NBT 35080-2016 水电站气垫式调压室设计规范

中华人民共和国能源行业标准PNB/T35080—2016水电站气垫式调压室设计规范DesigncodeforaircushionsNB/T35080—2016I2016年第1号(试行)〉及实施细则的通知》(国能局科技(2009)52号)有关建设施工技术规范第5部分：水处理及制氢系统》等345项行业标准，其中能源标准(NB)54项，电力标准(DL)125项和2016年1月7日行业标准目录序号标准编号采标号批准日期实施日期调压室设计规范制(修)订计划的通知》(国能科技〔2012)326号〕的要求，编水电水利规划设计总院(地址：北京市西城区六铺炕北小街2号，本规范主要起草人员：郝元麟余挺陈子海刘朝清本规范主要审查人员：党林才赵琨方光达李光顺高永辉陈祥荣姜宏军刘战平韩益民李仕胜 1 23气垫式调压室设置条件及位置选择 4 43.2位置选择 54气垫式调压室工程地质勘察 64.1一般规定 64.2围岩工程地质特性勘察 64.3围岩工程地质评价 74.4施工地质工作 75气垫式调压室水力计算及基本尺寸确定 85.1稳定气体体积计算 85.2基本尺寸确定 95.3水力过渡过程计算 96气垫式调压室闭气、结构布置及监测设计 6.1闭气型式及选择 6.3安全监测 7气垫式调压室气、水和运行监测系统 7.2运行监测系统设计 7.3运行要求 附录A气室稳定工况参数计算 附录B气室内涌波和气体绝对压力极值计算 本规范用词说明 引用标准名录 V 1 23Layoutrequirementsand 43.1Layoutrequirements 4 5 64.1Basicrequiremen 6 6 7 75Hydrauliccalculationandbasicdimensionsofa 8 8 95.3Calculationofhydraulictransient 9andobservationofaircushionsurgech Explanationofwordinginthiscode Listofnormativestandards Addition:Explanationofprovisions 11.0.2本规范适用于水电站3级及以下上游气垫式调压室的设22.0.2气室chamber2.0.4常规调压室conventiona2.0.10气室控制参数chambercontrolpara343.1.1水电站压力水道需设置调压室时，是否采用气垫式调压室方案，需结合地形、地质、工程布置、施工、环境影响、工程量、投资及运行等因素进行技术经济综合比较后确定，对有较高环境要求的高水头中小型水电站可优先选用。1气垫式调压室应利用围岩承担内水或气体压力，围岩宜为中硬岩或坚硬岩，以不低于Ⅲ类的较完整的岩体为主。2气垫式调压室最小上覆岩体厚度(见图3.1.2)应满足下列经验公式，并应复核最大气室压力条件下的最小上覆岩体厚度。a.力管道Z₀厂房5NB/T35080—2016H₀——气垫式调压室设计压力，即气垫式调压室设计最大静水头(m);K——水的重度(N/m³);Z₀——气室设计静态工况的室内水位(m);F——经验系数，一般取1.3～1.5。当复核最大气室压力条件下的最小上覆岩体厚度时F宜大于1.1。3气垫式调压室岩体最小主应力σ₃应满足下列经验公式，当无法满足时，应进行专门论证。式中：o₃——岩体最小主应力(N/m²);Pmax——气室内最大气体压力水头(m)。4气垫式调压室区域宜有较高的天然地下水位，或能形成稳定渗流场。设计压力下高压压水岩体透水率宜小于5Lu。3.2.1气垫式调压室位置要求山体雄厚、稳定，地形完整，避免靠近深切沟谷。气垫式调压室宜布置在地应力正常带内，应避开区域性断裂、活断层、采空区、强烈风化卸荷岩体、大型喀斯特洞穴、暗河。3.2.2气垫式调压室位置选择宜分阶段逐步进行，气垫式调压室位置宜靠近厂房，并根据地形、地质、工程布置、施工条件及投资等进行技术经济综合比较后确定。64.1.2基本地质条件勘察的主要内容应包括地形地貌、地层岩(变形)模量、抗剪(断)强度、波速值，结构面的抗剪(断)强785气垫式调压室水力计算及基本尺寸确定9g——重力加速度(m/s²);5.1.3应针对允许的气体最大漏损量进行稳定气体体积校核计5.3.2气垫式调压室内气体瞬态控制方程可采用理想气体状态5.3.4计算涌波水位极值时，气体多变指数m取1.0;计算气体2罩式闭气结构宜设置平压系统平衡罩体外侧水压力和气量不宜少于2台。7.3.1气室在初次投运或检修后投运，应先通过引水系统向气室7.3.2采用水幕闭气的气垫式调压室，水幕充水宜与气室充水同NB/T35080—2016附录A气室稳定工况参数计算A.0.1气室设计静态工况的室内气体绝对压力、气体体积以及控制常数应按下列公式计算：(A.0.1-2)ha——当地大气压(m);Z₀——气室设计静态工况的室内水位(m);气室设计静态工况的室内气体体积(m³),是Z₀的Cno——气室控制常数(m⁴)。A.0.2当气室设计静态工况的控制常数Cn取值确定后，按“等Cmo”的运行控制模式，任意正常稳定运行工况的气室内水位、气室内气体绝对压力及气室内气体体积应按下列公式计算：P=Z+h-Z-hP·V=CT(A.0.2-2)式中：Zu——发电运行的最高水库水位(m);hw——引水道水头损失(m);Z——气室内水位(m);V——与水位Z相对应的气垫式调压室内的气体体积NB/T35080—2016P——气室内气体绝对压力水头(m)。A.0.3气垫式调压室宜采用断面面积随高程变化不大的体型，水位波动范围内，室内气体体积与室内水位具有或近似具有线性当气垫式调压室水面面积在水位波动范围内相等时，式(A.0.3-1)严格成立，且k₁为气垫式调压室水面面积，k₂为按气体体积不变而折算成等水面面积后的调压室顶部折算高程。其他体型的气垫式调压室，其体型参数k、k₂可通过选取两组气体体积与水位的对应点(V₁,Z₁)、(V₂,Z₂)按下式确定：体积函数采用式(A.0.3-1)时，任意正常稳定运行工况的室内水位、气体绝对压力及气体体积可由下式确定：P=Cro/V(A.0.3-5)c——计算参数(m²)。NB/T35080—2016附录B气室内涌波和气体绝对压力极值计算式计算：μ=Z₁-Z₂(B.0.1-10)R,=h/Q²(B.0.1-12)NB/T35080—2016₁NB/T35080—2016B.0.3增加负荷时，室内最低水位及最小绝对气压可按下列公式2条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》DL/T中华人民共和国能源行业标准NB/T35080—能源局2016年1月7日以第1号公告批准发布。 3气垫式调压室设置条件及位置选择 305气垫式调压室水力计算及基本尺寸确定 5.1稳定气体体积计算 335.2基本尺寸确定 5.3水力过渡过程计算 6气垫式调压室闭气、结构布置及监测设计 386.2结构布置及设计 6.3安全监测 7气垫式调压室气、水和运行监测系统 7.1气、水系统设计 7.2运行监测系统设计 3.1.1对于下述几种情况，应优先考虑采用气垫式调压室的可表3-1列出了国内已建气垫式调压室围岩整况。统计结果表明5个工程的气垫式调压室围岩天然透水率小于5Lu的实验段占总试验段的78%,故本标准采用5Lu作为围岩整幕闭气时要求灌浆后透水率小于1Lu。水电站自一里小天都阴坪高压压水比例(%)明气垫式调压室区工程地质条件的基础上，综合比较推荐气垫表3-2列出了国内外气垫式调压室工程相关参数。表中气垫式调压室与厂房(或机组)最大距离不超过1300m,最小距离为水电站建成日期至水轮机距离连接隧洞长度自一里已建小天都已建水电站建成日期额定水头至水轮机距离连接隧洞长度已建已建阴坪NB/T35080—20165气垫式调压室水力计算及基本尺寸确定5.1稳定气体体积计算5.1.1此前，气垫式调压室小波动稳定性判断的传统依据是基于“托马假定”的临界稳定断面面积，其定义与常规调压室类似。气垫式调压室的临界稳定断面面积国内外大多采用挪威R.Svee教授导出的下列公式计算：A——常规调压室的临界稳定断面面积(m²);I₀——气室内气体体积折算为Asy时的高度(m)。经研究发现，对于气垫式调压室，采用临界稳定断面面积的概念判断其小波动稳定性是不准确的，因为：①从严格意义上来讲，气垫式调压室波动稳定性取决于各运行工况调压室内的气体压力、气体体积、水面面积，而不是由其中某一个因素单独决定的；②在调压室体型参数未定的情况下，仅增加调压室断面面积并不能保证式(5-1)的成立，且当气体体积、压力变化时，式(5-1)所得到的Asv计算结果的变化很敏感；③在实际工程中，一般有可见，气垫式调压室的断面面积对其稳定性的影响一般很小，NB/T35080—2016而能够描述其小波动稳定性的主要特征参数是气室内的气体体积和气体绝对压力。对于按等“气室控制常数Cro”模式控制的气垫该参数也是决定气垫式调压室体型结构的一个主要设计控制参数。对于气垫式调压室的断面面积，从理论上讲，其允许的极限最小稳定断面面积即为常规调压室的托马断面面积，但从实际工程意义上讲，气垫式调压室的断面面积一般都会比常规调压室的托马断面面积大很多。5.1.2基于托马假定推导的气垫式调压室的临界稳定气体体积计式中：lo——气室内气体体积除以Z。处的断面面积(m);为方便起见，忽略部分次要因素的影响并将参数按不利情况取值，可得到如下简化形式：稳定气体体积安全系数的取值可以借鉴常规调压室稳定断面安全系数的取值经验。《水电站调压室设计规范》NB/T35021规定，常规调压室稳定断面安全系数一般可采用1.0～1.1。对于气垫式调压室，挪威8个气垫式调压室工程的稳定断面面积安全系数平均取值为1.57(基于隧洞糙率取n=0.025)。我国已建气垫式调压室工程中(见表5-1),安全系数取值在4.4～1.3,且随着技术的成熟，安全系数取值有减小的趋势。由于临界稳定气体体积是基于苛刻的托马条件推导出来的，且计算公式中参数取值已考虑各种不利情况，因此安全系数取过大值是不必要的。综合考NB/T35080—2016虑，建议稳定气体体积安全系数采用1.2～1.5,可视工程重要程项目名称自一里小天都阴坪此外，稳定气体体积的计算公式和计算原则也适用于压力尾水道上单独设置的气垫式调压室的情况，但需将压力引水道的参数改为压力尾水道的参数，压力管道的参数改为尾水管后的延伸段的参数，水位取值也需做相应调整。不过尾水道上单独设置的气垫式调压室的经济性较差。5.1.3漏气引起的水位上升会减小调压室的稳定安全裕度，需对气室最大允许漏气情况进行校核。当考虑气体漏损时，由临界稳定气体体积计算公式、气体状态方程，有：——漏气量(%);对于气垫式调压室，由水头平衡方程易知，漏气引起的压力变化值△P为室内水位变化，此值相对于气室压力而言很小的，即漏气引起的水位上升导致安全系数的减小。由此可知，漏气对调压室水位波动稳定是不利的。气垫式调压室的稳定性计算不仅要按设计工况设计，还应对气室最大允许漏气情况进行校核。5.2.3气垫式调压室体型应结合工程实际情况，经水力过渡过程计算优化确定。因窄高城门洞型可以减小安全水深所占据的室容，在同等初始水位条件下，能增大有效气体容积比例，从而对减小调压室的总容积是有利的，即具有较好的水力性能，且布置方便，已积累了丰富的设计运行经验，可优选窄高城门洞型。5.2.4气室底板高程可按室内最小水深不小于安全水深确定。气垫式调压室的水力特性与常规调压室差别较大，气垫式调压室安全水深不能照搬常规调压室的安全水深标准。在同等条件下，如果安全水深取值相同，则气垫式调压室比常规调压室在安全性上要高很多，但其经济性较差，强求气垫式调压室的安全水深取较大值是不必要、不经济的。为防止高压气体进入引水道，气垫式调压室安全水深的设计取值建议为不小于2.0m,对于发生概率很小的校核工况，可取不小于1.5m,当水深小于1.5m时，则视为事故情况。5.2.5调压室底部阻抗随阻抗孔面积的减小而增加。设置阻抗孔对减小气垫式调压室水位及气室压力波动幅值有利，但阻抗孔断面过小(即阻抗取值过大)对调压室内流态平稳不利，存在一定5.3水力过渡过程计算5.3.1气室控制常数为电站初始充气量及各工况初始参数的确定提供依据，室内气体压力及气体温度为结构、闭气设计及相关监5.3.2实际工程中气垫式调压室内气体与理想气体物理性质相程度有关，实际工程中其变化过程介于等温过程(m=1.0)与等熵过程(绝热过程m=1.4)之间。对计算而言，气体多变指数m水率最大的Osa电站为0.5Lu,透水率最小的Ulsel电站为6.2.1围岩闭气和水幕闭气的气室一般采用不衬砌或锚喷支挪威的Torpa水电站采用了环形，Kvildal水电站采用了“日”电站名气体体积气垫压力“水幕”超压(标准状况下)自一里小天都罩式闭气罩式闭气阴坪罩式闭气注：上标“*”表示设水幕的漏气量；上标“**”表示闭气补强后的漏气量。NB/T35080—20167气垫式调压室气、水和运行监测系统7.1气、水系统设计7.1.3气室充气时间长短会对电站机组第一次投运时间产生一定的影响，应经技术经济比较后确定。充气空压机造价较高，仅在