气垫式调压室内气体温度变化预测分析

欧传奇 刘德有 周领

摘 要：在水电站水力过渡过程中，气垫式调压室封闭气室内的高压气体因调压室底部压力变化而发生压缩或膨胀，特别是某些突发情况使气体体积改变迅速时，会引起危害性高温或低温。为了解室内气体温度在各种工况下的变化范围及可能的危害，通过建立模型，进行数值模拟计算，详细分析预测了气垫式调压室内气体温度变化情况和危害特征。结果表明，室内气体存在低温引发室内水体结冰而影响甚至使调压室散失功能的潜在危险，需确定室内初始气温，就相关危险情况逐一分析，确定可能的最高、最低温度以及冰点续时。相关建议可为气垫式调压室的设计和运行提供参考，对保证气垫式调压室正常工作以及维护电站整体安全具有现实意义。

关键词：气垫调压室;气体温度;数学模型;温度预测;冰点续时

中图分类号：TV62;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.030

引用格式：欧传奇，刘德有，周领.气垫式调压室内气体温度变化预测分析[J].人民黄河，2022，44（2）：147-152.

Abstract： In the process of hydraulic transition of power station， especially in some emergencies， the high-pressure gas in the air cushion surge chamber （ACSC） is compressed or expanded due to the pressure change at the bottom of the tunnel， resulting in hazardous temperature change. In order to understand the variation range and possible harm of inner gas temperature under various working conditions， this paper analyzed and predicted the change and harm characteristics of inner gas temperature in ACSC by establishing a model and carrying out numerical simulation calculation. The results show that there is a potential risk that the low temperature of inner gas will cause the freezing of indoor water and even cause the loss of the function of the ACSC. It is necessary to determine the initial inner temperature， analyze the relevant risk situation one by one， and determine the possible maximum and minimum temperature and water freezing point duration. Relevant suggestions can provide reference for the design and operation of ACSC， and have practical significance for ensuring the normal operation of ACSC and maintaining the safety of power station.

Key words： air cushion surge chamber;gas temperature;mathematical model;temperature forecast;freezing point duration

气垫式调压室是利用边墙和水面围成封闭气室，其内充满高压空气形成“气垫”，据此抑制水位波动幅值的调压设施，亦稱空气制动调压室[1]、气压式调压室[1]、压气式调压室[2-4]、封闭式调压室[5]、洞室式气垫调压室、气垫调压罐、气垫调压室[6]、空气缓冲调压室[7]等。因其深埋地下，故具有保持地表自然环境等特点，四十多年来已在我国十余座水电站中成功运用。

由于气室封闭，因此在水电站水力过渡过程中，室内高压气体因调压室底部压力升高或降低而发生压缩或膨胀，气体与外界发生功能转化，从而引起室内气体温度变化。若遇输水道检修放空以及事故等引发室内气体温度剧烈变化的特殊情况，则有可能引发危害性后果，包括：过高或过低的温度及其交替变化会显著增加洞室结构的温度应力和疲劳破坏风险，损害室内的监测仪器及设施设备，从而影响调压室的运行控制;过低的温度及其持续作用，还可能使室内水体结冰，导致调压室逐渐散失功能直至失效，并有进一步堵塞压力管道的危险，挪威Jukla电站气垫式调压室就曾因放空太快而引发结冰[8]。此外，气垫式调压室的存在，还增加了危险工况对系统造成更大破坏的潜在风险，据悉挪威Kvilldal电站12.5万m3气垫式调压室的爆炸力相当于约200 t的TNT炸药[9]。为保障气垫式调压室围岩的稳定性以及室内监测设备的正常工作，需掌握其室内气体温度可能的变化范围，以采取预防措施，防止相关危害的发生及扩大化。

迄今为止，气垫式调压室室内气体温度变化可能诱发的危害并没有引起足够重视，普遍的关注点停留在研究与温度有关的气体多变指数[10-11]对室内气压及水位的影响，对气温变化历程、变化幅度及可能造成的危害则缺乏认识。现有规范[12-13]虽提及需对室内气体温度监测，但并未明确具体的控制要求、温度控制值发生的工况以及如何计算等。笔者基于特征线法[14]，通过构建气垫式调压室水力计算数学模型，针对可能引起温度较大变化的设计工况和事故情况，进行模拟预测和分析，为气垫式调压室的设计和危害防控提供参考依据。

1 气垫式调压室气温计算数学模型

如图1所示，基于特征线法的气垫式调压室水力计算数学模型如下，其他边界条件可参考文献[15-16]。

（1）调压室底部节点控制方程。设调压室底部共有jmax根分岔管道，忽略流速水头，则调压室底部节点P相连管道的特征相容方程（正、负特征线方程）可统一写成如下形式：

式中：H为测压管水头，m;Q为流量，m3/s;a为水锤波速，m/s;g为重力加速度，m/s2;f为摩阻系数;Δt为计算时间步长，s;D为管道内径，m;A为管道过流断面面积，m2;ξP为系统节点参考坐标方向，正特征线取1，负特征线取-1;流量与水头下标P表示计算控制节点位置，下标N为计算断面沿相应特征线延伸到的起始积分点，正特征线为管道内节点i-1，负特征线为管道内节点i+1，下标“1”“2”分别表示计算的前一时刻和当前时刻。

设节点与调压室的流量交换为Qs，节点参考坐标方向为ξs，定义Qs流入节点（流出调压室）为正时ξs=1，反之ξs=-1，则根据连续方程有

联立式（1）与式（2）可确定节点水头与出入调压室流量的关系：

式中：C1、C2为由前一时步的参数确定的常数。

（2）入流与气室水深的关系（连续方程）。忽略计算时步内水面面积As的变化，则出入调压室流量与气室水深Ls关系为

在计算时步内积分，等号右边取二阶近似有

（3）底部隧洞节点压力与室内水深的关系（动量方程）。忽略调压室内水流惯性和沿程水头损失，有

式（11）中C1～C6均可由上一时步参数值求得，将计算结果代入式（10）可求得当前时刻室内气体温度。

2 气垫式调压室内气温预测分析

为便于分析，以某水电站为例，其正常蓄水位（最高水位）为1 248.0 m，相应下游水位为1 001.4 m，当地大气压（水柱）8.94 m。电站装机2×51.3 MW，额定流量26.6 m3/s。上游設气垫式调压室，顶拱折算高程1 025.2 m，底板高程1 010.0 m，净尺寸98.6 m×10.6 m×15.16 m（长×宽×高）。尾水调压室采用开敞式，净断面面积140.8 m2，底板高程988.8 m。机组甩、增负荷导叶关闭总时间分别采用8 s和10 s。电站输水系统平面布置见图2，管道主要参数见表1。

2.1 设计工况发生水力过渡过程

含气垫式调压室的水电站多为长输水道、高水头的引水式电站，正常情况各参数控制值大多发生在最高水位、最大出力工况，为此甩负荷取两台机额定出力同时甩满负荷。为便于比较，增负荷水位与甩负荷水位取值一致，工况变化为一台机额定出力稳定运行，另一台增至满负荷。考虑气垫式调压室具有气室表面积大及波动周期长的特点，有利于气体热交换，但目前尚难以准确估量，气体多变指数m分别取1.2和1.4计算。温度系列则取15、10、5 ℃进行比较。计算结果见表2及图3，其中图3（a）给出了最大温升、最大温降及冰点续时（零下温度最大持续时间）的含义。

计算结果表明，在设计工况下：

（1）室内气体初始温度对气体最大温升、最大温降以及最大温度变幅的影响较小，最低、最高温度主要受初始温度的控制，且基本为线性关系，设计分析时，应取可能的最低、最高初始气温进行计算。初始气体温度相同时，甩负荷工况温度最大升幅比温度降幅大，而增负荷工况正好相反;相同水位及出力时，甩负荷工况的温度变化幅度比增负荷工况的大得多，即甩负荷是最大温升和最大温降的控制工况。

（2）实际工作中，室内最高气体温度一般要求控制在80 ℃以内，当温度达到80 ℃则报警。该例最大温升在18 ℃以内，考虑极端最高初始气温时，气体最高温度也不会出现危险的控制值。一方面，气垫式调压室深埋地下，实际工程中气体初始温度一般较低，产生较高温度的可能性低;另一方面，室内高压有助于提高水的沸点，气体温度升高引起水沸腾几无可能。

（3）气热交换越充分对控制室内气体最大温升、最大温降越有利，相关参数控制值与气体多变指数为线性关系。若气体多变指数按1.2计算（考虑部分热交换），则温度变化幅度要小得多，本例当初始气体温度不低于5 ℃时，发生有害低温的可能性较小。

（4）若假定气体变化遵循等熵过程，则当该电站初始气体温度低于10 ℃时，就存在气温低于0 ℃（水体结冰冰点）的可能。当初始气体温度继续降低时，冰点续时将迅速增加。本例中当初始气体温度为5 ℃时，冰点续时甩负荷将达到68 s，增负荷工况达到67 s。考虑过渡过程中水体流动的有利影响，若允许事故工况冰点续时不超过10 min，则无结冰风险。

2.2 设计工况电站正常稳定运行

电站正常稳定运行时，水、气温度基本一致或气温略高（一般相差在2 ℃以内[16]），短期内相关温度几乎不变，一般也不会发生控制性高温，但低温危害可能性仍然存在。当取用水源水体温度较低时，正常发电管道内流速一般不小于2 m/s（经济流速），在此流速下即便水温低于0 ℃，管道内也不会结冰[17]。但气垫式调压室内不同，电站正常稳定运行时，调压室内水体基本是静止的或仅有微小扰动，当水体温度较低且持续时间较长时，可能有结冰的风险，并进而通过热传递影响气体温度（调压室气体与水面接触面积较大）。不过，此类电站输水道一般较长，以算例电站为例，正常运行时水流从进水口流到调压室约需1 h，此过程中水体可以较充分与外界进行热交换，室内温度受水源（水库进水口附近）温度影响大大降低。

2.3 进水口工作闸门事故关闭

当电站进水口工作闸门事故关闭时，若机组导叶长时间未能关闭，则气垫式调压室水位会因补给机组发电耗水而快速降低，从而引起室内气体急剧膨胀，温度大幅降低，引发有害低温。选取不同滞后时间（事故发生后至导叶开始关闭的时间）进行计算分析，因事故工况引发的过渡过程速度快，故气体与外界来不及热交换，接近等熵（绝热）过程，气体多变指数取1.4，计算结果见图4。

室内水深与气体温度变化

计算结果表明，随着滞后时间的增大，气垫式调压室的最小水深不断减小，气体体积膨胀加剧，气体最低温度不断下降，且机组导叶关闭后气室气体温度长期维持在较低值，回升缓慢。对于该电站，当滞后30 s时，气室气体温度就已较长时间（约2 min）在0 ℃附近了，若滞后时间再增长，则冰点续时会快速增长，因此机组导叶能否及时关闭十分重要。控制低温并考虑水体流动的有利影响，若允许事故工况冰点续时不超过10 min，则事故发生后机组导叶开始动作的滞后时间不宜超过1 min。具体控制要求还需结合事故情况调压室最低温度和最小水深防控要求来定。

2.4 压力管道事故爆管情况

压力钢管维护不及时、设备老化、误操作等可能引起气垫式调压室与机组间的压力管道爆管。当爆管事故发生后，爆管处水量损失也迅速增加，则不论机组是否及时关闭，调压室内的水体都会在气室巨大压力作用下快速外流，引起气体膨胀，温度迅速降低。爆管处孔口拟按阀门模拟，将岩石阻力以及爆裂孔口大小通过阻力系数（或流量系数）的取值加以考虑。阀门孔口流量计算公式为

式中：QP为流量;Cd为流量系数;AG为开启面积;ΔHP为进、出口断面的测压管水头差。

（1）甩负荷过程中发生爆管。压力钢管长期运行后承压能力降低，或误操作引发超过设计允许的最大压力，都可能引起压力钢管爆管，其发生时间最可能在甩负荷最大压力发生时刻附近。为此，针对两机甩负荷的情况，模拟压力管道在最大压力发生点发生爆管，阀门的CdAG分别取0.5、1.0、1.5，初始气体温度取10 ℃，计算结果见图5。

显然，岩石的阻碍作用越小、爆管程度越大，室内水位下降得越快，体积膨胀得越剧烈，室内气体最低温度越低，冰点续时越长。当爆管缺口较大时，有可能导致结冰和低温危害以及调压室漏孔和管道进气。具体控制要求，可结合事故情况及调压室最低温度、最小水深防控要求来定。

（2）正常运行时突然发生爆管。电站经长期运行后，压力钢管会产生一系列微小裂缝，经拓展及贯通后形成较为发育的裂缝，有可能在正常运行过程中引发疲劳破坏。分析表明（见图6、图7），当岩石阻碍作用小、爆管程度大时，冰点续时将显著加长，并可能长期处于冰点之下。产生这一现象的主要原因在于正常运行时机组未能及时关闭，机组发电流量加剧了气垫式调压室流量的损失。若机组能及时关闭，则冰点续时可大为缩短。为减轻事故危害，爆管后首要任务是设法及时关闭机组导叶，并结合事故情况调压室最低温度和最小水深防控要求，及时将气垫式调压室从系统中切出。

3 结 语

通过构建氣垫式调压室水力计算数学模型，针对可能引起温度较大变化的相关情况进行模拟预测和分析，主要分析结论及相关建议如下。

（1）气垫式调压室各种因素引起的气体温度变化特别是温度降低应引起重视。过高或过低的气温及其交替变化会显著增加洞室结构温度应力和疲劳破坏风险，损害室内监测仪器及设施设备，影响调压室的运行控制;过低的温度及其持续作用，还可能使室内水体结冰，导致调压室逐渐失去功能，并有进一步堵塞压力管道的危险。

（2）气垫式调压室内发生高温危害的可能性较小但低温危害可能性较大。发生危害的主要情况包括：水源温度较低的正常稳定运行及电站过渡过程中，进水口工作闸门事故关闭和压力管道事故爆管等，以正常运行时突然发生爆管、机组导叶又不能及时关闭的事故情况最为严重，这与事故工况水量损失较快、气体与外界来不及进行热交换有关，需就相关情况逐一分析（气体多变指数宜取1.4），确定可能的最高、最低温度及冰点续时。

（3）气垫式调压室气温影响分析应就设计和事故情况分别进行。设计工况的温度变化应在设计过程中加以考虑，通过增加辅助措施（如备用加热设备）来满足要求。发生概率较小的事故工况，需考虑气垫式调压室的重要性及失事危害，除采取措施尽量避免外，可考虑在调压室连接隧洞段增设事故闸门，必要时可将气垫式调压室临时从系统中切出，以防止事故扩大。

（4）室内气体初始温度是决定气体最低、最高温度的一个重要的参数。因室内气体初始温度对气体最大温升、最大温降及最大温度变幅的影响很小，故最低、最高温度主要受初始温度的控制，且基本为线性关系。室内气体初始温度与调压室围岩性质、室内水温等众多因素有关，虽难以准确确定，但实测资料显示，电站正常稳定运行时气温一般较水温略高（2 ℃以内）。设计分析时，可通过类似电站的实测资料加以核定，并取可能的最低、最高初始气温进行计算。

（5）初始气体温度相同时，甩负荷工况温度最大升幅要比温度降幅大，而增负荷工况正好相反;但相同水位及出力时，甩负荷工况的温度变化幅度要比增负荷工况的大得多，甩负荷是最大温升和最大温降的控制工况。

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【责任编辑 张华岩】