2.2　引水式及混合式水电站建筑物

引水建筑物是引水式或混合式水电站中用来集中落差(对混合式水电站而言,则只是集中总落差)形成水头和输送流量到水轮机的工程设施。包括引水道建筑物(渠道、隧洞)、前池或调压室、水电站压力管道(调压室、压力管道、厂房等又称水电站建筑物)。有时水轮机管道也被称为引水建筑物,但严格说来,由于它主要是输送流量的,所以与同时具有集中落差和输送流量双重作用的引水建筑物并不完全相同。根据引水道不同,引水式水电站分为无压引水和有压引水水电站,区别在于无压为开敞式进水口,引水道为无压,末端设前池。有压引水水电站为深式引水口,引水道为有压,末端接调压井。

2.2.1　无压引水式水电站

特点是引水建筑物——渠道或隧洞是无压的。主要建筑物按水流方向依次为:低坝—开敞式进水口—沉沙池(有时有)—引水渠(无压隧洞)—日调节池(有时有)—压力前池—压力管道—厂房—尾水渠。

2.2.1.1　进水口(开敞式)

无压进水口内水流为无压的明流,以引表层水为主。进水口后一般接无压引水道,适用于无压引水式电站。图2.2.1为无压进水口示意图。进水口有如下设施、设备。

1.拦污设备(trash rack或trash screen)

拦污设备有拦污栅、拦污排等,作用是防止有害污物、漂浮物等堵塞进水口和进入引水系统,而影响过水能力,河流中下游的电站尤其要重视。竖井式进水口拦污栅一般平面倾斜布置(倾角一般为60°～70°),过水断面大,易于清污。塔式、坝式进水口一般平面直立布置,还有采用多边形布置。支承结构为一般金属框架或钢筋混凝土结构。拦污栅一般设计水头4m,过栅流速一般按0.8～1.2m3/s控制,人工清污或低水头电站一般按小值控制。因拦污栅在正常清洁状态时,其前、后的水位差约只有2～4cm。若拦污栅堵塞,将增大水头损失,影响过流能力,降低机组出力,压差过大会造成栅条变形或被压断。多污物河流上进水口的拦污栅上应装设压差监测设备,以掌握污物堵塞情况便于及时清理。冲击式、斜击式水轮机禁止取出拦污栅运行。

2.检修闸门(bulkhead gate)

检修闸门设在工作闸门上游侧,检修时用以挡水,运行方式为静水中启闭。一般采用平板闸门或叠梁检修门,单孔单洞时几个进水口可共用一套检修闸门,启闭可用移动式或临时启闭设备,平时检修闸门存放在门库内。

3.工作闸门(emergency gate)

工作闸门作用是在紧急情况下切断水流,以防事故扩大。运行方式为动水中快速(1～2min)关闭,静水中开启。一般为平板门,一口、一门、一机(固定卷扬启闭机),以便随时操作。进水闸门开启之前,必须经充水管将整个压力管路充满水平压,在静水条件下开启。如果在不充满水条件下强行开启进水闸门,一方面水压作用使得闸门启门力过大,可能引起启闭设备损坏;另一方面蜂拥而入的水流将压力管路中来不及排出的空气挤压到下降段内,当压力大到一定值时可能发生爆管的恶性事故。同时,由于破坏了水流的连续性,使机组无法稳定运行。

4.通气孔(air hole)

通气孔位于有压进水口的事故闸门之后,作用是引水道充水时用以排气,事故闸门紧急关闭放空引水道时,用以补气以防出现有害真空。通气孔面积一般为管道面积的5%左右。通气孔一般与检修进人孔合二为一。

5.充水阀(filling valve)

作用是开启闸门前向引水道充水,平衡闸门前后水压,以便在静水中开启闸门,从而减小启门力。

☆进水口泥沙。在多泥沙河流上,都不同程度地存在着泥沙(sediment)问题。如果进水口位置选择不当,没有防沙设施或防沙措施不力,可能造成进水口泥沙淤积,还会造成厂房管路堵塞,近而会造成厂房内的水力量测系统失灵,冷却器失效,影响机组的正常运行。大量泥沙过机,将严重磨损水轮机,使机组效率降低2%～5%,检修周期缩短、检修时间加长,检修费用加大。常用导(将泥沙导离进水口)、拦(将泥沙阻拦在进水口前缘)、排(将进水口前的泥沙排往下游)、沉(将越过进水口的泥沙沉淀在沉沙池内)和冲(将沉沙池内的泥沙冲往下游)等方式防止进水口被淤积。运行中,要按照设计的泥沙分界流量、排沙运行水位等进行控制运用,确保进水口“门前清”的要求。定期清理沉沙池、拦石坑等,减少过机泥沙。

沉沙池的工作原理是加大水流的过水断面,减小水的流速及挟沙能力,使泥沙沉淀在池内,而将清水引入渠道。当河流含沙量较大时,会有少量的推移质和大量的悬移质泥沙进入渠道,这不仅造成渠道淤积,并会使压力水管和水轮机的过流部件遭到严重的磨损。为此,一般当河流挟沙量超过0.5kg/m3及进入水轮机的悬移质大粒径泥沙(指大于0.25mm的泥沙)量超过0.22kg/m3时,则应考虑设置沉沙池。沉沙池应设在进水闸之后或其附近,以期尽先排除泥沙,将清水引入渠道或无压隧洞。沉沙池的型式有很多种,过去常用的形式为多室式沉沙池,各室定期轮换进行通水和冲洗泥沙。

2.2.1.2　渠道或无压隧洞

水电站无压引水道一般包括引水渠道(自动调节、非自动调节)或无压引水隧洞及压力前池。具有自由水面,引水道承受的内水压力不大。前接无压引水口,中间为渠道(channel)或无压隧洞(free flow tunnel),末端接前池。

1.渠道

一般按水电站的最大引用流量Qmax设计,有足够的输水能力。渠道进口、沿线及渠道末端设有拦污、防沙、排沙措施。渠道内水流速度v淤<v设<v冲;断面形状有长方形、梯形及U形,一般进行衬砌以减小糙率、防渗、防冲、维护边坡稳定。类型包括非自动调节渠道和自动调节渠道。

(1)非自动调节渠道。当水电站丢弃负荷时,渠道中多余的水量可通过溢流堰和泄水道排入下游河道,使渠末的水位升高受到限制,因此渠顶可以采取大致与渠底相同坡降。这种渠道在水电站减小负荷时会损失一定的水量和水头,从而产生一定的电能损失,但渠道的工程量小,亦免除了过高的填挖方工程,所以在渠道较长时,均都采用这种非自动调节渠道,同时在水电站减小负荷或停止工作时,它还能很好地满足下游用水。

当水电站引用流量Q=Qmax时,压力前池水位低于堰顶;Q<Qmax时,水位超过堰顶,开始溢流;Q=0时,通过渠道的全部流量泄向下游。图2.2.2为非自动调节渠道示意图。

(2)自动调节渠道。当水电站切除部分或全部负荷时,渠道内的水位能自动升高到与水库水位齐平而不发生弃水的渠道称之为自动调节渠道。首部和尾部堤顶的高程基本相同,并高出上游最高水位,渠道断面向下游逐渐加大,渠末不设泄水建筑物。适用于渠道不长,底坡较缓,上游水位变化不大的情况。当水电站切除部分或全部负荷时,渠道内的水位仅能升高至引水渠或前池溢流堰顶限制高程的引水渠道。这种渠道的流量和水位随着水电站负荷的变化而自动变化,故称为自动调节渠道。适用于引水道较长,对下游有供水要求的水电站。渠顶大致平行渠底,渠道的深度沿途不变,在渠道末端的压力前池中设有溢流堰。溢流堰的作用是限制渠末水位,保证向下游供水。这种渠道的优点是在水头和流量方面都能得到充分利用,同时在最高和最低水位之间的容积亦可起到一定的调节作用;缺点是由于渠顶高程要求沿全长不变,往往使工程量增加很大。因此,在渠道较短、地面坡度较小、进口水位变化不大、而且下游没有灌溉、给水或下一级电站用水的情况下,采用自动调节渠道才较为适宜。

水电站引用流量Q=0时,渠道水位是水平的,渠道不会发生漫流和弃水现象;Q<Qmax时为壅水曲线;Q=Qmax为降水曲线。图2.2.3为自动调节渠道示意图。

2.无压引水隧洞

无压隧洞工作条件与渠道相似,地质条件良好时一般采用城门洞形,洞顶和两侧围岩不稳时一般采用马蹄形,洞顶岩石很不稳定时采用高拱形。水面以上必须保证不低于断面面积15%的自由空间,且水面距洞顶不低于40cm。隧洞地质条件不良或多泥沙河流,一般在隧洞合适位置设置沉砂(石)坑。

2.2.1.3　压力前池

设置在引水渠道或无压隧洞的末端,是水电站引水建筑物与压力管道的连接建筑物。作用是平稳水压、平衡水量,宣泄多余水量,拦阻污物和泥沙,给各压力管道均匀分配流量,同时把无压水变为压力水。为了尽可能地缩短压力水管的长度,压力前池大都布置在陡坡顶部,又因它承受上游水压力且渗流途径较短,容易发生失稳、不均匀沉陷、滑坡等事故。因此,压力前池大都布置在地质条件较好的挖方中,并在设计时须充分满足建筑物的防渗、强度和地基稳定的要求。全国已发生了数起压力前池垮塌的事故,造成了重大的损失。

前池由前室、进水室及其设备、泄水建筑物、放水和冲砂设备、拦冰和排冰设备等组成。图2.2.4为压力前池布置图。

(1)前室(池身及扩散段)。其作用是将渠道断面扩大并过渡到进水室所需的宽度和深度,减缓流速,便于沉沙,并形成一定容积。前室末端底板高程应比进水室底板高程低0.5～1.0m,形成拦沙槛。

(2)进水室及其设备。通常指压力管道进水口部分,常采用压力墙式进水口。进水口处设拦污栅、通气孔、闸门及控制设备,其布置与有压进水口相似,必须满足最低水位下淹没深度等的要求。

(3)泄水建筑物。宣泄多余水量,防止前池水位漫过堤顶,并保证向下游供水。泄水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能设施。溢流堰应紧靠前池布置,形式为正堰或侧堰,水位超过堰顶时自动溢流。陡槽应落实防冲及防护措施。

(4)放水和冲砂设备。在前池的最低处设置冲砂孔,并在其末端设有控制闸门,以便定期将从引水渠道带入的泥沙排至下游。一般布置在前室的一侧或在进水室底板下设冲砂廊道,孔口面积一般不小于1m2。

(5)拦冰和排冰设备。北方严寒地区设置排冰道,底板在前池正常水位以下,并用叠梁门进行控制。

(6)日调节池。当引水渠道较长,且水电站担任峰荷时,在地形、地质条件允许的情况下常设日调节池。日调节池与压力前池之间的渠道按最大引用流量Qmax设计。日调节池应尽量靠近压力前池。

2.2.1.4　压力管道

压力管道的作用是从水库、前池或调压室将水流在有压的状态下引入水轮机的输水管道。它集中了水电站全部和大部分水头,其特点是坡度陡,承受较大的内水压力、水锤动水压力,在不稳定的水流下工作,如发生事故,严重的将使整个厂房遭受破坏。因此,应认真加强观测、维护和检修等工作,以保证压力钢管的安全运用。

压力管道的主要荷载是内水压力,管道内径D(m)和水压H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及其技术难度的重要特征值,HD值也与该管道所提供的装机容量N(kW)直接有关。

1.压力管道型式

压力管道分为明管、地下埋管、坝内埋管、坝后背管。坝式水电站一般采用坝内埋管或坝后背管,引水式、混合式电站多采用明管(回填管)或地下埋管。

(1)明管(exposed penstock)敷设在地面以上支承结构物上的压力管道。明钢管一般在首部(前池、调压井)设事故闸门,考虑事故排水及检修,底部高出地表0.6m以上。管道顶部在最大压力线以下2m,两侧应设纵向排水沟,并与横向排水沟相连,沿管线应设维修巡查人行步道。目前很多电站,无排水沟及检修步道。压力管道材料一般有焊接钢管,低水头电站有时可采用钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管,目前还有采用高分子材料的。图2.2.5为陕西省城固县白果树水电站压力明管。

(2)回填管(buried penstock)敷设在开挖的管槽内并用砂土料回填覆盖的压力管道。

(3)地下埋管(underground penstock)埋入岩体中、管壁与围岩之间用水泥砂浆或混凝土充填的压力管道。

2.压力管道引进厂房的方式

(1)正向引近。这种引进方式多用在中、低水头的水电站,如图2.2.6(a)、(d)所示,水管轴线与厂房纵轴垂直,厂房纵轴大致与山坡及河流平行,开挖量小,进厂交通也较方便;但当水管因事故破裂时,高压水流直冲厂房,危及厂房和运行人员的安全。陕西省栆渠、新庄等电站为正向进水。

(2)纵向引近。多用于高、中水头电站,可避免管道失事时水流直冲厂房。高水头水电站常采用使总管轴线与厂房纵轴平行,如图2.2.6(b)所示。但这样水管在进入厂房前要转90°弯,增大了水头损失。

(3)斜向引近。适用于分组供水和联合供水。如图2.2.6(c)所示,总管轴线与厂房纵轴斜交,这种引进方式的优缺点也介于上述二者之间。

3.供水方式

供水方式分单元供水、联合供水、分组供水。

(1)单元供水。一管一机,可不设下阀门。具有结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好,易于制作的优点,缺点是造价高,如图2.2.7(a)所示。

(2)联合供水。一根主管,向多台机组供水。设下阀门。优点是造价低,缺点是结构复杂(岔管)、灵活性差。适用于机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管,如图2.2.7(d)、(e)所示。

(3)分组供水:设多根主管,每根主管向数台机组供水,设下阀门。适用于压力水管较长,机组台数多,单机流量较小的情况,如图2.2.7(b)、(e)所示。

采用联合供水或分组供水时,需要设置分岔管,岔管位于厂房上游侧。纵向引近和斜向引进的厂房常采用卜形布置,如图2.2.7(g)正向引进的厂房一般用对称Y形、三岔形布置,分别如图2.2.7(h)、(i)所示。

4.布置方式

管身在两镇墩间连续,不设伸缩节的为连续式布置,这种布置方式温度应力及变形较大,一般较少采用。两镇墩之间设置伸缩节(在上镇墩的下游侧),为分段式布置,温度应力相对较小。连续式敷设一般只有在沟豁处,钢管在立面上采用拱形跨越时,方可采用。

镇墩作用是固定钢管,承受因水管改变方向而产生的侧向不平衡力,一般布置在管道转弯处,直线段不超过150m,管道在此处不应产生任何位移。一般由混凝土浇制,靠自重维持稳定。形式有封闭式、开敞式等形式,封闭式应用广泛,结构简单,固定效果好。开敞式易于检修,但受力不均匀,较少采用。封闭式及开敞式镇墩分别见图2.2.8及图2.2.9。靠近主厂房的分岔管处镇墩与主厂房基础间一般用沉降缝分开。

支墩承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承,温度变化时允许管道在轴向自由移动(温度变化时)。布置间距L=6～12m,D特别大时,L取3m。管道和支墩接触类型有滑动式、滚动式、摆动式,必须做好这些部位的维护保养,对减少管道温度应力具有重要作用。

5.压力管道上的闸门、阀门和附件

(1)闸门。在前池、调压室、水库等位置的压力管道进口设事故门(快速闸门)。前池必须保证压力管道进水口满足规范要求的淹没深度,且最低不能小于1m。

(2)阀门。对于联合供水或分组供水的管道,在水轮机进口前应设快速阀门(事故阀),其型式有蝴蝶阀、球阀,小型水电站有时也用平板阀。工作方式是动水中关闭,在静水中开启。

蝴蝶阀优点是启闭力小,操作方便迅速,体积小,重量轻,造价低。缺点是开启状态时阀体对水流有扰动,水头损失较大。

球阀由球形外壳、可旋转的圆筒形阀体及附件构成,优点是开启状态时没有水头损失,止水严密,能承受高压。缺点是结构复杂,尺寸和重量大,造价高。适用于高水头电站。

(3)伸缩节(expansion joint)。其作用是适应温度变形及少量的不均匀沉陷,常设在上镇墩的下游侧。伸缩节的型式较多,常见的有套筒式、波纹密封套筒式、压盖式限拉伸缩节及波纹管伸缩节等几种形式。伸缩节构造见图2.2.10。

(4)通气阀。作用是当阀门紧急关闭时,向管内充气,以消除管中负压,防止外压失稳;水管充水时,排出管中空气。位置在主阀之后。

(5)进人孔。作用是检修钢管,位置在钢管上方,直径50cm左右,间距100m左右。

(6)旁通阀及排水设备。旁通阀设在水轮机进水阀门处,作用是给阀门前后平压,以减小启闭力。排水管设置在管道的最低点,作用是在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水,高水头压力钢管排水口应设置消能设施。

6.压力钢管的安全监测及检测

1、2级压力钢管;管径D≥4m,或作用水头H≥100m,或HD≥400m2的3级压力钢管;采用新结构、新材料、新工艺、新设计理论和方法的压力钢管均应进行安全监测。

钢管在投入运行5～10年内,应进行首次安全检测,以后每隔10～15年进行一次中期检测。运行期满40年,应进行折旧期满安全检测,并确定钢管是否可以继续运行和必须采取的加固措施。

2.2.1.5　引水式水电站厂房

由于水电站的开发方式、枢纽布置方案、装机容量、机组形式等条件的不同,厂房的形式也是多种多样的,通常按厂房的结构及布置上的特点,可分为地面式(包括河床式、坝后式、岸边式)、地下式(包括地下式、半地下式、窑洞式)、坝内式、厂顶溢流式及厂前挑越式等。而其中最常见的是坝后式厂房和岸边式厂房。根据机组布置还可分为卧式机组厂房和立式机组厂房。图2.2.11、图2.2.12分别为卧轴式机组和立轴式机组厂房。

安装立轴混流式机组的主厂房在高度方面常分为好几层,主厂房由上至下一般分为发电机层、水轮机层、蜗壳层及基础廊道层,上述4个层次是工作人员可以到达的空间。按照一般习惯,发电机层以上称为厂房上部结构,发电机层以下称为厂房下部结构,水轮机层以下称为厂房下部块体结构。

副厂房的分层,每个水电站不同,但为了与主厂房交通的方便,常在高程上与主厂房的分层相适应。

有的岸边式厂房存在高边坡问题,厂房位置一般宜避开冲沟和崩塌体,否则应对可能发生的大的山洪淤积、泥石流和崩塌体等应采取相应可靠的防御措施。陕西省紫阳县红椿水电站厂房附近存在一个小冲沟,但未采取防护措施。汛期洪水将冲沟上游修建道路时弃渣冲入厂房,导致机组被掩埋,损失巨大。

农村水电站采用地下厂房的较少。为减少对河道侵占和植被的破坏,陕西省周至县木匠河水电站(装机7500kW)采用了地下厂房。图2.2.13为陕西省周至县木匠河水电站地下厂房。

地下厂房发电机层至少应有两个以上通往屋外地面的安全出口,并至少应有一个直通屋外地面,出口高程应在校核洪水位以上。地面厂房的发电机层,安全出口也不应少于两个,且必须有一个直通屋外地面。

厂房中最常见的起重设备是桥式起重机(桥吊)。桥吊由横跨厂房的桥吊大梁及其上部的小车组成,桥吊大梁可在吊车梁顶上沿主厂房纵向行驶,桥吊大梁上的小车可沿该大梁在厂房横向移动。桥式起重机有单小车和双小车两种。单小车设有主钩和副钩,当起重量不大时一般采用一台双钩桥吊。双小车是在桥吊大梁上设有两台可以单独或联合运行的小车,每台小车只有一个起重吊钩,起重量大于75t时,可采用双小车桥吊。

2.2.1.6　升压站

主变压器及开关站位置一般是结合安装检修、运输、消防通道、进线、防火防爆等要求综合确定。图2.2.14为小水电站升压变电站。

主变压器底部一般设有集油坑,坑内铺卵石,并铺有通向远处的排油管。

厂区外的屋外配电装置场地四周应设置2.2～2.5m高的实体围墙;厂区内的屋外配电装置周围应设置围栏,高度应不小于1.5m,围栏应可靠接地。

屋外主变压器场与厂房、宿办楼等厂区建筑物的距离必须符合《水利水电工程设计防火规范》。主副厂房、安装间,中控室、继电保护室,母线室、母线廊道等火灾危险性类别为丁级,耐火等级二级,当变压器总油量5～10t时,防火间距不小于12m,当油量10～50t时,防火间距不小于15m。

当厂房外墙与变压器距离不满足防火间距时,厂房外墙应采用防火墙,且该墙与变压器外缘距离不应小于0.8m。厂房外墙距油浸变压器5m以内时,在变压器总高度加3m的水平线以下及两侧外缘各加3m的范围内,不应开设门窗和孔洞,在其范围以外的防火墙的门和固定式窗,其耐火极限不应小于0.9h。当发电机母线穿越防火墙时,母线周围空隙应用非燃烧材料封堵。

油量为2500kg以上的油浸变压器之间,35kV及以下时,防火间距不小于5m,110kV时,防火间距不小于8m。当不满足要求时,应设置防火隔墙或防火隔墙顶部加设防火水幕。隔墙高度不应低于变压器油枕顶端高程,长度不应小于变压器贮油坑两端各加0.5m。当防火隔墙顶部加设防火水幕时,其高度应比变压器顶盖高出0.5m。

2.2.2　有压引水式水电站建筑物

有压引水式水电站特点是进水口及引水建筑物—隧洞(pressure tunnel)是有压的。主要建筑物按水流方向依次有:坝—深式进水口—有压隧洞—调压井—压力管道—厂房—尾水渠。

有压引水道:洞中水流为压力流,隧洞承受较大内水压力。前接压力引水口,中间为有压隧洞(pressure tunnel),末端接调压井。满足调节保证计算的,也可不设调压井。一些冲击式机组采取延长喷嘴关闭时间,配合折向器使用,经论证也可不设调压井。

2.2.2.1　进水口

有压引水式、混合式水电站和坝式水电站的进水口都属于有压进水口,一般这种水电站都具有较大的水库和较大的消落深度,为了保证在任何情况下都能向水电站引水,进水口必须设置在死水位以下,这样进水口和引水建筑物都在压力状态下工作。为了使进水口在运行中不进入空气和不发生漏斗状的吸气漩涡,在水库死水位时,工作闸门顶以上无吸气漩涡的临界淹没深度S按下式计算:

据统计,国内有压进水口的淹没深度h都大于0.5a,一般以0.8a左右为多,但淹没深度不能小于1m。进水口底坎高程尚应注意设置在泥沙淤积高程以上。淹没深度示意图见图2.2.15。

有压进水口一般由进口段、闸门段、渐变段组成,进水口充满水流,没有自由水面,后接压力隧洞。运行中必须按设计的方式运行,保证要求的淹没深度,防止空气进入。

有压进水口按照进水口位置和引水道布置又分为坝式、河床式、竖井式、岸坡式、岸塔式、塔式等6种,重点介绍以下几种。

1.坝式进水口

进水口依附在坝体的上游面上,并与坝内压力管道连接。进口段和闸门段常合二为一,布置紧凑。混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房常采用此种布置。部分混合式电站也采用了坝式进水口,在进水口后直接接明钢管,然后再进压力隧洞,如陕西省城固县马家沟水电站、洋县卡房水电站均采用这种型式,有效减少了投资,且利于运行管理。

2.河床式进水口

适用于河床式水电站。

3.竖井式进水口

拦污栅设于洞外,事故门或事故门设于竖井内。竖井式进水口见图2.2.16。

4.岸坡式进水口

进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外,形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物,承受水压及山岩压力。

5.岸塔式进水口

进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外,形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物,承受水压及山岩压力。

6.塔式进水口

进口段、闸门段及其一部框架形成一个塔式结构,耸立在水库中,塔顶设操纵平台和启闭机室,用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水。见图2.2.17。

☆气锤(air drop hammer,jack hammer)又称气浪,是压力水道中剧烈波动的压缩气体由进水口通道冲出而发出的喷水现象,喷出的水柱高达10多米,破坏力极大,影响电站的运行。形成的原因是压力水道中混入空气。而空气的混入,一是因为进水口低水位运行,淹没深度不够,空气随水流进入管道;二是因为管道充水过快,管内的空气来不及排出。由于空气被不稳定的水流囊括,压缩到一定程度,高压气囊便从进水口的各种通道喷射而出。气锤的防止,要保证足够的淹没深度,进流要具有良好的流态,应提出进水口闸门的运行方式和管道充水要求,供运行单位制定严格的操作程序。

2.2.2.2　有压引水隧洞

有压隧洞承受较大的内水压力,要求有一定厚度的围岩和足够强度的衬砌。有压隧洞一般多采用圆形断面,隧洞沿线最小内水压力线,洞顶各点高程应在最低压坡线之下,并有不小于1.5～2.0m水头的压力余幅,保证洞内不出现负压。有压隧洞运行条件复杂,内水外渗,排水失效,外水压力加大等均将恶化工程地质和水文地质条件,影响衬砌级围岩的稳定性。压力水外渗还可以引起山体滑坡。运行中要避免出现无压/有压交替的工作状态。

2.2.2.3　调压室

1.调节保证计算

正常运行时,水轮机的转动力矩与发电机的阻力矩相平衡,当负荷发生变化时失去平衡,引起机组转速变化,调速器为了保持机组转速恒定,必须相应地改变水轮机的流量,或者由于开机、事故停机,阀门突然关闭或开启。当水体在压力管道中流动时,因阀门的突然关闭或开启,从而在过水系统中引起非恒定流现象。由于水体的运动惯性,非恒定流现象引起了流速的急剧变化,流速的急剧变化近而使水电站有压过水系统(压力隧洞、蜗壳、尾水管等)中水体的压强急剧变化,且反复交替升降,此压强变化按一定的速度以压力波的形式从从轮机的节流机构(导叶或针阀)向上游传播,这种现象称之为水锤或水击(water hammer)。阀门关闭时间小于水锤波沿管长往返传播一次的时间(称为相)的水锤称为直接水锤(direct water hammer),阀门关闭时间大于水锤波沿管长往返传播一次的时间(称为相)的水锤称为间接水锤(indirect water hammer)。

当丢弃负荷时,水轮机的转动力矩超过发电机阻力矩使机组转速升高,调速器关闭水轮机导叶(或针阀),引起水流压强升高,为正水锤;当水电站增加负荷时,水轮机的能量不足,机组转速下降,调速器开启水流压强下降,此时为负水锤。

水锤现象发生时,引起压力升高的数值,可能达到正常压力的几十倍甚至几百倍,使管壁材料及管道上的设备受到很大的压力,产生严重的变形以致破坏。压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击,发出强烈的振动和噪声,尤如管道受到锤击的声音。这种反复的冲击还会使金属表面损坏,打击出许多麻点,轻者增大了流动阻力,重者损坏管道及设备。所以,水锤对安全运行是非常有害的,特别是在大流量、高流速的长管中更为严重。防止或减轻水锤危害的措施有:尽量缩短管道长度;增加阀门启闭的时间;增大管道直径,使管中流速降低,从而使水锤产生时相应的水锤压力数值减小;在管道上装设安全阀等。

改变导叶开度的速度越快,水轮机流量的变化越大,将导叶调整到与变化后的负荷相适应的历时越短,开度调整过程中的不平衡能量越小,引起的机组转速变化越小,但改变导叶开度的速度越快,压强变化越大,水锤压力越大;导叶开度变化越慢,将导叶调整到与变化后的负荷相适应的历时越长,开度调整过程中的不平衡能量越大,引起的机组转速变化越大,但改变导叶开度的速度越慢,压强变化越小,水锤压力越小。

加大转速变化会增加机组造价和影响供电质量,在较长的压力引水系统中,为了降低高压管道的水锤压力,满足机组调节保证计算的要求,常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段,上游段为低压管道,下游段为高压管道。

2.调压室工作原理

调压室的作用是缩短压力管道长度,反射水锤波,减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分),基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入上游段压力引水道,改善了机组在负荷变化时的运行条件。

调压室要具有较大的容积和自由水面,它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流分为性质不同而又互相联系的两部分,即压力管道的水锤和“水库→引水道→调压室”的水流波动。

当丢弃全负荷时,Q变为0,压力管道中发生正水锤,隧洞中水流继续流入调压室,调压室水位升高;流速逐渐降低到为0,此时水位最高;反向流动,水位下降,水位与水库持平,水流惯性使得继续流向水库,直到v=0,再次向下游流动,循环往复。调压室工作原理见2.2.18。

调节保证计算出机组甩负荷减负荷时转速最大升高值,压力管道和蜗壳压强最大升高值,尾水管最大真空度,计算出增加负荷时转速最大降低值,压力管道和蜗壳压强最大降低值。

3.调压室类型

上游调压室(引水调压室),位于厂房上游引水道上。适用于厂房上游有压引水道较长的电站,应用最广泛。上游调压室要尽量靠近厂房。

下游调压室(尾水调压室),位于厂房下游尾水洞上。适用尾水隧洞较长,需设置尾水调压室以减小水击压力,特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水击,尾水调压室应尽可能靠近厂房。

上游双调压室系统。适用于上游引水道较长的情况,靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用,称为主调压室;另一调压室帮助衰减引水系统的波动,称为辅助调压室。水位波动的衰减由两个调压室共同保证,增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。

调压室的基本类型有简单圆筒式调压室、阻抗式调压室、双室式调压室、溢流式调压室、差动式调压室及气垫式调压室等。农村水电站常用简单圆筒式、阻抗式调压室、溢流式调压室。

简单圆筒式调压室。自上而下断面尺寸形状不变,结构简单,反射水锤波效果好。但水位波动振幅较大,衰减较慢,因而调压室的容积较大。在正常运行时,引水系统与调压室连接处水力损失较大。

阻抗式调压室,将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口,这种孔口或隔板相当于局部阻力,即为阻抗式调压室。可以有效减小水位波动振幅,加快衰减速度,因而所需调压室的体积小于圆筒式。正常运行时水头损失小。由于阻抗的存在,水锤波不能完全反射,压力引水道中可能受到水击的影响。

4.调压室参数

(1)最高涌波水位(最高涌浪)。调压室内水位波动上升到的最高水位。一般为水库为正常蓄水位时,共用同一调压室的全部机组满载丢弃全负荷的工况下调压井的水位。

(2)最低涌波水位(最低涌浪)。调压室内水位波动下降到的最低水位。一般为水库为死水位时,共用同一调压室的全部n台机组由(n-1)台增至n台或全部机组由2/3负荷突增至满载的工况发生时调压井的水位。调压室为最低水位时,应保证不小于2m水头的正压,防止空气进入压力管道。

对于负水锤,压力管道任何一点均不应出现负压并要有一定压力余幅,尾水管进口允许最大真空度为8m水柱。

中低水头水电站,最大水锤压强通常出现在调节过程终了,水轮机导叶可采取先快后慢的调节规律(两段关闭),以提高开始阶段的水锤压强,降低终了阶段的水锤压强。对于高水头电站,最大水锤压强出现在调节的开始阶段,可以采取相反的调节规律。

2.2.2.4　压力管道

压力引水式、混合式水电站压力管道多采用地下埋管。地下埋管是指埋入岩体中、管壁与围岩之间用水泥砂浆或混凝土填充的压力管道。一般有斜井、竖井、平洞。竖井常用于首部式开发的地下电站。斜井适用于地面和地下厂房,平洞作为过渡段使用,如调压室以后需要经过一段平洞和斜井相连接,斜井在进入厂房之前也需要转为平洞。调压井及埋管示意图见图2.2.19。

地下埋管可以充分利用岩体抗力,一旦失事,影响要比明钢管小,但地下埋管应特别重视外水压力变化造成钢管失稳的问题。由于混凝土干缩和钢衬充水后的冷缩,在钢衬和混凝土之间、混凝土与围岩之间均存在有一定的缝隙,为了提高围岩的承载能力,一般应进行顶拱回填灌浆、接缝灌浆、围岩固结灌浆,同时采取措施降低外水压力也是保证钢衬稳定的重要方面。隧洞式钢管严重失稳的事故多发生于地下水压力的作用,特别是在水库蓄水之后,由于水库渗漏会产生过高的地下水位,过高的地下水位不只对钢管稳定不利,而且对洞外山坡稳定也非常不利,因此采取措施降低地下水位,是防止钢衬失稳和洞外边坡稳定的根本办法。通常采用排水孔、排水廊道以降低地下水位,在钢衬周壁上设置排水孔,更能直接降低外水压力,但必须保证排水管可靠工作并易于检修。调压井及埋管示意见图2.2.19。

2.2.3　混合式水电站

混合式水电站是指由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站,发电水头一部分靠拦河坝壅高水位取得,另一部分靠引水道集中落差取得。混合式水电站可以充分利用河流有利的天然条件,在坡降平缓河段上筑坝形成水库,以利径流调节,在其下游坡降很陡或落差集中的河段采用引水方式得到大的水头。这种水电站通常兼有坝式水电站和引水式水电站的优点和工程特点,这里不再赘述。