小型水電站虹吸式進水口設計中應注意的問題

張文華

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 蘭州 730000）

1 前言

目前，小型水電站建設方興未艾，許多進水口采用虹吸式。

筆者從事水電設計工作多年，接觸到多項同類工程，個別工程由于虹吸式進水口設計參數采用不當，在施工和運行過程中出現了事故；也有一些工程在虹吸式進水口的認識上存在分歧。

經過反思，筆者認為這些問題也可能在其他地方、其他項目中出現，有必要進行探討和總結，以利水電事業的發展。

圖1 水力真空裝置

2 虹吸式進水口的工作原理及特點

圖1所示，是一座較為典型的矩形斷面虹吸式進水口。它由三部分組成。

①流道。由進水口 （1－1）斷面等寬過度到喉道 （2－2）斷面，然后通過漸變段變為圓形；

②注水系統，由注水管和閥門組成；

③斷流系統，設于喉道斷面頂部，主要設備為真空破壞閥。

虹吸的啟動，方法較多。電站開機前，流道及壓力管道內是充滿空氣的。虹吸啟動時，先開啟真空破壞閥，然后開啟注水管閥門，水流進入壓力管道，空氣從真空破壞閥排除；待壓力管道內水位與前池齊平時，關閉真空破壞閥和注水管閥門，此時虹吸體內仍殘留有一部分空氣；開啟機組，壓力管道內水位迅速下降，殘留空氣壓力陡然降低 （小于大氣壓力），前池內水流在大氣壓力作用下進入流道和壓力管道，虹吸形成。這種啟動方式，在開機時會引起機組震動，但使用設備少，運行比較可靠。

正常運行狀態下，虹吸式進水口流道及壓力管道內均呈負壓。

停機時，只要打開真空破壞閥，放進空氣，破壞真空，就可以截斷水流。

與傳統 “門式”進水口相比較，虹吸式進水口具有下列特點。

①斷流快捷、徹底，不存在漏水問題；

②在寒冷地區，冰凍影響小；

③結構簡單，維修方便；

④取代工作閘門、事故檢修閘門及啟閉設備，節省投資等。

3 虹吸進水口喉道斷面底高程 （▽底）如何確定

3.1 工程實例

圖2所示，是一座水電站的虹吸式進水口布置實例。該電站位于甘肅省白龍江干流上，設計流量75.0m3／s，設計水頭24.5m，裝機容量15MW，廠房內設有3臺機組，壓力管道采用單機單管布置，左側溢流堰長度20m，堰頂高程1255.45m。前池正常高水位1255.40m，最高水位1256.95m，▽底＝1255.65m，該電站設計上有兩個特點：①▽底按 《水電站引水渠道及前池設計規范》（SLT205－97）（以下簡稱 《規范》）附錄B的要求確定，比前池正常高水位高0.15m。②在廠房內壓力管道末端沒有設置水流控制設備。

圖2 某水電站的虹吸式進水口布置實例

2007年4月底，電站的土建工程全部完工，1＃機組并網發電，另2臺機組進行安裝。5月初，1＃機組發生事故甩負荷，水流進入正在安裝的2＃、3＃機組，造成水輪機層被淹的事故，給工程帶來了較大的損失。為了能邊發電、邊施工，現場采取臨時措施，用麻袋裝土封死了進水口喉道。

3.2 事故原因分析

事故發生后，我院對該工程的設計參數與已建的同類工程進行比較時發現，該電站▽底的確定雖然符合現行規范要求，但與已建工程存在差異，因此我們對規范的正確性產生了懷疑，并重新核算了▽底與前池水位之間的關系。

側堰的泄流能力采用 《規范》附錄A的公式計算：

式中：mL＝0.95m0；

m0——正堰的流量系數，該工程溢流堰堰型為實用堰，m0取0.48；

L——側堰長度，m；

g——重力加速度，m／s2；

H——堰上水頭，m。

經復核計算，在一臺機組正常運行工況下，引水流量25m3／s，此時機組甩負荷，側堰堰上水頭0.73m，前池水位1256.18m，比▽底高出0.53m，水流約按0.5m深度通過喉道流入壓力管道，虹吸進水口沒有徹底切斷水流，從而造成了事故的發生。在三臺機組正常運行工況下，引水流量75m3／s，此時若全部機組甩負荷，側堰堰上水頭1.5m，前池水位達到最高水位1256.95m，比▽底高出1.30m，即有約1.3m深度的水流將通過喉道進入壓力管道（因側堰也在泄流，前池水位比最高水位略低），進水口無法徹底切斷水流，不能滿足進水口安全運行的要求。

顯然，在水電站虹吸式進水口設計中，▽底按《規范》的要求確定，即▽底＝前池正常高水位＋安全超高 （0.1m～0.2m）是不合理的，甚至是錯誤的。

3.3 合理的確定方法

在反思事故的同時，我們也查閱了一些文獻，在泵站［1］虹吸式出水流道計算中，▽底的確定方法是：▽底＝泵站出水池設計最高水位＋安全超高（0.2m～0.3m）。雖然泵站的虹吸式出水流道與水電站虹吸式進水口水流方向、功能不同，但它們對虹吸體的要求是一致的，因此可以作為參考。

在 《規范》發布之前，我省已建有一些同類小型水電站，安裝、運行過程中并沒有出現與上述工程同樣的問題。經過調研發現，這些電站對▽底的確定有如下認識：在事故工況下，虹吸進水口不允許過水，并能徹底切斷水流，▽底高于前池最高水位 （最不利工況下的前池水位），并考慮了波浪的影響。

總結已建工程成功的設計經驗，在水電站虹吸式進水口設計中，▽底的合理確定方法是：

式中：▽高 ——前池最高水位；

△ ——安全超高。一般取0.15m～0.2m。

鑒于此，建議盡快對 《規范》進行修正。

4 采用虹吸式進水口的水電站，在廠房內是否還需要設置控制蝶閥

4.1 工程實例

圖1所示，是一座水電站虹吸式進水口。該電站設計流量8.0m3／s，設計水頭29.0m，裝機容量2.0MW，廠房內設有2臺機組，壓力管道采用單機單管的布置形式，建成于1995年。該工程▽底的確定采用了本文介紹的方法，但是在廠房內壓力管道末端設有液控蝶閥。

4.2 設計背景

該電站初步設計階段，已建的同類工程大部分在廠房內設有水流控制蝶閥。對該工程廠房內是否設置水流控制閥，設計人員之間存在很大的分歧，主要原因是大家對虹吸進水口的安全性認識不一致。

贊成設控制蝶閥的理由是，進水口斷流主要靠真空破壞閥適時啟動，但從設備自身分析，存在不安全因素：為了消除設備缺陷，真空破壞閥設有手動裝置，在因故不能打開時，可使用手動裝置。這說明在產品制造時，廠家預知安全風險，并用手動裝置作為補救措施。但是在水電站進水口上，手動裝置意義不大。

因為水電站運行過程中，管理人員都集中在中央控制室，進水口無人值守。中央控制室距離進水口較遠，當電站發生事故、真空破壞閥不能動作時，管理人員從中央控制室跑到進水口，再啟動手動裝置，需要較長的時間，在這段時間內，可能造成無法挽回的損失。

反對設控制蝶閥的理由是，真空破壞閥運行較為可靠，手動裝置很少使用，沒有必要再設置另外的水流控制設施，若在廠房內設置控制閥，相當于壓力管道前后各設置了一道快速門，造成不應有的浪費。

當時鑒于認識不統一，為了確保電站安全，最終在廠房內設置了液控蝶閥。

4.3 電站建設、運行情況

該電站只有2臺機組，采用同期施工的方法，2臺機組同時達到了試運行的要求。運行過程中，虹吸進水口斷流非常及時，沒有發生過因進水口不能斷流而靠液控蝶閥關閉的工況。液控蝶閥僅在一臺機組正常發電，另一臺機組臨時檢修時，輸入指令后關閉。

從該電站的運行來看，液控蝶閥基本屬于閑置設備。液控蝶閥的設置，不僅造成了設備的浪費，還加大了廠房寬度，帶來了場內橋吊跨度增大，廠房土建工程量增加等一系列浪費。

4.4 安全性分析

虹吸式進水口是否安全、能否在電站出現事故時迅速切斷水流，主要取決于真空破壞閥。該設備最主要的技術要求有兩項：①關閉嚴密，不能進入空氣。②開啟及時，發生事故時，必須立即破壞真空，截斷水流。

圖1所示電站及我省同類電站運行的實踐證明，真空破壞閥的可靠性比較高，沒有出現過因故不能打開的事故。

經對該電站的設備采購、安裝、運行過程分析，認為是以下幾個因素保障了真空破壞閥的安全性和可靠性。

①對設備高要求，采購時注重可靠性。該電站在設備招標時，對真空破壞閥的可靠性提出了較高的要求，招標文件中明確提出：因設備原因造成真空破壞閥不能打開時，廠家賠償部分損失。在設備招標期間，業主專門組織了真空破壞閥的可靠性調研，最終選擇了在已建工程運行中可靠性較高的設備生產廠家。

②生產廠家服務到位，提高了真空破壞閥的穩定性。在電站安裝、試運行期間，廠家技術人員一直在現場進行指導、培訓。電站運行一年后進行檢修時，廠家又對真空破壞閥進行了全面的檢查、維護。

③運行單位高度重視，使真空破壞閥的安全性得到進一步保障。雖然真空破壞閥屬于輔助設備，但其在電站中作用非常重要，運行單位對其維護極為重視，每次例行檢查、臨時檢修，真空破壞閥均被列入首要部件。

通過工程實例分析認為，只要在設備采購、安裝、運行過程中措施到位，虹吸進水口是安全性的、可靠的。尤其是進入本世紀以來，國外設備通過合資、合作等形式紛紛進入國內市場，制造廠家加大了科技投入和技術改造力度，真空破壞閥在制造精度上有了較大的提高，從而更進一步提高了虹吸進水口的安全性和可靠性。

因此，采用虹吸式進水口的水電站，在廠房內沒有必要設置控制蝶閥。

5 結論

①水電站虹吸式進水口具有結構簡單、斷流快捷、徹底，冰凍影響小等優點。與傳統的 “門式”進水口相比，投資較省，在水電站設計中應優先采用。

②現行規范中虹吸進水口喉道斷面底高程的計算公式明顯有誤，設計中應采用本文介紹的公式。

③水電站的虹吸進水口運行安全、可靠，在廠房內不必設置控制蝶閥。

6 建議

盡早修定 《水電站引水渠道及前池設計規范》（SLT205－97）的相關內容。

1 丘傳忻編著 .泵站 ［C］.中國水利水電出版社，2004