小型水电站虹吸式进水口设计中应注意的问题

张文华

（甘肃省水利水电勘测设计研究院 兰州 730000）

1 前言

目前，小型水电站建设方兴未艾，许多进水口采用虹吸式。

笔者从事水电设计工作多年，接触到多项同类工程，个别工程由于虹吸式进水口设计参数采用不当，在施工和运行过程中出现了事故；也有一些工程在虹吸式进水口的认识上存在分歧。

经过反思，笔者认为这些问题也可能在其他地方、其他项目中出现，有必要进行探讨和总结，以利水电事业的发展。

图1 水力真空装置

2 虹吸式进水口的工作原理及特点

图1所示，是一座较为典型的矩形断面虹吸式进水口。它由三部分组成。

①流道。由进水口 （1－1）断面等宽过度到喉道 （2－2）断面，然后通过渐变段变为圆形；

②注水系统，由注水管和阀门组成；

③断流系统，设于喉道断面顶部，主要设备为真空破坏阀。

虹吸的启动，方法较多。电站开机前，流道及压力管道内是充满空气的。虹吸启动时，先开启真空破坏阀，然后开启注水管阀门，水流进入压力管道，空气从真空破坏阀排除；待压力管道内水位与前池齐平时，关闭真空破坏阀和注水管阀门，此时虹吸体内仍残留有一部分空气；开启机组，压力管道内水位迅速下降，残留空气压力陡然降低 （小于大气压力），前池内水流在大气压力作用下进入流道和压力管道，虹吸形成。这种启动方式，在开机时会引起机组震动，但使用设备少，运行比较可靠。

正常运行状态下，虹吸式进水口流道及压力管道内均呈负压。

停机时，只要打开真空破坏阀，放进空气，破坏真空，就可以截断水流。

与传统 “门式”进水口相比较，虹吸式进水口具有下列特点。

①断流快捷、彻底，不存在漏水问题；

②在寒冷地区，冰冻影响小；

③结构简单，维修方便；

④取代工作闸门、事故检修闸门及启闭设备，节省投资等。

3 虹吸进水口喉道断面底高程 （▽底）如何确定

3.1 工程实例

图2所示，是一座水电站的虹吸式进水口布置实例。该电站位于甘肃省白龙江干流上，设计流量75.0m3／s，设计水头24.5m，装机容量15MW，厂房内设有3台机组，压力管道采用单机单管布置，左侧溢流堰长度20m，堰顶高程1255.45m。前池正常高水位1255.40m，最高水位1256.95m，▽底＝1255.65m，该电站设计上有两个特点：①▽底按 《水电站引水渠道及前池设计规范》（SLT205－97）（以下简称 《规范》）附录B的要求确定，比前池正常高水位高0.15m。②在厂房内压力管道末端没有设置水流控制设备。

图2 某水电站的虹吸式进水口布置实例

2007年4月底，电站的土建工程全部完工，1＃机组并网发电，另2台机组进行安装。5月初，1＃机组发生事故甩负荷，水流进入正在安装的2＃、3＃机组，造成水轮机层被淹的事故，给工程带来了较大的损失。为了能边发电、边施工，现场采取临时措施，用麻袋装土封死了进水口喉道。

3.2 事故原因分析

事故发生后，我院对该工程的设计参数与已建的同类工程进行比较时发现，该电站▽底的确定虽然符合现行规范要求，但与已建工程存在差异，因此我们对规范的正确性产生了怀疑，并重新核算了▽底与前池水位之间的关系。

侧堰的泄流能力采用 《规范》附录A的公式计算：

式中：mL＝0.95m0；

m0——正堰的流量系数，该工程溢流堰堰型为实用堰，m0取0.48；

L——侧堰长度，m；

g——重力加速度，m／s2；

H——堰上水头，m。

经复核计算，在一台机组正常运行工况下，引水流量25m3／s，此时机组甩负荷，侧堰堰上水头0.73m，前池水位1256.18m，比▽底高出0.53m，水流约按0.5m深度通过喉道流入压力管道，虹吸进水口没有彻底切断水流，从而造成了事故的发生。在三台机组正常运行工况下，引水流量75m3／s，此时若全部机组甩负荷，侧堰堰上水头1.5m，前池水位达到最高水位1256.95m，比▽底高出1.30m，即有约1.3m深度的水流将通过喉道进入压力管道（因侧堰也在泄流，前池水位比最高水位略低），进水口无法彻底切断水流，不能满足进水口安全运行的要求。

显然，在水电站虹吸式进水口设计中，▽底按《规范》的要求确定，即▽底＝前池正常高水位＋安全超高 （0.1m～0.2m）是不合理的，甚至是错误的。

3.3 合理的确定方法

在反思事故的同时，我们也查阅了一些文献，在泵站［1］虹吸式出水流道计算中，▽底的确定方法是：▽底＝泵站出水池设计最高水位＋安全超高（0.2m～0.3m）。虽然泵站的虹吸式出水流道与水电站虹吸式进水口水流方向、功能不同，但它们对虹吸体的要求是一致的，因此可以作为参考。

在 《规范》发布之前，我省已建有一些同类小型水电站，安装、运行过程中并没有出现与上述工程同样的问题。经过调研发现，这些电站对▽底的确定有如下认识：在事故工况下，虹吸进水口不允许过水，并能彻底切断水流，▽底高于前池最高水位 （最不利工况下的前池水位），并考虑了波浪的影响。

总结已建工程成功的设计经验，在水电站虹吸式进水口设计中，▽底的合理确定方法是：

式中：▽高 ——前池最高水位；

△ ——安全超高。一般取0.15m～0.2m。

鉴于此，建议尽快对 《规范》进行修正。

4 采用虹吸式进水口的水电站，在厂房内是否还需要设置控制蝶阀

4.1 工程实例

图1所示，是一座水电站虹吸式进水口。该电站设计流量8.0m3／s，设计水头29.0m，装机容量2.0MW，厂房内设有2台机组，压力管道采用单机单管的布置形式，建成于1995年。该工程▽底的确定采用了本文介绍的方法，但是在厂房内压力管道末端设有液控蝶阀。

4.2 设计背景

该电站初步设计阶段，已建的同类工程大部分在厂房内设有水流控制蝶阀。对该工程厂房内是否设置水流控制阀，设计人员之间存在很大的分歧，主要原因是大家对虹吸进水口的安全性认识不一致。

赞成设控制蝶阀的理由是，进水口断流主要靠真空破坏阀适时启动，但从设备自身分析，存在不安全因素：为了消除设备缺陷，真空破坏阀设有手动装置，在因故不能打开时，可使用手动装置。这说明在产品制造时，厂家预知安全风险，并用手动装置作为补救措施。但是在水电站进水口上，手动装置意义不大。

因为水电站运行过程中，管理人员都集中在中央控制室，进水口无人值守。中央控制室距离进水口较远，当电站发生事故、真空破坏阀不能动作时，管理人员从中央控制室跑到进水口，再启动手动装置，需要较长的时间，在这段时间内，可能造成无法挽回的损失。

反对设控制蝶阀的理由是，真空破坏阀运行较为可靠，手动装置很少使用，没有必要再设置另外的水流控制设施，若在厂房内设置控制阀，相当于压力管道前后各设置了一道快速门，造成不应有的浪费。

当时鉴于认识不统一，为了确保电站安全，最终在厂房内设置了液控蝶阀。

4.3 电站建设、运行情况

该电站只有2台机组，采用同期施工的方法，2台机组同时达到了试运行的要求。运行过程中，虹吸进水口断流非常及时，没有发生过因进水口不能断流而靠液控蝶阀关闭的工况。液控蝶阀仅在一台机组正常发电，另一台机组临时检修时，输入指令后关闭。

从该电站的运行来看，液控蝶阀基本属于闲置设备。液控蝶阀的设置，不仅造成了设备的浪费，还加大了厂房宽度，带来了场内桥吊跨度增大，厂房土建工程量增加等一系列浪费。

4.4 安全性分析

虹吸式进水口是否安全、能否在电站出现事故时迅速切断水流，主要取决于真空破坏阀。该设备最主要的技术要求有两项：①关闭严密，不能进入空气。②开启及时，发生事故时，必须立即破坏真空，截断水流。

图1所示电站及我省同类电站运行的实践证明，真空破坏阀的可靠性比较高，没有出现过因故不能打开的事故。

经对该电站的设备采购、安装、运行过程分析，认为是以下几个因素保障了真空破坏阀的安全性和可靠性。

①对设备高要求，采购时注重可靠性。该电站在设备招标时，对真空破坏阀的可靠性提出了较高的要求，招标文件中明确提出：因设备原因造成真空破坏阀不能打开时，厂家赔偿部分损失。在设备招标期间，业主专门组织了真空破坏阀的可靠性调研，最终选择了在已建工程运行中可靠性较高的设备生产厂家。

②生产厂家服务到位，提高了真空破坏阀的稳定性。在电站安装、试运行期间，厂家技术人员一直在现场进行指导、培训。电站运行一年后进行检修时，厂家又对真空破坏阀进行了全面的检查、维护。

③运行单位高度重视，使真空破坏阀的安全性得到进一步保障。虽然真空破坏阀属于辅助设备，但其在电站中作用非常重要，运行单位对其维护极为重视，每次例行检查、临时检修，真空破坏阀均被列入首要部件。

通过工程实例分析认为，只要在设备采购、安装、运行过程中措施到位，虹吸进水口是安全性的、可靠的。尤其是进入本世纪以来，国外设备通过合资、合作等形式纷纷进入国内市场，制造厂家加大了科技投入和技术改造力度，真空破坏阀在制造精度上有了较大的提高，从而更进一步提高了虹吸进水口的安全性和可靠性。

因此，采用虹吸式进水口的水电站，在厂房内没有必要设置控制蝶阀。

5 结论

①水电站虹吸式进水口具有结构简单、断流快捷、彻底，冰冻影响小等优点。与传统的 “门式”进水口相比，投资较省，在水电站设计中应优先采用。

②现行规范中虹吸进水口喉道断面底高程的计算公式明显有误，设计中应采用本文介绍的公式。

③水电站的虹吸进水口运行安全、可靠，在厂房内不必设置控制蝶阀。

6 建议

尽早修定 《水电站引水渠道及前池设计规范》（SLT205－97）的相关内容。

1 丘传忻编著 .泵站 ［C］.中国水利水电出版社，2004