淺談水電站調(diào)壓室的設(shè)置

陳德潤(rùn)，涂 憶

(1.黔南布依族苗族自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 都勻 558000；2.黔南布依族苗族自治州水土保持站，貴州 都勻 558000)

1 調(diào)壓室的作用及設(shè)置調(diào)壓室的條件

1.1 調(diào)壓室的作用

1)由于調(diào)壓室具有自由水面和擴(kuò)大斷面，由高壓水道傳來(lái)的正水錘波到達(dá)調(diào)壓室后，就會(huì)立即產(chǎn)生負(fù)水錘波反射回去，阻止了正水錘波向上游繼續(xù)傳播，使引水道中只有很小的壓力升高，因而其結(jié)構(gòu)厚度可以減小。

2)可以改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。

3)減少引水系統(tǒng)中的水錘壓力。

1.2 調(diào)壓室設(shè)置的條件

調(diào)壓室的作用主要是在于減少水錘的影響，設(shè)置調(diào)壓室需要增加投資，因此根據(jù)影響水錘壓力大小的主要因素來(lái)判斷是否需要建造調(diào)壓室是十分有必要的，一般根據(jù)下式來(lái)判斷是否需要設(shè)置調(diào)壓室，當(dāng)下式成立時(shí)，則需要建造調(diào)壓室：

∑Livi>KH0

(1)

式中：∑Livi為引水系統(tǒng)中具有相同流速的各段長(zhǎng)度與其流速乘積的總和，m2/s；H0為水電站最小水頭，m；K為k可采用16-20，在系統(tǒng)中所占比重不大時(shí)k可取值范圍為20-50。式一只能初步估計(jì)有無(wú)設(shè)置調(diào)壓室的必要，最后應(yīng)根據(jù)實(shí)際水錘壓力和機(jī)組的調(diào)節(jié)保證計(jì)算的成果，以及施工條件和造價(jià)等通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終確定是否設(shè)置調(diào)壓室[1]。

2 調(diào)壓室的布置方式及基本要求

2.1 調(diào)壓室的布置方式

由于電站引水系統(tǒng)的條件不同，調(diào)壓室的引水系統(tǒng)主要有以下幾種布置方式：

引水調(diào)壓室：調(diào)壓室是布置在廠(chǎng)房的上游引水系統(tǒng)上，以減小上游引水系統(tǒng)的水錘壓力。

尾水調(diào)壓室：當(dāng)廠(chǎng)房出水尾水段具有比較長(zhǎng)的出水有壓水隧洞時(shí)，一般的在出水有壓部位設(shè)置調(diào)壓室減小尾水段的出水水錘壓力，防止機(jī)組在停機(jī)時(shí)產(chǎn)生比較大的水錘(負(fù)水錘)，使尾水隧洞發(fā)生水柱中段的現(xiàn)象，因此在水輪機(jī)的出水設(shè)置尾水調(diào)壓室。

進(jìn)水段、出水段雙調(diào)壓室系統(tǒng)： 在地下式水電站廠(chǎng)房中，廠(chǎng)房的上游和下游都有比較長(zhǎng)的引水有壓隧洞(或管道)，為了減小整個(gè)系統(tǒng)中的水錘壓力，改善機(jī)組的運(yùn)行工況，因此在廠(chǎng)房的上游引水隧洞和廠(chǎng)房的下游尾水出水隧洞設(shè)置調(diào)壓室，即為進(jìn)出水段雙調(diào)壓室。

進(jìn)水段雙調(diào)壓室系統(tǒng)：在水電站進(jìn)水系統(tǒng)中，上游如果有較長(zhǎng)的引水隧洞(管道)，有時(shí)需要設(shè)置兩個(gè)或更多的調(diào)壓室，靠近廠(chǎng)房最近的調(diào)壓室對(duì)于反射水錘波起主導(dǎo)作用，因此稱(chēng)為主調(diào)壓室，靠近主調(diào)壓室前端的調(diào)壓室用以反射越過(guò)主調(diào)壓室的水錘波，改善引水系統(tǒng)的工作條件，幫助主調(diào)壓室衰減引水隧洞(管道)的波動(dòng)，因此稱(chēng)為輔助調(diào)壓室。輔助調(diào)壓室越接近主調(diào)壓室，所起的作用越大，越靠近引水進(jìn)口端，作用越小。引水系統(tǒng)中的波動(dòng)衰減由兩個(gè)調(diào)壓室或更多調(diào)壓室共同承擔(dān)，增加一個(gè)調(diào)壓室的斷面可以減少另一個(gè)調(diào)壓室的斷面，但兩個(gè)調(diào)壓室的斷面之和總大于只設(shè)一個(gè)調(diào)壓室的斷面。進(jìn)水段雙調(diào)壓室系統(tǒng)的水位波動(dòng)現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，它們是相互制約和誘發(fā)的作用很大，因此，應(yīng)合理選擇兩個(gè)調(diào)壓室的位置和斷面，使引水系統(tǒng)的波動(dòng)能較快的衰減。

2.2 調(diào)壓室的設(shè)置基本要求

根據(jù)調(diào)壓室的功用和工作條件可知，一個(gè)好的調(diào)壓室應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足下列基本要求：

1)應(yīng)能充分反射高壓水道傳來(lái)的水錘波，以減小高壓水道中的水錘壓力，并阻止水錘波進(jìn)入引水道。因此，調(diào)壓室與引水道聯(lián)接處應(yīng)有較大的面積；

2)應(yīng)能保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件。因此，要求在調(diào)壓室中發(fā)生的一切水位波動(dòng)都必須具有逐漸衰減的性質(zhì)，而且衰減得愈快愈好，不允許在其中發(fā)生共振，共振會(huì)破壞機(jī)組的正常工作；波動(dòng)衰減過(guò)慢，會(huì)使電站長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)下工作，影響供電質(zhì)量。如果采用的調(diào)壓室，其工作區(qū)具有足夠大的橫斷面積，就可以滿(mǎn)足這一要求；

3)在負(fù)荷變化時(shí)，引起的波動(dòng)振幅小，頻率低。這樣就可以減小調(diào)壓室的高度和機(jī)組的轉(zhuǎn)速偏差率，對(duì)調(diào)速器的工作和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也較有利；

4)工程安全可靠，施工簡(jiǎn)單方便，造價(jià)經(jīng)合理。

3 調(diào)壓室的基本類(lèi)型及適用條件

根據(jù)水力條件和結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)，調(diào)壓室可以分為簡(jiǎn)單調(diào)壓室，阻抗式調(diào)壓室，差動(dòng)式調(diào)壓室，具有擴(kuò)大室的調(diào)壓室以及溢流式調(diào)壓室[2]。

簡(jiǎn)單調(diào)壓室：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是自上而下具有相同的橫斷面，它可以在頂部設(shè)溢流口以限制上涌浪高。簡(jiǎn)單調(diào)壓室一般有較大的容積，底部和高壓水道連接處斷面也較大，故反射高壓水道傳來(lái)的水錘波和減小水錘壓力特別有效，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便。其缺點(diǎn)是在恒定流情況下，水流通過(guò)調(diào)壓室底部進(jìn)入壓力水管時(shí)，突然擴(kuò)大后又突然收縮，水頭損失較大，在非恒定流時(shí)，由于調(diào)壓室底部阻抗很小，水流進(jìn)出調(diào)壓室時(shí)能量損失不大，故波動(dòng)的振幅大，衰減慢。這種形式多用于中、低水頭或容量較小的水電站中。

阻抗式調(diào)壓室:阻抗式調(diào)壓室與簡(jiǎn)單式調(diào)壓室不同之點(diǎn)是調(diào)壓室底部與引水道連接處做成相當(dāng)小的管或孔口，它對(duì)進(jìn)出調(diào)壓室的水流起阻抗作用。當(dāng)丟棄負(fù)荷時(shí)，水流由引水道經(jīng)阻力孔進(jìn)入調(diào)壓室，阻抗會(huì)使誰(shuí)的能力損失增加，因而減小了水位波動(dòng)的振幅，這樣可以使調(diào)壓室的高度降低，室中的波動(dòng)衰減也較快，在正常運(yùn)行時(shí)，水頭損失較簡(jiǎn)單調(diào)壓室小。

差動(dòng)式調(diào)壓室:它由兩個(gè)直徑不同的同心圓筒組成，中間圓筒直徑較小，一般采用等于引水道直徑，上有溢流口，通常稱(chēng)為升井，其底部以阻力孔口與外面的大井相連。當(dāng)棄荷時(shí)，升管中的水位迅速上升，使水錘波很快反射回去，既減小了高壓水道中的水錘壓力，也阻止了水錘波向引水道中的傳播，當(dāng)水位超過(guò)升管頂部時(shí)，即向大井溢流，因而限制了水位的升高，減小了振幅和調(diào)壓室的高度。阻力孔的作用是減小大井中水位波動(dòng)的振幅。當(dāng)增負(fù)荷時(shí)，主要由大井經(jīng)阻力孔向高壓水道供水，因此這種調(diào)壓室具有阻抗式和溢流式調(diào)壓室的優(yōu)點(diǎn)，在減小水錘壓力、使波動(dòng)迅衰減、需要的較容積較小和運(yùn)用可靠等方面都比較優(yōu)越。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比教復(fù)雜，在負(fù)荷變化時(shí)，升管中水位升降急劇，升管與大井中的水位差很大，溢流時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)不利，對(duì)于塔式結(jié)構(gòu)影響更大。

具有擴(kuò)大室的調(diào)壓室：這種調(diào)壓室多在巖石中開(kāi)挖而成，很少作成地面塔式的，它可以做成上室式，下室式或雙室式，中間用斷面較小的豎井或斜井相連。上室供丟棄負(fù)荷時(shí)蓄水用，它對(duì)減小水面振幅、限制上涌浪高特別有效，當(dāng)水位下降時(shí)，上室中的存水即流回豎井以補(bǔ)充水量。下室供增加負(fù)荷時(shí)向高壓水道補(bǔ)充水量，以保證下涌浪不會(huì)太低，避免在壓力水道中產(chǎn)生真空或壓力不足的現(xiàn)象。中間的豎井或斜井用來(lái)連接上、下室以及高壓水道與隧洞，如果采用雙室式，則可同時(shí)具有上室式和下室式二者的優(yōu)點(diǎn)。這種調(diào)壓室可以作成溢流式或非溢流式，如果作成溢流式，則可減小上室容積或取消上室。如果將豎井延伸入上室并在頂端作溢流口，就成為雙室差動(dòng)式調(diào)壓室，這時(shí)上室相當(dāng)于大井的作用。在正常情況下，水位一般應(yīng)位于上室和下室之間。豎井(或斜井)可以作成圓筒形或方形，前者受力條件較好。上室和下室則大多做成圓形斷面或馬蹄形斷面。簡(jiǎn)單式調(diào)壓室示意圖見(jiàn)圖1，阻抗式調(diào)壓井剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 簡(jiǎn)單式調(diào)壓室

圖2 阻抗式調(diào)壓井剖面圖

由上述可知，在具體條件下，如何選擇調(diào)壓室的布置方式和型式，是一個(gè)十分重要而復(fù)雜的問(wèn)題。調(diào)壓室型式選擇得是否合理，不僅決定著調(diào)壓室本身的經(jīng)濟(jì)與安全，而且也影響到引水道、高壓水道以及水電站的安全、經(jīng)濟(jì)與運(yùn)行，在一般情況下，各種調(diào)壓室的造價(jià)差別在整個(gè)水電站投資中所占的比重很小，但它對(duì)電站運(yùn)行和建筑物的影響則是長(zhǎng)期和重要的。因此，在確定調(diào)壓室的布置和選擇調(diào)壓室的型式時(shí)，主要應(yīng)考慮其本身的安全可靠性和工作情況的好壞，并結(jié)合樞紐布置、地形、地質(zhì)條件、施工條件以及電站的運(yùn)轉(zhuǎn)特性和穩(wěn)定要求等因素，進(jìn)行全面分析綜合考。

[1]華北水利水電學(xué)校.水輪機(jī)[M].北京：水利電力出版社，1979：69-75.

[2]武漢水利電力學(xué)院.水輪機(jī)[M].北京：電力出版社，1980：121-129.