两种新型调压室的设计及试验论证

张立仁 乔娟 曾娟 鲍文 黄金水 万易冬 姜杨奇 洪志鹏

摘要：调压室是保证水力发电运行稳定性及供电质量的常用解决方案。以差动式及阻抗式调压室为对比对象，设计了瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式两种水能自耗式调压室，侧重优化了传统调压室的消能方式，一方面通过减小调压室水位波动振幅而降低其工程造价，另一方面通过加速调压室水位波动衰减而更好地保证水电站的供电质量。通过一系列的模型试验对两种调压室的技术可行性进行了论证。结果表明：瓣膜隔离强冲击式调压室在技术上可行，各方面性能较好，可像差动式调压室一样适用于中高水头的水电站;涌波发电掺气耗能式调压室在控制涌波高度及波动衰减时长上有一定的效果，可作为传统阻抗式调压室的技术改进方案。

关 键 词：调压室; 水能自耗; 瓣膜隔离强冲击; 涌波发电掺气耗能

1 研究背景

水电是世界上的主要能源之一，具有广阔的发展及应用前景。它在各国电网的构成中，特别是我国，所占的比重持续加大，这就更加需要水电站在各种工况下能够保证运行稳定性及供电质量，而设置调压室是一个常用的解决方案[1-3]。

调压室按布置位置可分为上游调压室及下游调压室。以上游调压室为例，其设置条件首先考虑的是水电站机组由停机状态突然增荷至满负荷的时间，也即所对应的引水系统中水流由静止增速至最大流速时所对应的加速时间长短，这主要体现了调压室能够及时给机组供水，从而改善机组运行条件，保证电站供电质量的功用。上游调压室设置与否的另一依据则是反射水击波，它能减小水电站负荷发生变化时而引起的压力管道内动水压力的变化，从而优化管道的设计及运行条件[4]。

随着现代水力发电工程技术的发展，水电站引水系统的长度、引用流量屡创新高。如锦屏二级水电站的引水系统长约16.67 km，引流量在1 800 m3/s以上[5-7];我国已规划建设的世界上装机容量最大的墨脱水电站，初拟引水系统的长度为34 km，拟引流量达2 000 m3/s以上[1]。这便需要调压室在设计上能够更加有效地控制水位波动周期过长、振幅过大以及衰减变慢等问题，从而既能够保证水电站在电力系统中的运行稳定性及供电质量，也可以减小调压室的高度从而降低其工程造价。

目前中高水头、大流量的水电工程采用的开敞式调压室以差动式及阻抗式居多[1，8]，如溪洛渡、白鹤滩等水电站均采用了阻抗式调压室。陈捷平[9]、王和芬[10]、祁伟强[11]、李永兴 [12]、冯熊[13]、童祥[14]等学者对阻抗式调压室在长引水隧洞中的应用也进行了相关的研究。锦屏二级等水电站采用的是差动式调压室，方杰[6]、缪明非[7]、郭彬[15]、周建旭[16]等学者对差动式调压室的应用也进行了系列研究。陶永霞等学者结合简单式与阻抗式调压室，发明了一种活塞消能式调压室[17]，通过强化消能来减小调压室的涌波高度及水位波动时间，取得了一定的效果。

结合调压室在实际工程中的应用现状，笔者所在团队以阻抗式及差动式调压室为对比对象，创新设计了瓣膜隔离强冲击式和涌波发电掺气耗能式两种水能自耗式调压室方案，在保证调压室功用的前提下，侧重优化了传统调压室的消能方式，从而减小其水位波动周期、水位波动振幅，并加快其水位波动的衰减。

2 創新设计思路及原理

2.1 瓣膜隔离强冲击式调压室

瓣膜隔离强冲击式调压室的设计方案是将差动式调压室的升管高度缩短至原来的1/4左右，并在其顶部设置仅能向升管内进水的、与瓣膜原理相同的逆止阀，升管中部设置两个侧流孔，结构构造及实物模型如图1所示。

当水电站机组弃荷时，引水系统的水流涌入调压室升管后首先冲击逆止阀消能，之后水流主流方向因在逆止阀处受阻，由垂直方向变为水平方向从升管中部的侧流孔口冲入大井，使调压室的水流消能由铅直方向撞击变为水平方向，在消能的同时也可以避免水流向上涌动而减小涌波升高的高度。当水体进入调压室大井后，随着水位波动变化，会有部分水流通过升管顶的逆止阀摩阻消能后回流至压力管道。水流在瓣膜隔离强冲击式调压室的整个进入及回流过程，很好地进行了消能处理，从原理上可以减小调压室水位波动振幅，加快调压室水位波动及引水系统内水击波的衰减过程，从而保证水电站运行的稳定性，并减小调压室的工程造价。

当水电站机组增荷时，瓣膜隔离强冲击式调压室又可以通过升管上的侧流孔及逆止阀同时且及时地向引水系统及机组供水，从而很好地保证机组的供电质量。

2.2 涌波发电掺气耗能式调压室

涌波发电掺气耗能式调压室的设计方案结合了波浪能发电原理及水电站水阻器消耗电能的工作原理，即在阻抗式调压室内设置涌波能发电机及电解水装置。

已见报道的波浪式发电机类型较多[18]，如筏式波浪能发电机、振荡浮子涡轮波浪能发电机、浮力摆式发电机及振荡水柱式波浪能发电机等。结合调压室工程实际，涌波发电掺气耗能式调压室所配备的涌波能发电机拟选用筏式波浪能发电机，调压室的结构构造图如图2所示。

当水电站负荷发生变化时，调压室内相应产生的涌波将带动涌波能发电机发电，这样一方面可以消耗水能;另一方则可以将产生的电能传输至位于调压室中下部的电解水装置，水电解后产生的氢气和氧气则会在向调压室顶部自由水面涌动的过程中，实现调压室水体的掺气扰动消能，同时其水气流引起的波动也将继续为涌波能发电机提供发电能量。

3 可行性论证

3.1 试验装置

试验装置由上游水库、调压室及压力管道等组成，如图3所示。试验用调压室模型共设置4组，即阻抗式、差动式、瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式。4组调压室模型的阻抗孔口与压力管道相应部位之间均采用插入式连接，以便各自试验操作。

阻抗式及差动式调压室模型尺寸严格按照调压室设计规范设计[2]，并结合实际工程进行了初步概化，调压室大井的直径均取15 cm，底部阻抗孔口的直径均取4 cm。压力管道直径为5 cm，上游水库底部压力管道进口中心与调压室底部阻抗孔口中心的水平距离为118 cm，管道中间设置蝴蝶阀A。为便于对比分析，瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式调压室模型的大井及阻抗孔口尺寸同上，其中瓣膜隔离强冲击式调压室的升管高度及测流孔尺寸、涌波发电掺气耗能式调压室的电极片位置事先均已由率定试验确定。试验装置纵剖面如图4所示。

3.2 试验方案及观测结果

为了能够得到更佳的试验效果，结合开敞式调压室与上游水库的连通器工作原理，经反复率定，在确保与调压室实际工作过程原理相同、能够得到相同波动现象的前提下，本次试验在水边界条件模拟的处理上，取初始上游水库水位为42.4 cm标高，初始调压室水位为17.6 cm标高。

试验操作步骤是：待上游水库水位与调压室水位调至初始设定水位后，控制1 s匀速开启蝴蝶阀A，在连通器原理的作用下，调压室内水位开始上升，待其水位上升至水库水位42.4 cm处时，因水体运动惯性，调压室水位会继续上升而达到最高涌波水位，之后在与水库水体连通器原理的作用下其水位又开始下降，随后调压室水位波动过程持续如此直至衰减结束。

试验过程设定采集的关键参数包括与调压室高度相对应的最高涌波水位，以及与水电站在电力系统中运行稳定性相对应的调压室水位波动衰减时长，并同时记录调压室水面波动现象。试验方案按调压室类型共设4组，每组分别进行10次，各组试验成果取平均值记录于表1。

3.3 试验成果小结

由表1观测结果可以看出：①从强化消能、控制水位上升过程水面紊动的能力及限制最高涌波上升值等方面来综合评价，各组调压室的优劣排序为差动式、瓣膜隔离强冲击式、涌波发电掺气耗能式、阻抗式;② 从缩短调压室内水位波动衰减总时长方面评价，各组调压室的优劣排序为瓣膜隔离强冲击式、差动式、涌波发电掺气耗能式、阻抗式;③ 作为创新设计方案，瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式调压室较传统的阻抗式调压室各方面性能均有所提高，但涌波发电掺气耗能式调压室设计方案的改善效果要稍弱，且远不及差动式调压室。相较于差动式调压室，瓣膜隔离强冲击式调压室在限制最高涌波上升高度方面稍弱，但在缩短调压室内水位波动衰减总时长方面要略优。

4 结 论

（1） 瓣膜隔离强冲击式调压室更为强化水体自耗消能，在几组调压室模型中，可以最快地实现水位波动衰减，从而缩短有压引水系统由非恒定流向恒定流转变的进程，优化了水电站向电网的供电质量。即瓣膜隔离强冲击式调压室在技术上可行，可像差动式调压室一样适用于中高水头的水电站，尤其适用于因地形、地质条件限制而不适宜设计成过高断面或者距离地面较深的调压室。

（2） 涌波发电掺气耗能式调压室在控制涌波高度及波动衰减时长上有一定的效果， 可作为传统阻抗式调压室的技术改进方案。

（3） 目前瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式两种调压室创新设计方案已获批国家实用新型专利，但某些结构特征，如升管高度及测流孔位置尺寸、电极片的位置及工作稳定性等方面还需进一步通过试验及工程实践应用加以优化分析和论证。

参考文献：

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（编辑：胡旭东）