分析计算周公宅水库电站的水头损失

宁波市周公宅水库建设开发有限公司 李杰###。

【摘要】宁波市周公宅水库电站是一座水库有压引水式水电站，引水系统由进水口、引水隧洞和钢管段组成，总长为1626m。通过水电站水头损失的计算分析，有利于运行管理工作，提高电站的水能利用率和经济效益。

宁波市周公宅水库工程是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程，水库工程配套的水电站，设计装机2×6300kW发电机组，水轮机型号HL（F215）—LJ-95，设计水头108m，设计流量2×6.63m³/s，出力6563kW；发电机型号SF6300—8/2600，额定功率6300kW，多年平均发电量为3587kW·h，年发电利用小时2847h。电站二台机组于2006年7月投入发电试运行。

本水库电站工程采用的是有压引水式水电站，与本文讨论相关的水电站枢纽建筑物有：进水建筑物（拦污栅、进水闸门），引水建筑物（引水隧洞、压力钢管及分岔管），厂房枢纽（主阀、尾水建筑物）等。经过一年时间的运行，引水系统各环节运行正常。它们的具体布置如下图所示：

宁波市周公宅水库电站引水系统示意图###。

水流从进水口经引水道至厂房尾水的水头损失，按其性质分为沿程损失和

局部损失两类，其总水头损失为Δh=ΣΔh_沿+∑Δh_局（m）。

式中：ΣΔh_沿为引水道各段沿程损失之和，ΣΔh_局为引水道所有局部损失之和。

下面就本水电站在设计工况下，一、二台机组在额定出力运行时的总水头损失进行分析计算。

沿程损失的能量消耗于克服水道表面流动而产生的摩擦阻力上，它分布在引水道的全部长度上。由于各段水道材料的差异和断面的不同，其沿程损失是不同的，需要分段计算后总计。

（1）隧洞混凝土段的沿程损失。

①AB段的沿程损失：根据相关资料为钢筋混凝土全衬砌段，其长度L₁=43.4m，断面面积为3×3=9m²，Q=13.26m³/s。即V=Q/A=13.26/9=1.47m/s，水力半径R=A/x=9/12=0.75m，取混凝土全衬砌糙率n=0.017，根据曼宁公式得C=R^1/6 n=0.75^1/6/0.017=56.07。

根据谢才公式可得：

②BC段的沿程损失：根据相关资料，BC为钢筋混凝土全衬砌段，其长度L₂=251.6m，断面直径D₂=2.8m，Q=13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4× 13.26/3.1416×2.82= 2.15m/s，水力半径R=D/4=2.8/4=0.7m，取混凝土全衬砌糙率n=0.017，根据曼宁公式得C=R^1/6/n=0.7^1/6/0.017=55.42。

根据谢才公式可得：

③CD段的沿程损失：根据相关资料，CD为混凝土全喷锚段，其长度L₃= 105m，断面直径。D₃=3.4m，Q = 13.26m³/s。即V =4Q/πD²=4×13.26/3.1416×3.42= 1.47m/s，水力半径R=D/4=3.4/4=0.85m，取混凝土全喷锚糙率n=0.02，根据曼宁公式得C=R^1/6/n=0.85^1/6/0.02=48.66。

根据谢才公式可得：

④DE段的沿程损失：根据相关资料，DE为裸岩不衬砌段，其长度L₄= 351.991m，断面直径D₄=4m，Q=13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4×13.26/3.1416x4²=1.06m/s，水力半径R=D/4=4/4=1m，取裸岩糙率n=0.035，根据曼宁公式得C=R^1/6 n=1^l/6/0.035=28.57

根据谢才公式可得：

⑤EF段的沿程损失：根据相关资料，EF为混凝土全喷锚段，其长度L₅=40m，断面直径D₅=3.8m，Q=13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4xl3.26/3.1416x38=1.17m/s，水力半径R=D/4=3.8/4=0.95m，取混凝土全喷锚糙率n=O.02，根据曼宁公式得C= R^1/6/n=0.95^1/6/0.02=49.57。

根据谢才公式可得：

⑥FG段的沿程损失：根据相关资料FG为混凝土半喷锚段（腰线以下2m喷锚），其长度L₆=379.7m，断面直径D6=3.9m，Q=13.26m³/s。即V =4Q/πD²=4× 13.26/3.1416×3.9²=1.11m/s，水力半径R=D/4=3.9/4=0.975m，取混凝土半喷锚糙率n=0.03，根据曼宁公式得C=R^1/6/n=0.975^1/6/0.03=33.19。

根据谢才公式可得：

⑦CH段的沿程损失：根据相关资料，CH为钢筋混凝土全衬砌段，其长度L₇=16m，断面直径D₇=3.2m，Q=13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4×13.26/3.1416×3.2²= 1.65m/s，水力半径R= D/4=3.2/4=O.8m，取混凝土全衬砌糙率n=0.017，根据曼宁公式得C=R^1/6=0.8 ^1/6/0.017=56.67。

根据谢才公式可得：

⑧HI段的沿程损失：根据相关资料，HI为钢筋混凝土全衬砌段，其长度L₈=128m，断面直径D₈=3.8m，Q=13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4× 13.26/3.1416x3.8²=1.17M/s，水力半径R =D/4=3.8/4=0.95m，取混凝土全衬砌糙率n=0.02，根据曼宁公式得C=R^1/6/n=O.95^1/6/0.02=49.57。

根据谢才公式可得：

⑨IJ段的沿程损失：根据相关资料，IJ为钢筋混凝土全衬砌段，其长度L₉= 130m，断面直径D₉=3.2m，Q = 13.26m³/s。即V=4Q/πD²=4×13.26/3.1416×3.2²= 1.65m/s，水力半径R=Q/4=3.2/4=0.8m，取混凝土全衬砌糙率n=0.0I7，根据曼宁公式得C=R^1/6/n=0.8^1/6/0.017=56.67。

根据谢才公式可得：

（2）隧洞压力钢管段的沿程损失。(www.xing528.com)

因本压力钢管已使用1年，故取t=1，发电用水为清水，取k=0.01，又根据压力钢管管壁特性取系数α=0.000826。

即：m=e^k1=e^0.01×1=1.0101

①JK段的沿程损失：根据相关资料，JK为压力钢管段，其长度L₁₀=170m，断面直径D₁₀=2.2m，Q=13.26m³/s。

②KL段的沿程损失：根据相关资料，KL为压力钢管分岔后支管段，其长度L₁₁=8.5×2=17m，断面直径D₁₁=1.3m，Q₁=6.63m³/s，

（3）沿程损失总和。

在引水道断面变化（包托进水口、尾水管出口、方向改变、闸阀及压力水管分岔等）局部地方，由于水流状态的改变及形成旋流等消耗的能量。其局部损失也是各损失的总计。

（1）拦污栅局部损失：根据相关资料，其栅条形状为长方形，故取B=2.42，栅条厚s=8mm，栅条净距b=50mm，拦污栅倾角α=70°，拦污栅过水净断面为9m²栅上附着物对局部损失的影响系数取K=2.0。

即：拦污栅局部损失系数

（2）进水口局部损失：根据进水口的形状，取进水口局部损失系数ξ_进=0.2，流速V_进=V_拦=L47345m/s。

（4）渐变段处局部损失：根据相关资料计算得渐变角为0=9.53°，即取渐变

（6）阀门局部损失：闸门局部损失系数与闸门关闭程度有关，在全开时可不计损失，因本水电站的进水闸门和尾水闸门正常运行时均在全开位置，故不计局损失。一般取门槽局部损失系数ξ_槽=0.2。

进水口闸门门槽局部损失：

尾水闸门门槽局部损失：本电站根据出口断面，算得出口流速为V_出1=1.8m/s

蝶阀局部损失：根据蝶阀局部损失系数表查取ξ_蝶=0.185其流速V_蝶1=V₁=4.995m/s

二台机同时运行，进水口闸门门槽、各蝶阀、尾水闸门门槽均产生局部损失

故Δh_阀1=Δh_进槽+2Δh_蝶1+2Δh_尾槽=0.0222+2×0.2355+2×0.033=0.5592（m）。

（7）水轮机室（蜗室）进口局部损失：

因本水轮机采用的是封闭式蜗壳，它的局部损失已计入水轮机转轮效率中，故不另加计算。

（8）尾水管出口局部损失：发电水流经尾水管泄往下游，一般情况尾水管出口的局部损失系数ξ出=1，尾水管（包括弯肘形尾水管）加大了出口断面，减少了出口流速，从而减少了出口损失。本电站根据出口断面，算得出口流速为V_出1= 1.8m/s进行尾水出口的局部损失计算。

二台机同时运行，二台尾水出口均产生局部损失

故△h_出=2△h_出1=2×0.165=0.33（m）

（9）局部损失总和：

故Δh=∑Δh_沿+∑Δh_局=2.74+2.1742=4.9142m

由上述计算可知，宁波市周公宅水库电站机组在设计工况、两台机组额定出力运行时的全部引水系统总水头损失约为4.91m。

计算方法与3.1相同，流量参数用一台机组的设计流量代入即可。经计算单台机组在设计工况、额定出力运行时总水头损失约为1.56米。

以上的计算结果还不计隧洞内的两个集石坑、支洞处以及不同洞径连接处的局部水头损失，故本电站的实际总水头损失是大于上述计算值的。

由上述计算结果可知，在设计工况下，单台与两台机组额定出力运行时的总水头损失相差很大，绝对值达到3.35m，也就是说，在同样工况下，发两台机比发一台机少利用了3.35m水头所产生的水能。

合理安排机组发电台数，特别是在库水位较低或枯水期时段，应尽量安排一台机发电运行（除水库调度、电力调度和其他特殊要求外），以减少水头损失，提高水能的利用率，增加电站的发电效益。