气垫式调压室供气供水设备选择原则.doc

气垫式调压室供气供水设备选择原则蒋登云 郭筱蓉 刘丁（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）摘要： 回顾了自一里、小天都、金康水电站气垫式调压室的供气供水设备选择原则，探讨和总结了气垫式调压室供气供水设备选择的公式，供同仁们参考和进一步完善关键词：气垫式调压室、供气供水设备、水幕、选择原则Selection Method of Compressed Air and Water Supply Equipment for Air Cushion Surge Chamber Jiang Dengyun Guo Xiaorong LiudingChengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute of CHECCAbstract: Review selection method of compressed air and water supply equipment for air cushion surge chamber in Ziyili,Xiaotiandu and Jinkang Hydropower Station;Discuss and summarize the selection formula of compressed air and water supply equipment for air cushion surge chamber so as to be consulttd and consummated by colleagues.Key Words:Air cushion surge chamber; Compressed air and water supply equipment; Water curtain ;Selection method1慨述气垫式调压室是一种在岩体内由岩壁和水面围成的封闭式气室，并利用气室内高压空气形成“气垫”抑制室内水位高度和水位波动幅值的性能优越的水锤和涌波控制工程。自20世纪70年代以来，气垫式调压室在挪威开始应用，供建成和投入运营10座水电站气垫式调压室。我国于20世纪90年代开始在有条件的水电站采用气垫式调压室，目前已应用于自一里、小天都、木座、金康水电站等工程中，在实践中我们探讨和总结了对气垫式调压室供气水设备配置原则和选择公式，供同仁们参考和进一步完善。2 设计基本资料2.1 气体初始设计压力根据气垫式调压室气体控制原理，气室常数P0 V0是与机组运行工况（包括停机工况）无关的常数，因此P0可采用气垫式调压室内气体初始设计压力。根据地质资料、结构布置确定的气垫式调压室位置以及电站水力过渡过程计算确定的调压室内初始设计水垫，可计算出气垫式调压室内气体初始设计压力。气垫式调压室内气体初始设计压力P0，即为调压室内气体在仅受静水压力情况下，调压室内气体的绝对压力。气垫式调压室内气体初始设计压力P0，可按下式计算：P0=上-调- W+Pa （mWC）式中：P0调压室内气体初始设计压力（mWC，即：m水柱高，下同）；上上游水位，可按上游正常(设计)蓄水位计算；调调压室底部高程（m）；W调压室内设计初始水垫深度，即室内初始水深（m）； Pa当地大气压力（mWC）。自一里初始设计压力331 mWC，小天都初始设计压力366 mWC，金康初始设计压力465 mWC。2.2 初始气体体积及最大、最小压力气垫式调压室内初始气体体积V0、气室常数P0V0及最大、最小压力，是由水力过渡过程计算得到的，这些值是电站安全运行的控制值，也是对调压室初充气和将来补气的依据。根据水力过渡过程计算，气垫式调压室内最大气体体积发生时，调压室内气体压力值最小，水位最低，该最低水位应满足相关规程规定的调压室最小水垫深度的要求，不至产生漏斗并留有足够的裕度；最小气体体积发生时，调压室内气体压力最高，水位最高，此时调压室内压力应满足水工结构稳定的要求。自一里初始气体体积10121 m3，小天都初始气体体积12360 m3，金康初始气体体积8506 m3。2.3 调压室内气体的漏气量导致气垫式调压室内气体漏气的两个主要因素是：消散损失（或称空气溶解于水中）和气室顶拱和边墙漏气。消散损失取决于水温、上游水流中空气饱和度、与总气垫体积相比较的水表面面积及入流和出流的水流流态；气室顶拱和边墙漏气取决于地质和工程措施。挪威气垫式调压室相同运行工况时的标准总漏气量为0.310-3P0A（m3/h）至0.810-3 P0A (m3/h)，式中：P0为调压室内气体初始设计压力（MPa），A为水表面积（m2），系数0.30.8按气垫式调压室防漏气措施确定，分别按罩式气垫式调压室、水幕式防渗方式由小到大选择。按公式计算，自一里气室漏气量约为2.17Nm3/h气垫式调压室在自一里水电站的应用，小天都气室漏气量约为3.5Nm3/h小天都水电站气垫式调压室防渗设计及其闭气效果，金康气室漏气量约为2Nm3/h金康水电站罩式气垫式调压室设计我国地质条件相对挪威复杂，采用围岩防渗、水幕防渗型式，需采取相对更强的工程措施；加之气垫式调压室防渗结构型式灌浆工程量大，技术要求高，又为隐蔽工程，控制环节多，质量难以控制，电站实际漏气量较经验公式计算值大许多。国内气室采用水幕式防渗方式的两个已建工程，自一里电站气室实际漏气量约为40Nm3/min（二期处理补强前数据），小天都电站气室实际漏气量约为20Nm3/min；国内气室采用罩式气垫式调压室的金康电站，气室实际漏气量约为0.51Nm3/min气垫式调压室防渗结构型式研究。2.4 水幕设计压力Pm和漏水量气垫式调压室的正常运行需要将漏气量控制在可以接受的范围内。实际上，控制调压室气体渗漏的方法可通过围岩内部的水压来密闭漏气的通道，保证岩石和整个岩体的稳定并能使节理裂隙处于充水状态以防止漏气。这要求周围地下水水压高于气压，在地下水的压力不够或者无法确定的情况下，则需要在洞室上方设置水幕以满足要求。该方法包括设置充水隧洞或充水室，然后通过较长的水幕孔形成有压水幕。根据我们目前的设计经验，水幕设计压力一般比气垫式调压室内气体初始设计压力高2050m水柱，可保证水幕运行性能良好。水幕设计压力Pm按下式计算：Pm=P0+2050 （m）式中：Pm水幕设计压力（mWC） P0调压室内气体初始设计压力（mWC）水幕的漏水量与调压室结构布置和地质情况有关，根据挪威专家的建议，气垫室调压室水幕廊道漏水量Vs估算为：Vs=PsL qP工/P试式中：Vs水幕廊道的漏水量l/ minPs水幕孔的拟订内水压力较地下水压力超压（MPa）L水幕孔的总长（m）；q围岩的透水率Lu，l/(minMPam)；P工水幕廊道正常工作超压 (与气室的正常压力比较)(MPa)；P试压水试验压力(MPa)；按公式计算，自一里水幕廊道漏水量约为96.6m3/h气垫式调压室在自一里水电站的应用，小天都水幕廊道漏水量约为50m3/h。小天都水电站气垫式调压室防渗设计及其闭气效果3设备选择3.1 空压机选择（1）充气空压机选择在电站第一次充水时，可以根据预计发电时间，在输水管路具备充水条件的前提下，提前进行充水、充气，所以原则上讲充气时间的长短不会对机组发电产生影响；在输水管路放空检查后再充水正式发电时，充气时间的长短对机组发电将产生直接的影响。当调压室采用一次性充水方式，调压室的充气时间可按下式计算： (h)式中：T 调压室的充气时间(h)；技术经济比较后确定，一般按10天左右考虑；P0 气垫式调压室内气体初始设计压力(mWC)；V0 调压室中初始气体体积（m3）；Z 投运的空压机台数（台）；Qr投运的空压机排气能力(Nm3/h)；q气垫式调压室内气体的漏气量(Nm3/h)；Kh 海拔高度对空压机生产率修正系数，见表1。海拔高度对空压机生产率修正系数表表1海拔高度(m)0305610914121915241829213424382743304836584572修正系数Kh1.001.031.071.101.141.171.201.231.261.291.321.371.43当调压室采用多段充水方式时，可参照上述公式计算相应的充气时间。根据不同的空压机投资，以及相应的充气时间所产生的电量损失，经技术经济比较后，即可确定充气空压机。（2）补气空压机的选择1）补气空压机的选择原则我们首先需要确定以下参数： 气垫式调压室内气体的漏气量； 需要补充的气量； 补气空压机连续运行时间和补气间隔时间。气垫式调压室补气控制有二种方式，一种为P0V0=常数，另一种为水位=常数。需要补充的气量与补气空压机启动整定值有较大关系，应根据气垫式调压室的控制方式结合补气空压机的选择、补气空压机连续运行时间和补气间隔时间综合考虑。2）补气空压机的确定 根据补气工作空压机设置地有无可靠的冷却水源，确定空压机的冷却方式为水冷或空冷。 若气垫式调压室的控制方式为水位=常数，则补气空压机的工作时间T，可按下式计算： （h） 若气垫式调压室的控制方式为P0V0=常数，则补气空压机的工作时间T，可按下式计算： （h）式中：T补气空压机工作时间(h)，一般按5天左右考虑；V需要补充的气体体积(Nm3，自由空气)；P0 气垫式调压室内气体初始设计压力(mWC)；V0 调压室中初始气体体积（m3）；P1 补气时气垫式调压室内气体压力(mWC)；V1 补气时调压室中气体体积（m3）；Z投运的补气空压机台数（台）；Qr补气空压机排气能力(Nm3/h)；q气垫式调压室内气体的漏气量(Nm3/h)；Kh海拔高度进行修正系数，见表1。根据上述公式计算的补气空压机的排气量和调压室的压力，可选择相应的补气空压机。一般设置二台补气空压机，一台工作，一台备用。3.2 水幕水泵的选择（1）水幕水泵的扬程计算水幕水泵的选择主要是确定水泵扬程和水泵生产率。若从调压室取水经加压泵加压至水幕设计压力供至水幕室，则水泵扬程H可按下式计算：H=P+hw+(Z1-Z2) (m)式中：H水泵扬程(m)；P水幕设计压力比气垫调压室内气体初始设计压力高出值（mWC），可取P =2050（mWC）；Z1水幕廊道高程(m)；Z2气室水面高程(m)；hw管路水头损失(m)。（2）水幕水泵及管路承压计算水幕水泵及管路承压应按下式计算：Pc=P0+Hs+H（mWC）式中：Pc水幕水泵及管路承压（mWC） P0调压室内气体初始设计压力（mWC），见2.1节 ；Hs调压室水面高程与水泵进口高程差；H水泵扬程(m)；水泵泵壳及管路承压应略大于Pc。一般可设置二台卧式离心式加压水泵用于水幕供水用，一台工作，一台备用。由于水幕设计压力和渗漏量与工程地质条件、施工质量有较紧密的关系，事前很难准确预估，并且水泵扬程随流量的增大而减小、水泵运行一段时间后因磨损等原因会引起流量及扬程下降等因数，因此应考虑留足够的余度。3.3 排气设备的设置气垫式调压室的排气对电站安全运行非常重要。在所有的排放设备前均应设置减压阀，确保排放时不会引起事故。为确保安全，排气阀至少设置2个，排气能力不应过小，远方和现地均应能操作排气。排放时，操作人员应远离排放区，确保人员安全。3.4已建电站各参数汇总已建电站各参数汇总见下表：已建电站各参数汇总表表2电站名称项目自一里小天都金康单机容量（MW）658075装机台数232上游正常蓄水位(m)2034.002157.01974.0死水位2027.02136.01969.0最大水头474.14392.9498.0额定水头445.00358.0458.0最小水头439.95351.5457.7气垫式调压室稳定面积（m2）11501280850气室 长宽高（m）115x10x13.9801615.585x10x16调压室内设计初始水垫(m)4.04.04.0气室初始水面高程（m）17111791.01517.0气室底板高程（m）1707.01783.511510.0气室设计气压P0（MPa）3.313.664.65设计气体体积（m3）10121123608506最大气体压力Pmax（MPa）3.784.483.97最小气体压力Pmin（MPa）3.073.245.75气室控制常数P0L0（m2）3066.7784223.9475114.4水幕设计压力（MPa）3.734.2无充气空压机设置15m3/min,4MPa2台16m3/min,5MPa2台16m3/min,5MPa2台补气空压机设置3m3/min,4MPa2台5m3/min,5MPa2台4m3/min,5MPa2台水幕水泵设置Q=80 m3/h, H=100m,2台Q=87 m3/h,H=142m,3台无4 结束语气垫式调压室与常规调压室相比具有许多独特的优越性，随着我国常规水电站和抽水蓄能电站的进一步发展，特别是环境保护对水电开发要求越来越高，气垫式调