兩種新型調(diào)壓室的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)論證

張立仁 喬娟 曾娟 鮑文 黃金水 萬(wàn)易冬 姜楊奇 洪志鵬

摘要：調(diào)壓室是保證水力發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量的常用解決方案。以差動(dòng)式及阻抗式調(diào)壓室為對(duì)比對(duì)象，設(shè)計(jì)了瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種水能自耗式調(diào)壓室，側(cè)重優(yōu)化了傳統(tǒng)調(diào)壓室的消能方式，一方面通過(guò)減小調(diào)壓室水位波動(dòng)振幅而降低其工程造價(jià)，另一方面通過(guò)加速調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減而更好地保證水電站的供電質(zhì)量。通過(guò)一系列的模型試驗(yàn)對(duì)兩種調(diào)壓室的技術(shù)可行性進(jìn)行了論證。結(jié)果表明：瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在技術(shù)上可行，各方面性能較好，可像差動(dòng)式調(diào)壓室一樣適用于中高水頭的水電站;涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室在控制涌波高度及波動(dòng)衰減時(shí)長(zhǎng)上有一定的效果，可作為傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的技術(shù)改進(jìn)方案。

關(guān) 鍵 詞：調(diào)壓室; 水能自耗; 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊; 涌波發(fā)電摻氣耗能

1 研究背景

水電是世界上的主要能源之一，具有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。它在各國(guó)電網(wǎng)的構(gòu)成中，特別是我國(guó)，所占的比重持續(xù)加大，這就更加需要水電站在各種工況下能夠保證運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量，而設(shè)置調(diào)壓室是一個(gè)常用的解決方案[1-3]。

調(diào)壓室按布置位置可分為上游調(diào)壓室及下游調(diào)壓室。以上游調(diào)壓室為例，其設(shè)置條件首先考慮的是水電站機(jī)組由停機(jī)狀態(tài)突然增荷至滿負(fù)荷的時(shí)間，也即所對(duì)應(yīng)的引水系統(tǒng)中水流由靜止增速至最大流速時(shí)所對(duì)應(yīng)的加速時(shí)間長(zhǎng)短，這主要體現(xiàn)了調(diào)壓室能夠及時(shí)給機(jī)組供水，從而改善機(jī)組運(yùn)行條件，保證電站供電質(zhì)量的功用。上游調(diào)壓室設(shè)置與否的另一依據(jù)則是反射水擊波，它能減小水電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)而引起的壓力管道內(nèi)動(dòng)水壓力的變化，從而優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行條件[4]。

隨著現(xiàn)代水力發(fā)電工程技術(shù)的發(fā)展，水電站引水系統(tǒng)的長(zhǎng)度、引用流量屢創(chuàng)新高。如錦屏二級(jí)水電站的引水系統(tǒng)長(zhǎng)約16.67 km，引流量在1 800 m3/s以上[5-7];我國(guó)已規(guī)劃建設(shè)的世界上裝機(jī)容量最大的墨脫水電站，初擬引水系統(tǒng)的長(zhǎng)度為34 km，擬引流量達(dá)2 000 m3/s以上[1]。這便需要調(diào)壓室在設(shè)計(jì)上能夠更加有效地控制水位波動(dòng)周期過(guò)長(zhǎng)、振幅過(guò)大以及衰減變慢等問(wèn)題，從而既能夠保證水電站在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量，也可以減小調(diào)壓室的高度從而降低其工程造價(jià)。

目前中高水頭、大流量的水電工程采用的開(kāi)敞式調(diào)壓室以差動(dòng)式及阻抗式居多[1，8]，如溪洛渡、白鶴灘等水電站均采用了阻抗式調(diào)壓室。陳捷平[9]、王和芬[10]、祁偉強(qiáng)[11]、李永興 [12]、馮熊[13]、童祥[14]等學(xué)者對(duì)阻抗式調(diào)壓室在長(zhǎng)引水隧洞中的應(yīng)用也進(jìn)行了相關(guān)的研究。錦屏二級(jí)等水電站采用的是差動(dòng)式調(diào)壓室，方杰[6]、繆明非[7]、郭彬[15]、周建旭[16]等學(xué)者對(duì)差動(dòng)式調(diào)壓室的應(yīng)用也進(jìn)行了系列研究。陶永霞等學(xué)者結(jié)合簡(jiǎn)單式與阻抗式調(diào)壓室，發(fā)明了一種活塞消能式調(diào)壓室[17]，通過(guò)強(qiáng)化消能來(lái)減小調(diào)壓室的涌波高度及水位波動(dòng)時(shí)間，取得了一定的效果。

結(jié)合調(diào)壓室在實(shí)際工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者所在團(tuán)隊(duì)以阻抗式及差動(dòng)式調(diào)壓室為對(duì)比對(duì)象，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式和涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種水能自耗式調(diào)壓室方案，在保證調(diào)壓室功用的前提下，側(cè)重優(yōu)化了傳統(tǒng)調(diào)壓室的消能方式，從而減小其水位波動(dòng)周期、水位波動(dòng)振幅，并加快其水位波動(dòng)的衰減。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路及原理

2.1 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室

瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)方案是將差動(dòng)式調(diào)壓室的升管高度縮短至原來(lái)的1/4左右，并在其頂部設(shè)置僅能向升管內(nèi)進(jìn)水的、與瓣膜原理相同的逆止閥，升管中部設(shè)置兩個(gè)側(cè)流孔，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及實(shí)物模型如圖1所示。

當(dāng)水電站機(jī)組棄荷時(shí)，引水系統(tǒng)的水流涌入調(diào)壓室升管后首先沖擊逆止閥消能，之后水流主流方向因在逆止閥處受阻，由垂直方向變?yōu)樗椒较驈纳苤胁康膫?cè)流孔口沖入大井，使調(diào)壓室的水流消能由鉛直方向撞擊變?yōu)樗椒较?，在消能的同時(shí)也可以避免水流向上涌動(dòng)而減小涌波升高的高度。當(dāng)水體進(jìn)入調(diào)壓室大井后，隨著水位波動(dòng)變化，會(huì)有部分水流通過(guò)升管頂?shù)哪嬷归y摩阻消能后回流至壓力管道。水流在瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的整個(gè)進(jìn)入及回流過(guò)程，很好地進(jìn)行了消能處理，從原理上可以減小調(diào)壓室水位波動(dòng)振幅，加快調(diào)壓室水位波動(dòng)及引水系統(tǒng)內(nèi)水擊波的衰減過(guò)程，從而保證水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，并減小調(diào)壓室的工程造價(jià)。

當(dāng)水電站機(jī)組增荷時(shí)，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室又可以通過(guò)升管上的側(cè)流孔及逆止閥同時(shí)且及時(shí)地向引水系統(tǒng)及機(jī)組供水，從而很好地保證機(jī)組的供電質(zhì)量。

2.2 涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室

涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)方案結(jié)合了波浪能發(fā)電原理及水電站水阻器消耗電能的工作原理，即在阻抗式調(diào)壓室內(nèi)設(shè)置涌波能發(fā)電機(jī)及電解水裝置。

已見(jiàn)報(bào)道的波浪式發(fā)電機(jī)類(lèi)型較多[18]，如筏式波浪能發(fā)電機(jī)、振蕩浮子渦輪波浪能發(fā)電機(jī)、浮力擺式發(fā)電機(jī)及振蕩水柱式波浪能發(fā)電機(jī)等。結(jié)合調(diào)壓室工程實(shí)際，涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室所配備的涌波能發(fā)電機(jī)擬選用筏式波浪能發(fā)電機(jī)，調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖如圖2所示。

當(dāng)水電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，調(diào)壓室內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)生的涌波將帶動(dòng)涌波能發(fā)電機(jī)發(fā)電，這樣一方面可以消耗水能;另一方則可以將產(chǎn)生的電能傳輸至位于調(diào)壓室中下部的電解水裝置，水電解后產(chǎn)生的氫氣和氧氣則會(huì)在向調(diào)壓室頂部自由水面涌動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓室水體的摻氣擾動(dòng)消能，同時(shí)其水氣流引起的波動(dòng)也將繼續(xù)為涌波能發(fā)電機(jī)提供發(fā)電能量。

3 可行性論證

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由上游水庫(kù)、調(diào)壓室及壓力管道等組成，如圖3所示。試驗(yàn)用調(diào)壓室模型共設(shè)置4組，即阻抗式、差動(dòng)式、瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式。4組調(diào)壓室模型的阻抗孔口與壓力管道相應(yīng)部位之間均采用插入式連接，以便各自試驗(yàn)操作。

阻抗式及差動(dòng)式調(diào)壓室模型尺寸嚴(yán)格按照調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)[2]，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了初步概化，調(diào)壓室大井的直徑均取15 cm，底部阻抗孔口的直徑均取4 cm。壓力管道直徑為5 cm，上游水庫(kù)底部壓力管道進(jìn)口中心與調(diào)壓室底部阻抗孔口中心的水平距離為118 cm，管道中間設(shè)置蝴蝶閥A。為便于對(duì)比分析，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室模型的大井及阻抗孔口尺寸同上，其中瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的升管高度及測(cè)流孔尺寸、涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室的電極片位置事先均已由率定試驗(yàn)確定。試驗(yàn)裝置縱剖面如圖4所示。

3.2 試驗(yàn)方案及觀測(cè)結(jié)果

為了能夠得到更佳的試驗(yàn)效果，結(jié)合開(kāi)敞式調(diào)壓室與上游水庫(kù)的連通器工作原理，經(jīng)反復(fù)率定，在確保與調(diào)壓室實(shí)際工作過(guò)程原理相同、能夠得到相同波動(dòng)現(xiàn)象的前提下，本次試驗(yàn)在水邊界條件模擬的處理上，取初始上游水庫(kù)水位為42.4 cm標(biāo)高，初始調(diào)壓室水位為17.6 cm標(biāo)高。

試驗(yàn)操作步驟是：待上游水庫(kù)水位與調(diào)壓室水位調(diào)至初始設(shè)定水位后，控制1 s勻速開(kāi)啟蝴蝶閥A，在連通器原理的作用下，調(diào)壓室內(nèi)水位開(kāi)始上升，待其水位上升至水庫(kù)水位42.4 cm處時(shí)，因水體運(yùn)動(dòng)慣性，調(diào)壓室水位會(huì)繼續(xù)上升而達(dá)到最高涌波水位，之后在與水庫(kù)水體連通器原理的作用下其水位又開(kāi)始下降，隨后調(diào)壓室水位波動(dòng)過(guò)程持續(xù)如此直至衰減結(jié)束。

試驗(yàn)過(guò)程設(shè)定采集的關(guān)鍵參數(shù)包括與調(diào)壓室高度相對(duì)應(yīng)的最高涌波水位，以及與水電站在電力系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)應(yīng)的調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減時(shí)長(zhǎng)，并同時(shí)記錄調(diào)壓室水面波動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)方案按調(diào)壓室類(lèi)型共設(shè)4組，每組分別進(jìn)行10次，各組試驗(yàn)成果取平均值記錄于表1。

3.3 試驗(yàn)成果小結(jié)

由表1觀測(cè)結(jié)果可以看出：①?gòu)膹?qiáng)化消能、控制水位上升過(guò)程水面紊動(dòng)的能力及限制最高涌波上升值等方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)，各組調(diào)壓室的優(yōu)劣排序?yàn)椴顒?dòng)式、瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式、涌波發(fā)電摻氣耗能式、阻抗式;② 從縮短調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)衰減總時(shí)長(zhǎng)方面評(píng)價(jià)，各組調(diào)壓室的優(yōu)劣排序?yàn)榘昴じ綦x強(qiáng)沖擊式、差動(dòng)式、涌波發(fā)電摻氣耗能式、阻抗式;③ 作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室較傳統(tǒng)的阻抗式調(diào)壓室各方面性能均有所提高，但涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室設(shè)計(jì)方案的改善效果要稍弱，且遠(yuǎn)不及差動(dòng)式調(diào)壓室。相較于差動(dòng)式調(diào)壓室，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在限制最高涌波上升高度方面稍弱，但在縮短調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)衰減總時(shí)長(zhǎng)方面要略優(yōu)。

4 結(jié) 論

（1） 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室更為強(qiáng)化水體自耗消能，在幾組調(diào)壓室模型中，可以最快地實(shí)現(xiàn)水位波動(dòng)衰減，從而縮短有壓引水系統(tǒng)由非恒定流向恒定流轉(zhuǎn)變的進(jìn)程，優(yōu)化了水電站向電網(wǎng)的供電質(zhì)量。即瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在技術(shù)上可行，可像差動(dòng)式調(diào)壓室一樣適用于中高水頭的水電站，尤其適用于因地形、地質(zhì)條件限制而不適宜設(shè)計(jì)成過(guò)高斷面或者距離地面較深的調(diào)壓室。

（2） 涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室在控制涌波高度及波動(dòng)衰減時(shí)長(zhǎng)上有一定的效果， 可作為傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的技術(shù)改進(jìn)方案。

（3） 目前瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種調(diào)壓室創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案已獲批國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，但某些結(jié)構(gòu)特征，如升管高度及測(cè)流孔位置尺寸、電極片的位置及工作穩(wěn)定性等方面還需進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)及工程實(shí)踐應(yīng)用加以優(yōu)化分析和論證。

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（編輯：胡旭東）