气垫式调压室的工作原理和特点

气垫式调压室的工作原理和特点2.1调压室的作用、工作原理及分类2.1.1调压室的作用为了改善水击现象，常在有压引水隧洞或有压引水管与压力管道衔接处建造调压室。见图2-1示。调压室利用扩大管道的断面和自由的水面反射水击波，将有压引水系统分成两段：上游段为有压引水隧洞，调压室使引水隧洞基本避免了水击压力的影响；下游段为压力钢管段，由于长度缩短了，降低了压力管道内的水击压力值，改善了机组的运行条件。具体地说，可归纳如下：（1） 反射水击波，基本上可避免，至少可减少压力管道内的水击波进入有压引水道。（2） 缩短压力管道的长度，从而减少压力管道及厂房过流部分中的水击压力。（3） 改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。图2-1常规调压室的典型布置图2.1.2调压室的工作原理水电站在运行时负荷会经常发生变化。负荷变化时，机组就会相应地改变流量，从而在引水系统中发生非恒定流现象，产生水击。引用流量的变化，在“引水道一调压室一机组”系统中也会引起非恒定流现象。当电站丢弃全部负荷较短的时间后，水轮机的流量变为0，压力管道中发生水击。压力管道内的水流经过一个较短的时间后就停止流动，此时，引水道中的水流由于贯性作用而继续流向调压室，引起调压室的水位升高，使引水道两端的水位差减小，因而其中的流速逐渐减小。调压室的水位达到库水位时，引水道两端的水位差为0，但其中的水流由于贯性作用仍继续流向调压室，使调压室的水位继续升高直到引水道中的流速为0，此时，调压室的水位达到最高点。因为这个时候调压室的水位高于库水位，在引水道的末端又形成新的水位差，水流又向水库流去，形成相反的流动，调压室内的水位开始下降。当调压室的水位达到库水位时，引水道始末两端的压力差又等于0，但此时流速不为0，由于贯性作用，流速不为0，水位继续下降直到流速为0，此时，调压室的水位为最低点。此后，引水道中的水流又流向调压室，调压室的水位又开始回升。这样，引水道和调压室中的水体往复波动。但由于摩阻力的存在，引水道的水体的能量会逐渐消耗，波动会逐渐消减，最后全部被耗掉，调压室的水位稳定在水库水位。当电站增加负荷时，水轮机的引用流量增大，引水道中的水流由于贯性作用不能立即满足负荷变化的要求，调压室要先放出部分水量，引起调压室的水位下降，使水库与调压室间形成新的水位差，使引水道中的水流加速流向调压室。当调压室的水位达到最低点时，引水道的流量等于水轮机引用流量，但因室库水位差，隧洞流量增大，并超过了水轮机的引用流量，调压室的水位又升高，达到最高点后又开始下降。这样，就形成了调压室的水位上下波动。同样，由于摩阻力的存在，引水道的水体的能量会逐渐消耗，波动会逐渐消减，最后稳定在一个新的水位（库水位减去引水道的能量损失水头）。“引水道一调压室一机组”系统非恒定流的特点是大量水体的往复运动。但其周期较长，伴随水体运动还会产生不大的较为缓和的压力变化。2.1.3调压室的基本类型2.1.3.1按布置形式分类根据水电站的不同条件和要求，调压室可以布置在厂房的上游或下游，在有的情况下，在厂房的上下游都会设置调压室而成双调或多调系统。因此，调压室在引水系统中的布置有以下四种基本形式：（1） 上游调压室（或引水调压室）调压室布置在有压引水道上，适合于厂房上游有较长的引水道的情况，也是最广泛的布置方式。一般情况下没有特别指出，都是指上游调压室（引水调压室）（2） 下游调压室（尾水调压室）厂房具有较长的有压尾水隧洞时，设置下游调压室以减少水击压力。下游调压室一般为地下厂房特有。（3） 上下游双调压室有的地下水电站的上下游都有较长的有压输水系统，为了减小水击压力，改善电站的运行条件，在厂房的上下游均设置调压室而形成双调压室系统。（4） 上游双（或多）调压室系统上游有较长的引水道或引水道有不同的分支时，需要设置两个或两个以上的调压室（比如，挪威的Ulla-F^rre工程，就由Saurdal、Kvilldal和Hylen三个电站2

个调压室组成）。在这种调压室布置中，靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用，因此，称为主调压室。其它调压室为辅调压室。2.1.3.2按结构形式分类调压室按结构分类，主要的图2-2示的6种形式。图2-2常规调压室的六种结构形式（1） 简单式调压室。见图2-2（a）示。结构简单，反射水击波的效果好，但水头损失大，流量变化时调压室内的水位波动的幅度大，所需调压室的容积较大。一般用于低水头小流量电站。（2） 阻抗式调压室。见图2-2（b）示。由于进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了部分能量，所以，调压室内的水位波动的幅度减少了，衰减加快了，所需调压室的容积减小了。但由于阻抗孔的存在，水击波不能全部反射，隧道中可能受到水击的影响。（3） 双室式调压室。见图2-2（c）示。双室式调压室用一个断面较小的竖井和上下两个断面较大的储水室组成。在水位波动时，由上下两个水室来补充或储存水量。这种调压室的容积比较小，适用于高水头和水库深度较大的水电站。（4） 溢流式调压室。见图2-2（d）示。在调压室顶部设置溢流堰，在电站丢荷时，水位上升到堰顶后开始溢流，限制了水位的进一步上升，利于机组的稳定。溢出的水量可设上室储存，也可排至下游。（5） 差动式调压室。见图2-2（e）示。差动式调压室是由两个直径不同的圆筒组成。中间的圆筒直径较小，上有溢流口，叫升管。升管底部有阻抗孔与大井相通。吸收了阻抗式与溢流式的优点，但结构复杂。（6） 气垫式调压室。见图2-2（f）示。见2.2节及以后的相关内容。2.2气垫式调压室的工作原理气垫式调压室的概念首先由挪威工程师L-Rathe提出，并于1973年首先运用在挪威的Driva水电站。简单地说，气垫式调压室是在靠近厂房附近的引水隧洞侧开挖的一个充满空气的岩石洞室，在这个洞室内，由岩壁和水面围成一个封闭式的气室，并利用气室内高压空气形成的“气垫”来抑制室内水位变化高度和水位波动幅值，是一种性能优越的水击和涌波控制建筑物。是替代衰减电站负荷变化时压力引水道水流瞬变过程的传统开敞式调压室的一个经济实用的方案。在靠近厂房的压力水道上开挖一个大型洞室，在该洞室的下部充水，上部充压缩空气。当电站丢负荷时，一部分水流进入气垫式调压室，室内水位上升，气体压缩，压力增大，使引水隧道的水流流速减少，甚至出现反向水流。当电站增加负荷时，气垫式调压室内的部分水体迅速补给机组，空气体积增大，压力降低，引水隧洞中的水流加速，向气垫式调压室内补充水量，压缩空气。即在气垫式调压室中，当电站的负荷发生变化时，会产生水击波，气垫式调压室内的水位也要发生震荡波动。在震荡波动中，气垫式调压室内的空气象气垫一样，随着调压室内的水位（气体的外压）发生变化，室内气体的体积会随着压力的变化而发生变化。这个变化规律遵循在绝热的条件下发生的气体的体积——压力变化规律。2.3气垫式调压室的特点2.3.1气垫式调压室的优点采用气垫式调压室代替常规调压室，主要具有以下几方面的优点：（1） 省掉斜井和竖井，减小施工难度，降低工程成本，缩短工期。由于斜井和竖井的施工难度较大、造价较高、所需工期相对较长。（2） 采用气垫式调压室，引水隧洞在纵剖面上更接近于直线而不是常规的折线，因此，隧洞轴线缩短了，减少了工程造价，减少了水头损失，增加了电站的发电效益。电站的水头越高、引水隧洞减少越长，其效益越明显。（3） 气垫式调压室埋于地下，省掉了常规调压室的常有的山坡明挖，取消了上调压室顶的道路和上调压室及压力管道的施工道路、减少或取消了引水隧洞的施工道路，节约投资。同时，减少对原始地面的建设性破坏，有利于水土保持和环境保护。（4） 气垫式调压室布置比较自由，可以沿管线前后移动几十米到几百米，因此，可在这些区域内选择有利的位置和方向来布置调压室。（5） 气垫式调压室一般都有足够的覆盖厚度，在岩体较好的条件下，可不进行衬砌，降低了工程成本，节省了工期。（6） 气垫式调压室可以布置在离厂房较近的地方，对水击波的反射比较有利，因此，可减小了水击压力，增加了机组调节的稳定性，对电站运行有利。2.3.2气垫式调压室的缺点采用气垫式调压室代替常规调压室，主要具存在以下几方面的不足：（1） 气垫式调压室的体积较常规调压室略大些，挖方量增大一点。但是，如果布置较好，施工容易，成本不一定增大。（2） 气垫式调压室在停机检修重新充水时，要用空压机向调压室内充气，由于充气量较大，一般要3-4天或更长的时间，要减少发电时间。对此，可采用大功率空压机充气，以减少充气时间。（3） 气垫式调压室对地质条件要求较高，不但要求不漏水，还要求不漏气，因此，地质勘探、测试工作要相当充分，施工要求也更高些。但总的来说，只要地质条件适当，采用气垫式调压室利多弊少，效益显著，完全可以用气垫式调压室代替常规调压室。3气垫式调压室的设计研究3.1采用气垫式调压室的前提条件3.1.1设置调压室的条件气垫式调压室的设置条件与常规开敞式调压室的设置条件相同，应在机组调节保证计算和运行条件的基础上，考虑水电站在电力系统中的作用、地形、压力水道布置等因素进行技术经济比较后确定。设置上游调压室的条件应满足式3-1、式3-2:Tw〔Tw］ （3-1）Tw='气七 （3-2）gH

p式中：Tw为压力管道中水流惯性时间常数，单位为s；L.为压力管道、蜗壳、尾水管和尾水道各分段的长度，单位为m；V,为各分段内相应的流速，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s2；Hp为设计水头，单位为m；［Tw］为Tw的允许值，一般取2-4s，［Tw］的取值要求可按《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996冲的3.1.2款中的相关要求取值。因此，设置气垫式调压室也必须满足式3-1中给定的条件。3.1.2设置气垫式调压室的地形地质条件3.1.2.1设置气垫式调压室的地形条件（1）引水隧洞较长，在厂房处的山体地质构造相对稳定，岩体完整坚硬，节理裂隙不十分发育，岩石的物理力学指标较高，总之，条件较好，能满足下节中的相应条件。但是，山坡较低，远低于引水系统的最大内水（气垫式调压室则为调压室内气垫的最大压力）的压力线。见图3-1示。在这种情况下，如果修建常规的开敞式调压室，必须修建一个成本很高的调压塔才能满足电站调节保证要求。从经济性出发，最好修建气垫式调压室。图3-1设置气垫式调压室的典型地形图(2)厂房后边坡虽然较高，可以修建常规的开敞式调压室。但地形陡峭，不便于修建到调压室和压力管道的施工道路。或者是厂房附近的覆盖层或强风(全风化层)较厚，表层地质构造发育，修建常规调压室成洞困难。3.1.2.2设置气垫式调压室的地应力条件调压室最好位于没有任何破碎带的山体内，调压室处围岩的最小主应力。3大于调压室内的最大压力(机组运行时的最大水击压力)。即满足：cK-H (3-3)式中：。3为地层中的最小主应力；mdxHmax为气垫式调压室内的最大气压力；K为安全系数，一般取1.25—1.50。对于拟定调压室处的最小主应力的测量方法较多，但由于水力劈裂法量测设备简单、操作容易、技术要求不高、费用较低，并且，可以直接测试出地应力的大小和方向。因此，水力劈裂试验测试法广泛被挪威和