水電站引水隧洞的調(diào)壓室設(shè)計(jì)探討

【摘 要】 本文重點(diǎn)介紹了調(diào)壓室的作用及設(shè)置條件、布置形式和基本結(jié)構(gòu)類型，調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問題和調(diào)壓室的水力計(jì)算條件。

【關(guān)鍵詞】 調(diào)壓室 穩(wěn)定問題 水力計(jì)算

1 調(diào)壓室的功用、要求

1.1 調(diào)壓室的功用

（1）反射水擊波。基本上避免了（或減小）壓力管道傳來的水擊波進(jìn)入壓力引水道。

（2）減小水擊壓力（壓力管道及廠房過水部分）。縮短了壓力管道的長(zhǎng)度

（3）改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。

1.2 調(diào)壓室的基本要求

根據(jù)其功用，調(diào)壓室應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）調(diào)壓室盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長(zhǎng)度。

（2）調(diào)壓室應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水擊波的充分反射；

（3）調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。在負(fù)荷變化時(shí)，引水道及調(diào)壓室水體的波動(dòng)應(yīng)該迅速衰減，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；

（4）正常運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。為此調(diào)壓室底部和壓力管道連接處應(yīng)具有較小的斷面積。

（5）結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡(jiǎn)單方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

2 調(diào)壓室的工作原理

引水道—調(diào)壓室系統(tǒng)中的水位波動(dòng)現(xiàn)象與壓力管道中產(chǎn)生的水擊波動(dòng)性質(zhì)有很大的差別。調(diào)壓室的水位波動(dòng)主要是由于水體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起，其特點(diǎn)是振幅小、變化慢、周期長(zhǎng)。而管道水擊過程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時(shí)間內(nèi)即消失，而前者往往長(zhǎng)達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長(zhǎng)。

3 調(diào)壓室的類型

（1）簡(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓室

特點(diǎn)：斷面尺寸形狀不變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反射水擊波效果好。但水位波動(dòng)振幅較大，衰減較慢，因而調(diào)壓室的容積較大；在正常運(yùn)行時(shí)，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水力損失較大。

適用：低水頭小流量的水電站。

（2）阻抗式調(diào)壓室

將圓筒式調(diào)壓室的底部，用較小斷面的短管或用較小孔口的隔板與隧洞及壓力管道連接起來，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力，即為阻抗式調(diào)壓室。

特點(diǎn)：進(jìn)出調(diào)壓室的水流在阻抗孔口處消耗了一部分能量，可以有效地減小水位波動(dòng)的振幅，加快了衰減速度，因而所需調(diào)壓室的體積小于圓筒式。正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小。

（3）雙室式調(diào)壓室

特點(diǎn)：雙室式調(diào)壓室是由一個(gè)豎井和上下兩個(gè)儲(chǔ)水室組成。

上室供丟棄負(fù)荷時(shí)儲(chǔ)水用，一般在最高凈水位以上，在正常運(yùn)行時(shí)是空的。下室在正常運(yùn)行時(shí)充滿水，供增加負(fù)荷時(shí)補(bǔ)給水量用，應(yīng)在調(diào)壓室中最低靜水位以下。豎井是用來連接上下室和引水道與壓力管道的。剛丟棄負(fù)荷時(shí)，由于豎井?dāng)嗝孑^小，水位迅速上升，當(dāng)水位達(dá)到上室時(shí)，其上升的速度放慢，從而減小波動(dòng)振幅。當(dāng)增加負(fù)荷時(shí)，水位迅速下降到下室中，并由下室補(bǔ)充不足的水量，因此限制了水位的下降。

適用：水頭較高，要求的穩(wěn)定斷面較小，水庫(kù)水位變化比較大的水電站。

上室的底部高程由水庫(kù)最高水位控制，下室的頂部高程由水庫(kù)的死水位控制。

（4）溢流式調(diào)壓室

溢流式調(diào)壓室頂部設(shè)有溢流堰。

當(dāng)丟棄負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室的水位迅速上升，達(dá)到溢流堰頂后開始溢流，限制了水位的進(jìn)一步升高，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，溢出的水量，可以設(shè)上室加以儲(chǔ)存，也可排至下游。

（5）差動(dòng)式調(diào)壓室

由兩個(gè)直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。

特點(diǎn)：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用，其斷面由波動(dòng)穩(wěn)定條件控制。差動(dòng)式調(diào)壓室所需容積較小，水位波動(dòng)衰減得也較快。但其構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，造價(jià)高。

適用：地形和地質(zhì)條件不允許大斷面的中高水頭水電站，在我國(guó)采用較多。

（6）氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室

在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個(gè)大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用調(diào)壓室中的空氣壓縮或膨脹，來減小水位漲落的幅度。

適用：深埋于地下的引水道式地下水電站。目前我國(guó)尚未采用。

4 調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問題

調(diào)壓室在任何工作情況下都應(yīng)保證水位波動(dòng)是逐漸衰減的，即稱為穩(wěn)定的。

水電站在正常運(yùn)行中除有大的負(fù)荷變化外，也經(jīng)常不斷地發(fā)生較小的負(fù)荷變化，從而使調(diào)壓室內(nèi)水位產(chǎn)生很小的水位波動(dòng)。由于調(diào)壓室斷面面積和引水道長(zhǎng)度等因素的不同，這種波動(dòng)可能出現(xiàn)二種情況：一種是波動(dòng)發(fā)生后周期性或非周期性地衰減下去，調(diào)壓室內(nèi)隨之達(dá)到新的穩(wěn)定水位而不再波動(dòng)。另一種是在發(fā)生小波動(dòng)后，振幅不是衰減而是逐漸增大，引起機(jī)組工作的不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為調(diào)壓室工作情況的不穩(wěn)定現(xiàn)象，設(shè)計(jì)調(diào)壓室時(shí)應(yīng)避免這種情況。因此必須研究調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定條件及改善波動(dòng)穩(wěn)定途徑。

托馬穩(wěn)定條件是在一些假定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)水電站的情況作某些修正。

（1）大波動(dòng)的穩(wěn)定條件

如果調(diào)壓室水位的波動(dòng)幅值較大，則波動(dòng)微分方程式不能認(rèn)為是線性的了，因此托馬條件不能直接應(yīng)用于大波動(dòng)。研究表明，如小波動(dòng)穩(wěn)定不能保證，大波動(dòng)必然不能衰減。

（2）調(diào)壓室底部流速水頭的影響

對(duì)引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，它相當(dāng)于加大了摩阻損失。但對(duì)水輪機(jī)來說，并不減小水電站的有效水頭。

引水道的直徑越大，長(zhǎng)度越短，流速水頭的影響也越顯著。

（3）水輪機(jī)效率的影響

在前面假定水輪機(jī)的效率為常數(shù)，實(shí)際上水輪機(jī)的效率是隨著水頭和流量的變化而變化的。

水輪機(jī)效率、調(diào)速器和電力系統(tǒng)等因素對(duì)穩(wěn)定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎(chǔ)上才加以考慮。

（4）電力系統(tǒng)的影響

對(duì)于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位變化而引起出力變化時(shí)，只能依靠本電站水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)使出力保持常數(shù)。如果水電站在系統(tǒng)中運(yùn)行，則可由系統(tǒng)中的各電站的機(jī)組共同來保證系統(tǒng)出力不變，因此可減小本電站流量變化的幅度，有助于調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定。

5 第七節(jié)調(diào)壓室水力計(jì)算條件

5.1 水位波動(dòng)的穩(wěn)定性計(jì)算

由公式可以看出：

1.水頭H0

1.上游水庫(kù)水位：取正常發(fā)電可能出現(xiàn)的最高水位，一般按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算。

2.引水道的糙率：取可能的最小值。

3.計(jì)算工況：一般按丟棄全負(fù)荷考慮。即流量由Qmax減至空轉(zhuǎn)流量Qxx（Q=0）。

5.3 最低涌波水位的計(jì)算

1.上游水庫(kù)水位：取可能的最低水位。

2.引水道糙率：？取可能的最大值。

3.計(jì)算工況：

（1）在初步設(shè)計(jì)階段，通常采用其余所有機(jī)組均滿負(fù)荷運(yùn)行，而最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行的情況作為設(shè)計(jì)工況，但最后加入的容量應(yīng)不小于電站總?cè)萘康?/3。

（2）對(duì)于一般的調(diào)壓室，還應(yīng)計(jì)算在最低庫(kù)水位下丟棄全負(fù)荷后水位波動(dòng)的第二振幅，以檢驗(yàn)其是否低于增荷時(shí)的最低涌波水位。