兩種新型調(diào)壓室的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)論證

張立仁 喬娟 曾娟 鮑文 黃金水 萬易冬 姜楊奇 洪志鵬

摘要：調(diào)壓室是保證水力發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量的常用解決方案。以差動式及阻抗式調(diào)壓室為對比對象，設(shè)計(jì)了瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種水能自耗式調(diào)壓室，側(cè)重優(yōu)化了傳統(tǒng)調(diào)壓室的消能方式，一方面通過減小調(diào)壓室水位波動振幅而降低其工程造價(jià)，另一方面通過加速調(diào)壓室水位波動衰減而更好地保證水電站的供電質(zhì)量。通過一系列的模型試驗(yàn)對兩種調(diào)壓室的技術(shù)可行性進(jìn)行了論證。結(jié)果表明：瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在技術(shù)上可行，各方面性能較好，可像差動式調(diào)壓室一樣適用于中高水頭的水電站;涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室在控制涌波高度及波動衰減時(shí)長上有一定的效果，可作為傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的技術(shù)改進(jìn)方案。

關(guān) 鍵 詞：調(diào)壓室; 水能自耗; 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊; 涌波發(fā)電摻氣耗能

1 研究背景

水電是世界上的主要能源之一，具有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。它在各國電網(wǎng)的構(gòu)成中，特別是我國，所占的比重持續(xù)加大，這就更加需要水電站在各種工況下能夠保證運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量，而設(shè)置調(diào)壓室是一個(gè)常用的解決方案[1-3]。

調(diào)壓室按布置位置可分為上游調(diào)壓室及下游調(diào)壓室。以上游調(diào)壓室為例，其設(shè)置條件首先考慮的是水電站機(jī)組由停機(jī)狀態(tài)突然增荷至滿負(fù)荷的時(shí)間，也即所對應(yīng)的引水系統(tǒng)中水流由靜止增速至最大流速時(shí)所對應(yīng)的加速時(shí)間長短，這主要體現(xiàn)了調(diào)壓室能夠及時(shí)給機(jī)組供水，從而改善機(jī)組運(yùn)行條件，保證電站供電質(zhì)量的功用。上游調(diào)壓室設(shè)置與否的另一依據(jù)則是反射水擊波，它能減小水電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)而引起的壓力管道內(nèi)動水壓力的變化，從而優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行條件[4]。

隨著現(xiàn)代水力發(fā)電工程技術(shù)的發(fā)展，水電站引水系統(tǒng)的長度、引用流量屢創(chuàng)新高。如錦屏二級水電站的引水系統(tǒng)長約16.67 km，引流量在1 800 m3/s以上[5-7];我國已規(guī)劃建設(shè)的世界上裝機(jī)容量最大的墨脫水電站，初擬引水系統(tǒng)的長度為34 km，擬引流量達(dá)2 000 m3/s以上[1]。這便需要調(diào)壓室在設(shè)計(jì)上能夠更加有效地控制水位波動周期過長、振幅過大以及衰減變慢等問題，從而既能夠保證水電站在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量，也可以減小調(diào)壓室的高度從而降低其工程造價(jià)。

目前中高水頭、大流量的水電工程采用的開敞式調(diào)壓室以差動式及阻抗式居多[1，8]，如溪洛渡、白鶴灘等水電站均采用了阻抗式調(diào)壓室。陳捷平[9]、王和芬[10]、祁偉強(qiáng)[11]、李永興 [12]、馮熊[13]、童祥[14]等學(xué)者對阻抗式調(diào)壓室在長引水隧洞中的應(yīng)用也進(jìn)行了相關(guān)的研究。錦屏二級等水電站采用的是差動式調(diào)壓室，方杰[6]、繆明非[7]、郭彬[15]、周建旭[16]等學(xué)者對差動式調(diào)壓室的應(yīng)用也進(jìn)行了系列研究。陶永霞等學(xué)者結(jié)合簡單式與阻抗式調(diào)壓室，發(fā)明了一種活塞消能式調(diào)壓室[17]，通過強(qiáng)化消能來減小調(diào)壓室的涌波高度及水位波動時(shí)間，取得了一定的效果。

結(jié)合調(diào)壓室在實(shí)際工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者所在團(tuán)隊(duì)以阻抗式及差動式調(diào)壓室為對比對象，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式和涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種水能自耗式調(diào)壓室方案，在保證調(diào)壓室功用的前提下，側(cè)重優(yōu)化了傳統(tǒng)調(diào)壓室的消能方式，從而減小其水位波動周期、水位波動振幅，并加快其水位波動的衰減。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路及原理

2.1 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室

瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)方案是將差動式調(diào)壓室的升管高度縮短至原來的1/4左右，并在其頂部設(shè)置僅能向升管內(nèi)進(jìn)水的、與瓣膜原理相同的逆止閥，升管中部設(shè)置兩個(gè)側(cè)流孔，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及實(shí)物模型如圖1所示。

當(dāng)水電站機(jī)組棄荷時(shí)，引水系統(tǒng)的水流涌入調(diào)壓室升管后首先沖擊逆止閥消能，之后水流主流方向因在逆止閥處受阻，由垂直方向變?yōu)樗椒较驈纳苤胁康膫?cè)流孔口沖入大井，使調(diào)壓室的水流消能由鉛直方向撞擊變?yōu)樗椒较?，在消能的同時(shí)也可以避免水流向上涌動而減小涌波升高的高度。當(dāng)水體進(jìn)入調(diào)壓室大井后，隨著水位波動變化，會有部分水流通過升管頂?shù)哪嬷归y摩阻消能后回流至壓力管道。水流在瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的整個(gè)進(jìn)入及回流過程，很好地進(jìn)行了消能處理，從原理上可以減小調(diào)壓室水位波動振幅，加快調(diào)壓室水位波動及引水系統(tǒng)內(nèi)水擊波的衰減過程，從而保證水電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，并減小調(diào)壓室的工程造價(jià)。

當(dāng)水電站機(jī)組增荷時(shí)，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室又可以通過升管上的側(cè)流孔及逆止閥同時(shí)且及時(shí)地向引水系統(tǒng)及機(jī)組供水，從而很好地保證機(jī)組的供電質(zhì)量。

2.2 涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室

涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)方案結(jié)合了波浪能發(fā)電原理及水電站水阻器消耗電能的工作原理，即在阻抗式調(diào)壓室內(nèi)設(shè)置涌波能發(fā)電機(jī)及電解水裝置。

已見報(bào)道的波浪式發(fā)電機(jī)類型較多[18]，如筏式波浪能發(fā)電機(jī)、振蕩浮子渦輪波浪能發(fā)電機(jī)、浮力擺式發(fā)電機(jī)及振蕩水柱式波浪能發(fā)電機(jī)等。結(jié)合調(diào)壓室工程實(shí)際，涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室所配備的涌波能發(fā)電機(jī)擬選用筏式波浪能發(fā)電機(jī)，調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖如圖2所示。

當(dāng)水電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，調(diào)壓室內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)生的涌波將帶動涌波能發(fā)電機(jī)發(fā)電，這樣一方面可以消耗水能;另一方則可以將產(chǎn)生的電能傳輸至位于調(diào)壓室中下部的電解水裝置，水電解后產(chǎn)生的氫氣和氧氣則會在向調(diào)壓室頂部自由水面涌動的過程中，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓室水體的摻氣擾動消能，同時(shí)其水氣流引起的波動也將繼續(xù)為涌波能發(fā)電機(jī)提供發(fā)電能量。

3 可行性論證

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由上游水庫、調(diào)壓室及壓力管道等組成，如圖3所示。試驗(yàn)用調(diào)壓室模型共設(shè)置4組，即阻抗式、差動式、瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式。4組調(diào)壓室模型的阻抗孔口與壓力管道相應(yīng)部位之間均采用插入式連接，以便各自試驗(yàn)操作。

阻抗式及差動式調(diào)壓室模型尺寸嚴(yán)格按照調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)[2]，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了初步概化，調(diào)壓室大井的直徑均取15 cm，底部阻抗孔口的直徑均取4 cm。壓力管道直徑為5 cm，上游水庫底部壓力管道進(jìn)口中心與調(diào)壓室底部阻抗孔口中心的水平距離為118 cm，管道中間設(shè)置蝴蝶閥A。為便于對比分析，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室模型的大井及阻抗孔口尺寸同上，其中瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室的升管高度及測流孔尺寸、涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室的電極片位置事先均已由率定試驗(yàn)確定。試驗(yàn)裝置縱剖面如圖4所示。

3.2 試驗(yàn)方案及觀測結(jié)果

為了能夠得到更佳的試驗(yàn)效果，結(jié)合開敞式調(diào)壓室與上游水庫的連通器工作原理，經(jīng)反復(fù)率定，在確保與調(diào)壓室實(shí)際工作過程原理相同、能夠得到相同波動現(xiàn)象的前提下，本次試驗(yàn)在水邊界條件模擬的處理上，取初始上游水庫水位為42.4 cm標(biāo)高，初始調(diào)壓室水位為17.6 cm標(biāo)高。

試驗(yàn)操作步驟是：待上游水庫水位與調(diào)壓室水位調(diào)至初始設(shè)定水位后，控制1 s勻速開啟蝴蝶閥A，在連通器原理的作用下，調(diào)壓室內(nèi)水位開始上升，待其水位上升至水庫水位42.4 cm處時(shí)，因水體運(yùn)動慣性，調(diào)壓室水位會繼續(xù)上升而達(dá)到最高涌波水位，之后在與水庫水體連通器原理的作用下其水位又開始下降，隨后調(diào)壓室水位波動過程持續(xù)如此直至衰減結(jié)束。

試驗(yàn)過程設(shè)定采集的關(guān)鍵參數(shù)包括與調(diào)壓室高度相對應(yīng)的最高涌波水位，以及與水電站在電力系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定性相對應(yīng)的調(diào)壓室水位波動衰減時(shí)長，并同時(shí)記錄調(diào)壓室水面波動現(xiàn)象。試驗(yàn)方案按調(diào)壓室類型共設(shè)4組，每組分別進(jìn)行10次，各組試驗(yàn)成果取平均值記錄于表1。

3.3 試驗(yàn)成果小結(jié)

由表1觀測結(jié)果可以看出：①從強(qiáng)化消能、控制水位上升過程水面紊動的能力及限制最高涌波上升值等方面來綜合評價(jià)，各組調(diào)壓室的優(yōu)劣排序?yàn)椴顒邮?、瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式、涌波發(fā)電摻氣耗能式、阻抗式;② 從縮短調(diào)壓室內(nèi)水位波動衰減總時(shí)長方面評價(jià)，各組調(diào)壓室的優(yōu)劣排序?yàn)榘昴じ綦x強(qiáng)沖擊式、差動式、涌波發(fā)電摻氣耗能式、阻抗式;③ 作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室較傳統(tǒng)的阻抗式調(diào)壓室各方面性能均有所提高，但涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室設(shè)計(jì)方案的改善效果要稍弱，且遠(yuǎn)不及差動式調(diào)壓室。相較于差動式調(diào)壓室，瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在限制最高涌波上升高度方面稍弱，但在縮短調(diào)壓室內(nèi)水位波動衰減總時(shí)長方面要略優(yōu)。

4 結(jié) 論

（1） 瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室更為強(qiáng)化水體自耗消能，在幾組調(diào)壓室模型中，可以最快地實(shí)現(xiàn)水位波動衰減，從而縮短有壓引水系統(tǒng)由非恒定流向恒定流轉(zhuǎn)變的進(jìn)程，優(yōu)化了水電站向電網(wǎng)的供電質(zhì)量。即瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式調(diào)壓室在技術(shù)上可行，可像差動式調(diào)壓室一樣適用于中高水頭的水電站，尤其適用于因地形、地質(zhì)條件限制而不適宜設(shè)計(jì)成過高斷面或者距離地面較深的調(diào)壓室。

（2） 涌波發(fā)電摻氣耗能式調(diào)壓室在控制涌波高度及波動衰減時(shí)長上有一定的效果， 可作為傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的技術(shù)改進(jìn)方案。

（3） 目前瓣膜隔離強(qiáng)沖擊式及涌波發(fā)電摻氣耗能式兩種調(diào)壓室創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案已獲批國家實(shí)用新型專利，但某些結(jié)構(gòu)特征，如升管高度及測流孔位置尺寸、電極片的位置及工作穩(wěn)定性等方面還需進(jìn)一步通過試驗(yàn)及工程實(shí)踐應(yīng)用加以優(yōu)化分析和論證。

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（編輯：胡旭東）