低压力点出现在中间管段，容易发生气蚀，因此需采用多级节流管串联的方式。

对本工程来说，若采用节流管，可采用两级节流管；因为单级节流管较长，且两级节流管之间需保持一定的间距，所以布置较为困难。

此外，由于中间管段较长且流速较高，噪音较大。

（6）消能阀。

消能阀是专门为消能而设计的特殊阀门，能够解决传统阀门消能时出现的管道气蚀和振动问题。

消能阀通过采用特殊的内部过流部件，来使得高速水流相互冲撞来消耗能量，从而达到消能的目的。

同时通过设计特殊的出口导流部件来使得气蚀不发生在管道壁上，从而减小了振动和噪音。

消能阀和流量测量设备组合，可以具备流量控制功能，即通过调节阀门的开度来控制供水流量。

本工程若采用消能阀，从输水过流量、钢管和厂房的布置角度考虑，拟定台数为3台。

布置如下；其直径为DN 1800 mm，消能水头为55～45 m，单阀最大过流量可达到12 m3/s。

本工程消能阀方案的布置见图2。

对于上述3只消能阀，总投资约1 100万元。

1.2水工消能方案
水利水电工程中常用的水工消能方式有洞内消能和洞外消能两种。

1.2.1洞内消能
洞内消能指主要依靠洞内或建筑物内部消能工的特殊
图2消能阀方案布置
型式，急剧改变水流形态，在水流内部形成紊动混掺或涡漩，从而集中消耗大量机械能，减少压力，降低水流速度，达到保护洞身和下游的目的。

从水力学特点看内消能工主要可分为突扩突缩式消能工、消力井、涡漩式消能工、综合式（以上几种综合）消能工。

（1）消力井一般需要布置较高的竖井。

旋流消能种类很多，有单旋和双旋消能方式，后者较复杂，在工程上较实用的是单旋消能，即设计成旋流竖井和竖井—水平旋流两种泄洪洞。

旋流水流形态可为压力涡漩流，也可为明流涡漩流通过建筑物导引形成强烈的螺漩流，大量掺气、漩转从而消能、降低流速。

消力井、旋流竖井及竖井—水平旋流泄洪洞典型剖面见图3。

图3消力井方案的典型剖面
对于闲林水库隧洞，由于隧洞较长，水位落差相对较小，洞段地形埋深浅（其中有约1 600 m的浅埋段），使得布置上无法形成竖井条件。

因此，采用消力井或者旋流泄洪洞不适用于本工程。

（2）突缩突扩式内消能工包括早期的洞塞式，后来的孔板式、管嘴式等，主要依靠水流局部突缩突扩的阻力损失消能。

考虑大清谷地形条件，孔板式消能布置见图4。

（3）孔板式消能工布置考虑尽可能减少钢衬工程量，在满足挪威准则的要求下采用隧洞洞内布置。

而对孔板消能而言，消能水头只与过流量有关，与上游水头是没关系的，对
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图4水工消能方案（洞内孔板消能）平面布置图
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应同一流量，其消能水头是固定的，而无法适应闲林水库固定输水能力，上游不同水头的设计工况。

1.2.2洞外消能
洞外消能方案主要是常规的挑流、面流、底流、阶梯等消能技术，根据大清谷的地形条件以及厂区建筑物布置情况，洞外消能宜采用消力池底流消能，布置见图5。

经初步计算和分析，消力池适用于闲林水库各种工况的消能要求。

2结语
综上所述，拟定的消力池体型完全适用于闲林水库各种特殊的消能要求，结合计算经水工模型试验得到很好验证。

机械消能方案中的消能阀也可以有针对性的解决消能问题，保证引水入城段隧洞始终处于无压明流状态，但是消能阀在大流量消能运用较少，且消能阀生产市场不是很成熟，运行管理费用较高，针对本工程使用频率不高，本工程推荐采用消力池水工消能方案。

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图5水工消能方案（洞外底流消能）平剖面布置图
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参考文献：
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