氣墊式調(diào)壓室控制閾值整定方法研究

歐 傳 奇，劉 德 有，，周 領(lǐng)

(1.國際小水電中心，浙江 杭州 310002； 2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

氣墊式調(diào)壓室多采用“等P0·V0值”模式控制(P0，V0分別為穩(wěn)定運行時室內(nèi)氣體絕對壓力、氣體體積)。在恒溫閉氣條件下，該模式可自適應(yīng)工況轉(zhuǎn)換，而無需進行補氣、排氣。不過受工程地質(zhì)、防滲、施工條件等限制，氣室漏氣不可避免[1-3]，室內(nèi)溫度也不可能完全遵循等溫過程[1，4]。為控制好室內(nèi)水位及氣壓，確保電站安全運行，需在其運行控制系統(tǒng)中設(shè)置補氣、排氣、報警、緊急停機等操作的系列參數(shù)控制閾值，即氣墊式調(diào)壓室控制閾值，簡稱：氣室控制閾值。鑒于大體積高壓氣體的存在，準確整定氣室控制閾值尤為重要，據(jù)悉挪威Kvilldal電站12.5萬m3氣墊式調(diào)壓室的爆炸力相當于約200 t TNT炸藥[5]，一旦失事則后果不堪設(shè)想。

關(guān)于氣室控制閾值整定，國外(以挪威為主)因相關(guān)工程地質(zhì)條件好，漏氣量小(普遍在100 Nm3/h以內(nèi))，一般僅需按設(shè)定水位進行補氣、排氣，故對此并未重視，其控制參數(shù)選取單一，閾值整定較為粗糙[6]，可借鑒的經(jīng)驗不多。我國自然地質(zhì)條件與挪威差異較大，從實際應(yīng)用來看，漏氣較為普遍(自一里1 800～2 400 Nm3/h，小天都900～1 200 Nm3/h)[7]，在改善滲漏條件的同時，研究合理的運行控制模式及補氣、排氣閾值整定方法對促進我國氣墊式調(diào)壓室的發(fā)展具有重要意義。在這方面，劉德有等[8]針對我國第一座氣墊式調(diào)壓室，給出了最大、最小P0·V0值取值工況和簡單的運行控制建議。因該調(diào)壓室為地面全鋼包式，漏氣量很小，室內(nèi)壓力也低，不具有代表性。薛志剛等[9]給出了“等P0·V0值”模式穩(wěn)態(tài)氣室常數(shù)的取值方法及范圍建議，但并未涉及更多的補氣、排氣控制閾值整定內(nèi)容。劉九等[10]較為完整地給出了野三河工程的相關(guān)閾值和參數(shù)測量方法，但并未給出各項閾值確定的依據(jù)，而且針對的是等面積體型，未提及對其他體型的適用性。本文基于通用的體型關(guān)系式，通過分析相關(guān)控制閾值的動靜態(tài)變化范圍及其疊加識別方法，給出適合各類體型控制閾值確定的一般方法與原則。

2 “等P0·V0值”模式與控制參數(shù)選擇

2.1 “等P0·V0值”模式特征及參數(shù)優(yōu)選

采用這種模式，需要確定合理的“P0·V0值”，即氣室的初始充氣量，習慣稱之為氣室控制常數(shù)，記作CT0。對于“等面積”體型，常將其除以斷面面積后的“P0·L0”值作為氣室控制常數(shù)(L0為室內(nèi)氣墊按相應(yīng)斷面折算后的高度)。

CT0值與取值工況的選擇無關(guān)，為方便設(shè)計計算，習慣選為“上庫發(fā)電最高水位、全廠停機工況”，并稱此為氣室設(shè)計靜態(tài)工況。給定該工況室內(nèi)水位，可按式(1)求得CT0值：

(1)

式中：Ls0為設(shè)計靜態(tài)工況室內(nèi)水深，m；Zb為調(diào)壓室底板高程，m；P0為設(shè)計靜態(tài)工況室內(nèi)氣體絕對壓力，m；Zumax為發(fā)電最高庫水位，m；ha為當?shù)卮髿鈮?，m；V0為設(shè)計靜態(tài)工況室內(nèi)氣體體積，與相應(yīng)室內(nèi)水深具有線性或近似線性關(guān)系，m3；k1，k2為由氣墊式調(diào)壓室體型確定的體積系數(shù)，等面積體型k1為調(diào)壓室斷面面積，k2為調(diào)壓室總折算高度；非等面積體型，可由波動范圍內(nèi)兩組數(shù)據(jù)點確定。

當已知CT0值及相應(yīng)室內(nèi)水深Ls0后，任意穩(wěn)定工況i的室內(nèi)水位、氣體絕對壓力及氣體體積等初始參數(shù)均可由式(2)確定。

(2)

式中：b，c，k3為計算系數(shù)。

為了確保氣墊式調(diào)壓室的長期安全可靠運行，盡可能地減少補氣操作，CT0取“滿足最小安全水深要求并預(yù)留一定安全裕度的較大值”[9]。

2.2 運行控制參數(shù)選擇

采用“等P0·V0值”模式，各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，只要控制CT0值在合理范圍內(nèi)就能保證電站安全穩(wěn)定運行，因此CT0是重要的控制對象。由于CT0是通過測量氣室壓力P和水氣差壓(測量出室內(nèi)水深進而計算出氣體體積V)經(jīng)計算間接獲取的，僅與穩(wěn)態(tài)值相匹配，大波動過渡過程中的動態(tài)值將發(fā)生改變。為此需選取PV值作為控制參數(shù)，記CT=P·V，稱CT為氣室控制參數(shù)，并取室內(nèi)水位Z(或水深Ls)、氣體壓力P作為輔助控制參數(shù)，以策安全。

3 CT值變化范圍研究

允許CT0在一定范圍內(nèi)變化，有助于減少運行費用和簡化控制程序。允許變化范圍由CT值穩(wěn)態(tài)變化范圍與CT值動態(tài)變化范圍共同決定。其中，穩(wěn)態(tài)變化由氣體漏損等因素引起，其設(shè)計值為CT0；動態(tài)變化由水力瞬變引起，動態(tài)變化過程以穩(wěn)態(tài)值為初值，圍繞其上下波動最終穩(wěn)定至漏氣后的新的穩(wěn)態(tài)值。

3.1 穩(wěn)態(tài)CT值的變化范圍

氣墊式調(diào)壓室深埋地下，室內(nèi)溫度基本不受季節(jié)變化影響(實測約在2 ℃以內(nèi)[1])，對主要參數(shù)控制值影響有限，因此引起穩(wěn)態(tài)CT值變化的主要因素是氣體漏損。根據(jù)工程設(shè)計控制要求，正常情況下室內(nèi)氣體漏損極其緩慢，則CT值穩(wěn)態(tài)變化可視為符合等溫規(guī)律的若干CT0值的疊加，可參照式(1)求得。

CT0=k1(k3-Ls0)(k2-Ls0)

(3)

穩(wěn)態(tài)CT值是靜態(tài)工況室內(nèi)水深Ls0的二次函數(shù)，其最大水深偏離對稱軸約0.5P0，在水位可能波動范圍內(nèi)，兩者實際近似成線性關(guān)系。

穩(wěn)態(tài)CT值允許變化范圍需經(jīng)水力過渡過程計算和穩(wěn)定分析確定。研究表明[4，9]：隨著漏氣量的增加，設(shè)計工況靜態(tài)工況水深逐漸增加，穩(wěn)態(tài)CT值降低，使得氣墊式調(diào)壓室穩(wěn)定氣體體積安全系數(shù)降低、而室內(nèi)最大氣壓及蝸殼進口最大內(nèi)水壓力增大。因此，CT0值下界由穩(wěn)定條件和壓力參數(shù)控制要求(氣室最大壓力及蝸殼進口最大內(nèi)水壓力等)決定；反之，隨著設(shè)計工況靜態(tài)工況水深逐漸減小，穩(wěn)態(tài)CT值增加，氣墊式調(diào)壓室最小安全水深逐漸降低，CT0的上界由最小安全水深要求決定。由此根據(jù)式(4)可以確定穩(wěn)態(tài)CT值的變化范圍(見圖1)。

圖1 穩(wěn)態(tài)CT值變化范圍示意Fig.1 Change range of steady-state CT value

3.2 動態(tài)CT值及其動態(tài)變化

快速的水力瞬變過程致使室內(nèi)氣體傳熱不充分的溫度變化，是引起動態(tài)CT值變化的主要原因。CT值的動態(tài)變化以穩(wěn)態(tài)CT值為初值，對應(yīng)穩(wěn)態(tài)CT值范圍內(nèi)的每個CT值均有一組最大動態(tài)波動曲線，由此疊加成一個更大的變化區(qū)間(見圖2)。動態(tài)變化下限由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定(其最大值決定對穩(wěn)態(tài)變化下限的擾動范圍)，動態(tài)變化上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定(其最小值決定對穩(wěn)態(tài)變化上限的擾動范圍)。相對穩(wěn)態(tài)值的增加范圍可由下式進行估算：

(6)

式中：m為氣體多變指數(shù)。

受高壓氣墊限制，體積變化率不會太大，取±0.25估算，氣體多變指數(shù)按最不利情況取m=1.4，則CT動態(tài)變幅約為穩(wěn)態(tài)的10%，既不可忽略也不太大，且隨著氣體漏損波幅逐漸減小(見圖2)。

圖2 動態(tài)CT值變化范圍示意Fig.2 Dynamic CT value range

3.3 CT變化范圍分區(qū)及補排氣要求

由穩(wěn)態(tài)、動態(tài)變化范圍的上下限可將允許的CT變化范圍分為7個區(qū)域(見圖3)。其中，穩(wěn)態(tài)變化下限(對應(yīng)室內(nèi)最大初始水深)由穩(wěn)定條件及壓力控制要求共同決定；穩(wěn)態(tài)變化上限(對應(yīng)室內(nèi)最小初始水深)由最小安全水深控制要求決定；動態(tài)變化下限由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定，動態(tài)變化上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定。顯而易見：

(1)區(qū)域1為安全不控區(qū)域。即當CT在區(qū)域1內(nèi)時，不論CT值為穩(wěn)態(tài)值還是動態(tài)值，均能滿足設(shè)計要求，無須進行補排氣動作。

(2) 區(qū)域6和區(qū)域7為不安全嚴控區(qū)域。即當CT在該區(qū)域內(nèi)時，無論CT值為穩(wěn)態(tài)值還是動態(tài)值，均表明危險已發(fā)生，是絕不允許的。

(3) 區(qū)域2和區(qū)域4為動態(tài)值不允許控制區(qū)域。當CT在該區(qū)域內(nèi)時，存在動態(tài)參數(shù)干擾的可能，若CT值為穩(wěn)態(tài)值是安全的，若為動態(tài)值則是危險的，位于區(qū)域2時需考慮排氣，位于區(qū)域4時則需考慮補氣。

圖3 CT值的可能變化范圍的分區(qū)Fig.3 Division of possible change range of CT value

(4)區(qū)域3和區(qū)域5為靜態(tài)值不允許控制區(qū)域。當CT在該區(qū)域內(nèi)時，存在動態(tài)參數(shù)干擾的可能，若CT值為動態(tài)值是安全的，若為穩(wěn)態(tài)值則是危險的，位于區(qū)域3時需考慮排氣，位于區(qū)域5時則需考慮補氣。

4 CT值閾值整定方法

4.1 補氣和排氣控制閾值整定方法與原則

補氣是為了恢復CT0值，其閾值應(yīng)按控制參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值設(shè)置，且因氣體漏損相對緩慢(自一里總高度12 m的氣室內(nèi)設(shè)計水深從4 m上升至5 m的時間約為2 a[7])，穩(wěn)態(tài)CT值可調(diào)范圍較大，可放低對控制閾值信號的實時性和精度要求。對于排氣，除輸水系統(tǒng)放空檢修外，正常情況是不必要的，若發(fā)生即屬非正常情況，因此排氣閾值應(yīng)按控制參數(shù)的動態(tài)值設(shè)置，且應(yīng)具備良好的實時性。為使補氣平穩(wěn)、排氣順暢，并減少設(shè)備投入頻次、方便其輪回檢修維護、提高系統(tǒng)整體安全性，設(shè)置工作、備用補氣空壓機各一臺并自動定時切換，設(shè)置工作、備用排氣閥各一只并自動定時切換?？諌簷C所有的自動控制由現(xiàn)地控制單元控制，所有控制閾值、報警、亮燈等故障信號及空壓機工作狀況均應(yīng)上傳至梯調(diào)中心[10]。以此為前提，確定補排氣控制閾值選取原則如下。

4.1.1補氣空壓機動作及控制閾值選取原則

(1) 以維持電站實際運行靠近設(shè)計值且不受動態(tài)參數(shù)影響設(shè)置補氣工作空壓機啟動閾值。補氣工作空壓機投入早，可縮小CT值偏離設(shè)計值CT0的距離，維持電站長時間在設(shè)計值附近運行，但增加了補氣工作空壓機啟停頻次；補氣工作空壓機投入遲，則實際運行偏離設(shè)計值較大、連續(xù)補氣時間較長，降低了管道最大壓力等主要設(shè)計控制參數(shù)的安全裕度。考慮實際工程中漏氣速率較為緩慢，可在越過區(qū)域2后，在靠近區(qū)域1上邊界附近選取控制閾值(一般對應(yīng)設(shè)計工況水深上升約0.3～0.5 m)。工作空壓機投入時亮工作信號燈以明示。

(2) 根據(jù)事態(tài)進一步發(fā)展及視電站特征、危險概率設(shè)置備用空壓機啟動閾值。當CT值降至區(qū)域4內(nèi)時，發(fā)生動態(tài)值時觸發(fā)危險，對于常規(guī)電站，因其工況轉(zhuǎn)換少，停機或穩(wěn)定運行(包括小擾動)是大概率，觸發(fā)危險的概率小，可暫不開啟備用空壓機，視CT值進一步變化再做決定；而抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換頻繁，發(fā)生危險情況概率大，需開啟備用空壓機補氣，視CT值進一步變化而作是否停機的決定。當CT值持續(xù)降至區(qū)域5內(nèi)時，發(fā)生穩(wěn)態(tài)值時觸發(fā)危險，此時常規(guī)電站應(yīng)開啟備用空壓機補氣，不論常規(guī)電站還是抽水蓄能電站均應(yīng)亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機信號。

(3) 以維持電站實際運行大概率在設(shè)計值附近設(shè)置充氣及補氣空壓機停機閾值。除遇事故情況外，取氣室控制常數(shù)CT0作為所有充氣、補氣空壓機停機閾值。初期充氣時，可手動開啟充氣空壓機，連續(xù)充氣使CT值達到設(shè)計值CT0后即自動停機。為防止動態(tài)信號干擾引起的過補(超出區(qū)域2進入?yún)^(qū)域3，充氣情況不存在)，初始充氣或補氣至CT0附近時，可在進入?yún)^(qū)域2后通過逐漸關(guān)閉補氣空壓機減小補氣速率予以控制。

4.1.2排氣閥動作及控制閾值選取原則

(1) 依據(jù)設(shè)計、校核最小水深設(shè)置工作和備用排氣閥啟動閾值。排氣采用水深等參數(shù)作為控制參數(shù)，在保證電站安全的情況下，以盡量減少空壓機運行概率為原則，設(shè)定工作排氣閥投入條件。當調(diào)壓室水位下降至設(shè)計工況允許的最低水位值(對應(yīng)室內(nèi)最小水深不小于2.0 m的設(shè)計要求)或壓力已達到最小值時，打開工作排氣閥進行排氣，亮工作信號燈。當調(diào)壓室水位下降至電站所有工況允許的最低水位(對應(yīng)室內(nèi)最小水深不小于1.5 m的校核要求)或CT值、氣室壓力值達到按過渡過程確定的最大值時，打開備用排氣閥排氣，亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機指令。

(2) 在確保安全的前提下以避免過排設(shè)置排氣閥關(guān)閉閾值。過渡排放會增加再次投入運行時補氣量。通常在確保停機的情況下，排氣至區(qū)域1上邊界即可。

(3) 按照溫控要求控制好調(diào)壓室放空檢修排氣速率。調(diào)壓室放空檢修時排氣速率過快，則氣室溫度可能驟然降低至冰點以下[11]，使調(diào)壓室水體凍結(jié)，監(jiān)測設(shè)備及結(jié)構(gòu)物遭受破壞。宜設(shè)置測溫系統(tǒng)，配合工作。

4.1.3補氣和排氣空壓機的自動運行閾值整定

根據(jù)上述原則結(jié)合實際工程運行控制經(jīng)驗，可將補、排氣空壓機的自動運行閾值整定如下：

(1) 初期充氣時，手動開啟充氣空壓機，連續(xù)充氣使CT值達到設(shè)計值CT0后即自動停機。

(2) 當CT值至區(qū)域2降至區(qū)域1往下的某一整數(shù)值時(對應(yīng)設(shè)計工況水深上升約0.3～0.5 m)，啟動工作空壓機補氣，同時亮工作信號燈。

(3) 當調(diào)壓室內(nèi)CT值降至區(qū)域4內(nèi)時，抽水蓄能電站啟動備用空壓機補氣。當調(diào)壓室內(nèi)CT值繼續(xù)降至區(qū)域5內(nèi)時，常規(guī)電站啟動備用空壓機補氣，不論常規(guī)電站還是抽水蓄能電站均應(yīng)亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機信號。

(4) 當調(diào)壓室內(nèi)CT值大于CT0設(shè)計值，且氣壓上升至過渡過程計算所允許的室內(nèi)最高氣壓值(簡稱事故高壓值)時，開啟排氣閥進行排氣并報警。

(5) 當調(diào)壓室內(nèi)水位下降至事故低水位值時，事故低液位報警，開啟備用排氣閥進行排氣，同時停發(fā)電機組。

4.2 CT值狀態(tài)識別及其對閾值整定的改進作用

如前所述，真正需要控制的是穩(wěn)態(tài)CT值的變化。若實際量測系統(tǒng)不能準確地識別系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，則無法區(qū)分CT值波動是由工況變化引起的(不需要補氣)還是由氣體損耗所引起的(需要補氣)。為了確保電站安全穩(wěn)定運行，對于某些不需要氣和補排氣的情況同樣操作了補排氣設(shè)備，甚至還發(fā)出了停機信號，這樣勢必會給運行控制帶來麻煩和增加運行控制成本。識別系統(tǒng)運行狀態(tài)的方法主要有如下幾種：

(1) 關(guān)聯(lián)引起水力瞬變的控制信號。因氣墊式調(diào)壓室布置一般靠近廠房，將其控制系統(tǒng)整合至電站中控室，可將機組、閘門或閥門等設(shè)施的動作信號與調(diào)壓室補氣和排氣設(shè)施的運行控制相關(guān)聯(lián)，據(jù)此進行識別。該方法具有準確、快速的特征，但可能會增加線路長度和設(shè)施成本。

(2) 通過實時測量并繪制相關(guān)參數(shù)過程線進行判斷。實際工程中，氣墊式調(diào)壓室多采取了防滲漏措施(如水幕、鋼包)，密閉性總體較好，短時間內(nèi)不會產(chǎn)生危險的漏氣量(一般小于40 Nm3/min，需要1～2個月甚至更長的時間才需要補氣一次)，而調(diào)壓室相關(guān)參數(shù)波動周期大約只有幾分鐘。因此，通過實時測量并繪制室內(nèi)壓力、水深、CT值等某一參數(shù)的過程線，只需約1/4個周期即可識別系統(tǒng)的運行狀態(tài)。需先行估算控制滯后造成的漏氣量是否被運行，估算公式可參考Tokheim等提出的經(jīng)驗公式[12]。其中，調(diào)壓室的周期可通過下式進行估算(m取1.4)：

(7)

式中：T為調(diào)壓室周期，s；L，f為輸水道長度、斷面面積；其他符號意義同前。

(3) 通過氣體多變數(shù)值變化情況進行判斷。由于引起CT值動態(tài)變化的根源在于氣體熱力學的非等溫過程，則不論短時段內(nèi)室內(nèi)其他參數(shù)變化量有多小，只要發(fā)生引起CT值不可忽略的過渡過程，則氣體多變指數(shù)m值必然與1有顯著差別，并可取連續(xù)取多組有效測量數(shù)據(jù)按下式計算得出：

(8)

數(shù)據(jù)時間間隔應(yīng)考慮兩點數(shù)據(jù)變化的可識別度并參考波動周期進行選擇(建議不小于2～5 s)，并應(yīng)首先判斷兩點數(shù)據(jù)是否十分接近。

(4) 采用數(shù)學算法進行分析判斷。這些數(shù)學識別算法包括主元分析、聚類算法、動態(tài)交互信息算法[13-16]等，具有精度高、速度快的特點，需要設(shè)計專門的識別器。

采取狀態(tài)識別措施后，運行控制只需關(guān)注穩(wěn)態(tài)值，在氣室控制常數(shù)CT0允許的上下限附近，按照一定水深等差設(shè)置工作、備用排氣閥和補氣空壓機的先后投入的控制閾值。

5 結(jié) 論

受漏氣及季節(jié)性溫度變化等影響，采用“等P0·V0值”運行控制模式時，仍需要進行補、排氣操作。經(jīng)研究分析，本文可以得出如下主要結(jié)論。

(1) 運行控制中，一般選取CT(CT=P·V)作為控制參數(shù)，并采用室內(nèi)水位(室內(nèi)水深)、氣體壓力作為輔助控制參數(shù)。需控制的是穩(wěn)態(tài)CT值，但其受動態(tài)CT值的干擾。允許的CT值變化范圍由CT值穩(wěn)態(tài)變化范圍與CT值動態(tài)變化范圍共同決定，可分區(qū)對各閾值進行整定：① 對于穩(wěn)態(tài)CT值下界，由穩(wěn)定條件和壓力參數(shù)控制要求決定，上界由氣墊式調(diào)壓室最小安全水深要求決定。設(shè)計值即為氣室控制常數(shù)CT0，按照滿足最小安全水深并盡量減小管道內(nèi)的水錘壓力的原則，靠近上邊界取值。② 對于動態(tài)CT值下限，由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定，上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定。

(2) 補氣控制閾值信號的實時性和精度要求低，可按控制參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值設(shè)置。分區(qū)進行閾值整定時，應(yīng)以維持電站實際運行靠近設(shè)計值且不受動態(tài)參數(shù)影響設(shè)置補氣工作空壓機啟動閾值，并根據(jù)事態(tài)進一步發(fā)展及視電站特征、危險概率設(shè)置備用空壓機啟動閾值，以維持電站實際運行大概率在設(shè)計值附近設(shè)置充氣及補氣空壓機停機閾值。

(3) 排氣控制閾值實時性要求高，應(yīng)按控制參數(shù)的動態(tài)值設(shè)置。分區(qū)進行閾值整定時，應(yīng)依據(jù)設(shè)計、校核最小水深設(shè)置工作和備用排氣閥啟動閾值，在確保安全的前提下以避免過排設(shè)置排氣閥關(guān)閉閾值。放空檢修時還需按照溫控要求控制好調(diào)壓室排氣速率。

(4) 識別系統(tǒng)運行狀態(tài)，消除動態(tài)CT值干擾，可減少不必要的補排氣動作。可取方法包括：① 關(guān)聯(lián)引起水力瞬變的控制信號；② 通過實時測量并繪制相關(guān)參數(shù)過程線進行判斷；③ 通過氣體多變數(shù)值變化情況進行判斷；④ 采用數(shù)學算法進行分析判斷等方法進行識別。采取狀態(tài)識別措施后，運行控制只需關(guān)注穩(wěn)態(tài)值，可免去對動態(tài)參數(shù)的計算分析，在氣室控制常數(shù)CT0允許的上下限附近，按照一定水深等差設(shè)置工作、備用排氣閥和補氣空壓機的控制閾值，極大地方便設(shè)計和運行控制。