水電站引水隧洞的調壓室設計探討

【摘 要】 本文重點介紹了調壓室的作用及設置條件、布置形式和基本結構類型，調壓室水位波動的穩定問題和調壓室的水力計算條件。

【關鍵詞】 調壓室 穩定問題 水力計算

1 調壓室的功用、要求

1.1 調壓室的功用

（1）反射水擊波。基本上避免了（或減小）壓力管道傳來的水擊波進入壓力引水道。

（2）減小水擊壓力（壓力管道及廠房過水部分）。縮短了壓力管道的長度

（3）改善機組在負荷變化時的運行條件。

1.2 調壓室的基本要求

根據其功用，調壓室應滿足以下基本要求：

（1）調壓室盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。

（2）調壓室應有自由水表面和足夠的底面積，以保證水擊波的充分反射；

（3）調壓室的工作必須是穩定的。在負荷變化時，引水道及調壓室水體的波動應該迅速衰減，達到新的穩定狀態；

（4）正常運行時，水流經過調壓室底部造成的水頭損失要小。為此調壓室底部和壓力管道連接處應具有較小的斷面積。

（5）結構安全可靠，施工簡單方便，造價經濟合理。

2 調壓室的工作原理

引水道—調壓室系統中的水位波動現象與壓力管道中產生的水擊波動性質有很大的差別。調壓室的水位波動主要是由于水體的往復運動引起，其特點是振幅小、變化慢、周期長。而管道水擊過程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時間內即消失，而前者往往長達幾十秒到幾百秒甚至更長。

3 調壓室的類型

（1）簡單圓筒式調壓室

特點：斷面尺寸形狀不變，結構簡單，反射水擊波效果好。但水位波動振幅較大，衰減較慢，因而調壓室的容積較大；在正常運行時，引水系統與調壓室連接處水力損失較大。

適用：低水頭小流量的水電站。

（2）阻抗式調壓室

將圓筒式調壓室的底部，用較小斷面的短管或用較小孔口的隔板與隧洞及壓力管道連接起來，這種孔口或隔板相當于局部阻力，即為阻抗式調壓室。

特點：進出調壓室的水流在阻抗孔口處消耗了一部分能量，可以有效地減小水位波動的振幅，加快了衰減速度，因而所需調壓室的體積小于圓筒式。正常運行時水頭損失小。

（3）雙室式調壓室

特點：雙室式調壓室是由一個豎井和上下兩個儲水室組成。

上室供丟棄負荷時儲水用，一般在最高凈水位以上，在正常運行時是空的。下室在正常運行時充滿水，供增加負荷時補給水量用，應在調壓室中最低靜水位以下。豎井是用來連接上下室和引水道與壓力管道的。剛丟棄負荷時，由于豎井斷面較小，水位迅速上升，當水位達到上室時，其上升的速度放慢，從而減小波動振幅。當增加負荷時，水位迅速下降到下室中，并由下室補充不足的水量，因此限制了水位的下降。

適用：水頭較高，要求的穩定斷面較小，水庫水位變化比較大的水電站。

上室的底部高程由水庫最高水位控制，下室的頂部高程由水庫的死水位控制。

（4）溢流式調壓室

溢流式調壓室頂部設有溢流堰。

當丟棄負荷時，調壓室的水位迅速上升，達到溢流堰頂后開始溢流，限制了水位的進一步升高，有利于機組的穩定運行，溢出的水量，可以設上室加以儲存，也可排至下游。

（5）差動式調壓室

由兩個直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。

特點：外室直徑較大，起盛水及保證穩定的作用，其斷面由波動穩定條件控制。差動式調壓室所需容積較小，水位波動衰減得也較快。但其構造復雜，施工難度大，造價高。

適用：地形和地質條件不允許大斷面的中高水頭水電站，在我國采用較多。

（6）氣墊式或半氣墊式調壓室

在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用調壓室中的空氣壓縮或膨脹，來減小水位漲落的幅度。

適用：深埋于地下的引水道式地下水電站。目前我國尚未采用。

4 調壓室水位波動的穩定問題

調壓室在任何工作情況下都應保證水位波動是逐漸衰減的，即稱為穩定的。

水電站在正常運行中除有大的負荷變化外，也經常不斷地發生較小的負荷變化，從而使調壓室內水位產生很小的水位波動。由于調壓室斷面面積和引水道長度等因素的不同，這種波動可能出現二種情況：一種是波動發生后周期性或非周期性地衰減下去，調壓室內隨之達到新的穩定水位而不再波動。另一種是在發生小波動后，振幅不是衰減而是逐漸增大，引起機組工作的不穩定，這種現象稱為調壓室工作情況的不穩定現象，設計調壓室時應避免這種情況。因此必須研究調壓室水位波動的穩定條件及改善波動穩定途徑。

托馬穩定條件是在一些假定的基礎上推導出來的，應用時必須根據水電站的情況作某些修正。

（1）大波動的穩定條件

如果調壓室水位的波動幅值較大，則波動微分方程式不能認為是線性的了，因此托馬條件不能直接應用于大波動。研究表明，如小波動穩定不能保證，大波動必然不能衰減。

（2）調壓室底部流速水頭的影響

對引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，它相當于加大了摩阻損失。但對水輪機來說，并不減小水電站的有效水頭。

引水道的直徑越大，長度越短，流速水頭的影響也越顯著。

（3）水輪機效率的影響

在前面假定水輪機的效率為常數，實際上水輪機的效率是隨著水頭和流量的變化而變化的。

水輪機效率、調速器和電力系統等因素對穩定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎上才加以考慮。

（4）電力系統的影響

對于單獨運行的水電站，當調壓室內水位變化而引起出力變化時，只能依靠本電站水輪機調速器的調節使出力保持常數。如果水電站在系統中運行，則可由系統中的各電站的機組共同來保證系統出力不變，因此可減小本電站流量變化的幅度，有助于調壓室水位波動的穩定。

5 第七節調壓室水力計算條件

5.1 水位波動的穩定性計算

由公式可以看出：

1.水頭H0

1.上游水庫水位：取正常發電可能出現的最高水位，一般按設計洪水位計算。

2.引水道的糙率：取可能的最小值。

3.計算工況：一般按丟棄全負荷考慮。即流量由Qmax減至空轉流量Qxx（Q=0）。

5.3 最低涌波水位的計算

1.上游水庫水位：取可能的最低水位。

2.引水道糙率：？取可能的最大值。

3.計算工況：

（1）在初步設計階段，通常采用其余所有機組均滿負荷運行，而最后一臺機組投入運行的情況作為設計工況，但最后加入的容量應不小于電站總容量的1/3。

（2）對于一般的調壓室，還應計算在最低庫水位下丟棄全負荷后水位波動的第二振幅，以檢驗其是否低于增荷時的最低涌波水位。