水电站压力前池有效容积设计计算研究
摘要：在分析了我国中小型水电站压力前池容积功能发挥现状后，对水电站压力前池有效经济容积的合理确定设计计算要点进行了详细分析研究。最后，结合一工程实例，介绍压力前池容积确定过程中，应该从压力前池基本容积和波动容积等方面，进行综合考虑和计算分析，以确保水电站调节运行过程中具有较高稳定性和节能经济性。
关键词：水电站；压力前池；经济容积
Abstract: in the analysis of our medium and small size hydropower stations before the function of volume pool pressure situation, pressure of hydropower station before the effective economic volume of the pool reasonable design calculation main point to carry on the detailed analysis research. Finally, combined with an engineering example, introduces the pressure in the process of previous pool capacity are, should pressure from previous pool basic volume and volatility volume, considered and calculation and analysis to ensure that adjust the operating process with hydropower station higher stability and energy saving efficiency.
Keywords: hydropower station; Pressure former pool; Economic volume
在引水式水电站规划设计施工建设过程中，通常需要在引水渠(或无压洞)的末端设置压力前池，以起到降低引水流速、拦阻水中所含杂物、实现短时间调节水量、减小水位波动、以及平稳水电站进水管道水头等作用，也就是说，水电站压力前池施工建设是为了满足水电站在日常运行过程中负荷不断变化，实现经济运行调节的主要水工建筑物[1]。在水电站压力前池容积设计过程中，不仅要考虑负荷波动调节流量容积需求，同时还要考虑发电和检修维护等功能需求。因此，结合水电站压力前池工程实际情况，从技术、经济等方面寻找经济合理的压力前池容积优化方案，是水电站工程规划设计和施工技术人员研究的一个重要课题。
1 水电站压力前池容积功能发挥现状
水电站压力前池是流量调节和水流稳定的重要水工建筑物，其布置的合理规划设计和容积的优化计算分析，对确保整个水电站安全可靠、节能经济的高效稳定调节运行至关重要。有的水电站由于其压力前池排冰道尺寸设计偏小或布设位置选择不当，使压力前池中排冰功能不能得到充分发挥，只能依靠突然甩负荷等运行工况的剧烈变化产生正涌波来进行冰排出，这样不仅不利于机组高效稳定运行，同时机组运行工况的突然变化，对引水建筑物、压力管道、以及发电机组等均会产生巨大破坏作用；多数中小型水电站工程其压力前池性能较差，流量调节
和水流平衡功能发挥不好，致使压力前池内水流运行状态发生恶化，与压力管道水流间存在衔接不畅等不利问题，大大降低水电站调节运行安全稳定性和节能经济性。
2 水电站压力前池容积的合理确定
水电站压力前池容积的合理确定，其所涉及到的因素较多。在压力前池结构设计过程中，首先应充分考虑水电站的启始运行来合理确定压力前池的经济容积
[2]。通常在水电站调节运行前，均需要打开引水渠道中的进水口闸门，引进水电站调节运行所需的基本流量。在确定水电站压力前池容积时，要确保压力前池容积满足从引水渠道渠首进水闸开始至压力前池这一段渠道内的水容量，在水电站所有机组均处于全关工况下而突然全开一台水力发电机组时，压力前池的水位下降应不低于前池性能正常发挥的工作水深。另外，在水电站中引水渠道进水口、引水渠道引水系统、压力前池、压力管道引水系统、以及水力发电机组机构系统等单位共同组成一个水力动态平衡系统，其在运行过程中相互间存在的水力条件是水电站经济调度运行研究重点，也就是说，压力前池水位容积还要受到水轮机导叶操作等因素的影响。水电站压力前池的有效经济容积设计计算，应该从两个方面来进行综合考虑，即：一方面要在满足水电站所有水力发电机组导叶由全关到全开（开机启动）过程中，在有效调节时间Ts内，能够满足所有水轮机设计经济流量Qo的水量供给需求；另外一方面，压力前池容积应满足整个水电站系统在突然丢弃全部负荷过程中，由于负荷波动产生的涌水波在压力前池中引起水流和水位波动，而不至于产生溢流情况。因此，在水电站压力前池的经济容积设计计算中，可以按照式（1）进行合理确定，即：
（1）
式（1）中： 为压力前池有效经济容积； 为满足水电站发电机组正常调节运行的压力前池基本容积(m3)，可以通过机组在丢弃全部负荷过程中，产生的剩余能量推导出； 为机组突然甩负荷过程中，由于涌水波在压力前池中形成的波动容积(m3)，可以通过水力发电机组丢弃全部负荷过程中，在压力前池中产生的涌水波推导出。
3 水电站经济容积设计计算实例分析
某引水式电站为5个梯级水电站中之一，其总装机容量为105MW，该水电站压力前池规划设计时，其调节方式按照瞬间调节性能进行设计计算。该水电站基本参数为：设计水头为100m，设计流量为12.5m3/s，水轮机飞轮力矩GD2为171800Kn.m.s2；水轮机额定转速n0=136.5r/min;弃负荷运行工况下引起的最大转速nm=195.98r/min,当机组由全开到全关的调节时间Ts为10s。该水电站前池拟定为矩形结构，设计粗糙率选取为n=0.03，前池底坡降设计为i=1:3000，前池宽度设计为75m，长度设计为108m。在保证水电站机组发电供水和需水的连续性不中断性能下，调节由于水电站负荷变化引起的压力前池水位波动，即按照机组引用流量与实际来水量稍有偏差余地调节下，能够具有较强“储备”或“超支”调节作用。因此，该水电站容积设计计算时，按照满足整个水电站引水系统特征水位
需求容积进行设计计算就能满足水电站经济调节运行需求。
3.1 前池基本容积 的计算确定
前池基本容积 可以表示为：
（2）
将该水电站的基本参数带入到式（2）中，可得：
=441.67（m3）
3.2 前池波动容积 的计算确定
利用圣维南方程进行前池涌波计算，即前池波动容积 可以表示为：
（3）
式（3）中： 为渠道中为恒定均匀流时，前池末端的水位高程,m； 为渠道中为恒定均匀流时，前池首末端的水位高差,m、 分别为涌水波在1-1和0-0断面处的形成的波高，m；L为前池长；D为前池宽。
通过计算得到： =0.208m
则前池波动容积为： 108×75×0.208=1684.8（m3）
3.3 前池有效经济容积 的计算确定
按照式（1），则该水电站前池的有效经济容积V可以确定为：
=441.67+1684.8=2126.47（m3）
按照前面所述的“储备”或“超支”调节技术要求，该水电站前池有效容积设计为2150 m3。有了上述这些计算数据结果，就可以根据该电站压力前池所处的地势地貌和地质条件，合理进行引水渠道主要建筑物及水电站引水系统布置，在综合考虑压力前池长度、宽度、深度等因素基础上，通过合理优化设计计算，可以有效确保整个水电站安全稳定、节能经济的调节运行。
4 结束语
水电站压力前池主要起到引水渠道和压力管道间水流连接和水流平稳调节过渡作用。在有压力前池有效经济容积设计计算过程中，单从调节作用角度进行压力前池容积计算显然不经济合理。在实际容积设计计算过程中，应从压力前池基本容积和波动容积等方面，合理进行压力前池容积计算分析，确保水电站调节
运行过程中具有较高稳定性和节能经济性。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5079-2007水电站引水渠道及前池设计规范[S].北京:中国电力出版社,2008•
[2] 尹蕾,武亮,姚激.阿都水电站地下压力前池设计[J].小水电,2009,147(03):43-44.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
水电站压力前池有效容积设计计算研究
摘要：在分析了我国中小型水电站压力前池容积功能发挥现状后，对水电站压力前池有效经济容积的合理确定设计计算要点进行了详细分析研究。最后，结合一工程实例，介绍压力前池容积确定过程中，应该从压力前池基本容积和波动容积等方面，进行综合考虑和计算分析，以确保水电站调节运行过程中具有较高稳定性和节能经济性。
关键词：水电站；压力前池；经济容积
Abstract: in the analysis of our medium and small size hydropower stations before the function of volume pool pressure situation, pressure of hydropower station before the effective economic volume of the pool reasonable design calculation main point to carry on the detailed analysis research. Finally, combined with an engineering example, introduces the pressure in the process of previous pool capacity are, should pressure from previous pool basic volume and volatility volume, considered and calculation and analysis to ensure that adjust the operating process with hydropower station higher stability and energy saving efficiency.
Keywords: hydropower station; Pressure former pool; Economic volume
在引水式水电站规划设计施工建设过程中，通常需要在引水渠(或无压洞)的末端设置压力前池，以起到降低引水流速、拦阻水中所含杂物、实现短时间调节水量、减小水位波动、以及平稳水电站进水管道水头等作用，也就是说，水电站压力前池施工建设是为了满足水电站在日常运行过程中负荷不断变化，实现经济运行调节的主要水工建筑物[1]。在水电站压力前池容积设计过程中，不仅要考虑负荷波动调节流量容积需求，同时还要考虑发电和检修维护等功能需求。因此，结合水电站压力前池工程实际情况，从技术、经济等方面寻找经济合理的压力前池容积优化方案，是水电站工程规划设计和施工技术人员研究的一个重要课题。
1 水电站压力前池容积功能发挥现状
水电站压力前池是流量调节和水流稳定的重要水工建筑物，其布置的合理规划设计和容积的优化计算分析，对确保整个水电站安全可靠、节能经济的高效稳定调节运行至关重要。有的水电站由于其压力前池排冰道尺寸设计偏小或布设位置选择不当，使压力前池中排冰功能不能得到充分发挥，只能依靠突然甩负荷等运行工况的剧烈变化产生正涌波来进行冰排出，这样不仅不利于机组高效稳定运行，同时机组运行工况的突然变化，对引水建筑物、压力管道、以及发电机组等均会产生巨大破坏作用；多数中小型水电站工程其压力前池性能较差，流量调节
和水流平衡功能发挥不好，致使压力前池内水流运行状态发生恶化，与压力管道水流间存在衔接不畅等不利问题，大大降低水电站调节运行安全稳定性和节能经济性。
2 水电站压力前池容积的合理确定
水电站压力前池容积的合理确定，其所涉及到的因素较多。在压力前池结构设计过程中，首先应充分考虑水电站的启始运行来合理确定压力前池的经济容积
[2]。通常在水电站调节运行前，均需要打开引水渠道中的进水口闸门，引进水电站调节运行所需的基本流量。在确定水电站压力前池容积时，要确保压力前池容积满足从引水渠道渠首进水闸开始至压力前池这一段渠道内的水容量，在水电站所有机组均处于全关工况下而突然全开一台水力发电机组时，压力前池的水位下降应不低于前池性能正常发挥的工作水深。另外，在水电站中引水渠道进水口、引水渠道引水系统、压力前池、压力管道引水系统、以及水力发电机组机构系统等单位共同组成一个水力动态平衡系统，其在运行过程中相互间存在的水力条件是水电站经济调度运行研究重点，也就是说，压力前池水位容积还要受到水轮机导叶操作等因素的影响。水电站压力前池的有效经济容积设计计算，应该从两个方面来进行综合考虑，即：一方面要在满足水电站所有水力发电机组导叶由全关到全开（开机启动）过程中，在有效调节时间Ts内，能够满足所有水轮机设计经济流量Qo的水量供给需求；另外一方面，压力前池容积应满足整个水电站系统在突然丢弃全部负荷过程中，由于负荷波动产生的涌水波在压力前池中引起水流和水位波动，而不至于产生溢流情况。因此，在水电站压力前池的经济容积设计计算中，可以按照式（1）进行合理确定，即：
（1）
式（1）中： 为压力前池有效经济容积； 为满足水电站发电机组正常调节运行的压力前池基本容积(m3)，可以通过机组在丢弃全部负荷过程中，产生的剩余能量推导出； 为机组突然甩负荷过程中，由于涌水波在压力前池中形成的波动容积(m3)，可以通过水力发电机组丢弃全部负荷过程中，在压力前池中产生的涌水波推导出。
3 水电站经济容积设计计算实例分析
某引水式电站为5个梯级水电站中之一，其总装机容量为105MW，该水电站压力前池规划设计时，其调节方式按照瞬间调节性能进行设计计算。该水电站基本参数为：设计水头为100m，设计流量为12.5m3/s，水轮机飞轮力矩GD2为171800Kn.m.s2；水轮机额定转速n0=136.5r/min;弃负荷运行工况下引起的最大转速nm=195.98r/min,当机组由全开到全关的调节时间Ts为10s。该水电站前池拟定为矩形结构，设计粗糙率选取为n=0.03，前池底坡降设计为i=1:3000，前池宽度设计为75m，长度设计为108m。在保证水电站机组发电供水和需水的连续性不中断性能下，调节由于水电站负荷变化引起的压力前池水位波动，即按照机组引用流量与实际来水量稍有偏差余地调节下，能够具有较强“储备”或“超支”调节作用。因此，该水电站容积设计计算时，按照满足整个水电站引水系统特征水位
需求容积进行设计计算就能满足水电站经济调节运行需求。
3.1 前池基本容积 的计算确定
前池基本容积 可以表示为：
（2）
将该水电站的基本参数带入到式（2）中，可得：
=441.67（m3）
3.2 前池波动容积 的计算确定
利用圣维南方程进行前池涌波计算，即前池波动容积 可以表示为：
（3）
式（3）中： 为渠道中为恒定均匀流时，前池末端的水位高程,m； 为渠道中为恒定均匀流时，前池首末端的水位高差,m、 分别为涌水波在1-1和0-0断面处的形成的波高，m；L为前池长；D为前池宽。
通过计算得到： =0.208m
则前池波动容积为： 108×75×0.208=1684.8（m3）
3.3 前池有效经济容积 的计算确定
按照式（1），则该水电站前池的有效经济容积V可以确定为：
=441.67+1684.8=2126.47（m3）
按照前面所述的“储备”或“超支”调节技术要求，该水电站前池有效容积设计为2150 m3。有了上述这些计算数据结果，就可以根据该电站压力前池所处的地势地貌和地质条件，合理进行引水渠道主要建筑物及水电站引水系统布置，在综合考虑压力前池长度、宽度、深度等因素基础上，通过合理优化设计计算，可以有效确保整个水电站安全稳定、节能经济的调节运行。
4 结束语
水电站压力前池主要起到引水渠道和压力管道间水流连接和水流平稳调节过渡作用。在有压力前池有效经济容积设计计算过程中，单从调节作用角度进行压力前池容积计算显然不经济合理。在实际容积设计计算过程中，应从压力前池基本容积和波动容积等方面，合理进行压力前池容积计算分析，确保水电站调节
运行过程中具有较高稳定性和节能经济性。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5079-2007水电站引水渠道及前池设计规范[S].北京:中国电力出版社,2008•
[2] 尹蕾,武亮,姚激.阿都水电站地下压力前池设计[J].小水电,2009,147(03):43-44.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。