張文華

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 蘭州 730000）

1 前言

目前，小型水電站建設(shè)方興未艾，許多進(jìn)水口采用虹吸式。

筆者從事水電設(shè)計(jì)工作多年，接觸到多項(xiàng)同類(lèi)工程，個(gè)別工程由于虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)參數(shù)采用不當(dāng)，在施工和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了事故；也有一些工程在虹吸式進(jìn)水口的認(rèn)識(shí)上存在分歧。

經(jīng)過(guò)反思，筆者認(rèn)為這些問(wèn)題也可能在其他地方、其他項(xiàng)目中出現(xiàn)，有必要進(jìn)行探討和總結(jié)，以利水電事業(yè)的發(fā)展。

圖1 水力真空裝置

2 虹吸式進(jìn)水口的工作原理及特點(diǎn)

圖1所示，是一座較為典型的矩形斷面虹吸式進(jìn)水口。它由三部分組成。

①流道。由進(jìn)水口 （1－1）斷面等寬過(guò)度到喉道 （2－2）斷面，然后通過(guò)漸變段變?yōu)閳A形；

②注水系統(tǒng)，由注水管和閥門(mén)組成；

③斷流系統(tǒng)，設(shè)于喉道斷面頂部，主要設(shè)備為真空破壞閥。

虹吸的啟動(dòng)，方法較多。電站開(kāi)機(jī)前，流道及壓力管道內(nèi)是充滿(mǎn)空氣的。虹吸啟動(dòng)時(shí)，先開(kāi)啟真空破壞閥，然后開(kāi)啟注水管閥門(mén)，水流進(jìn)入壓力管道，空氣從真空破壞閥排除；待壓力管道內(nèi)水位與前池齊平時(shí)，關(guān)閉真空破壞閥和注水管閥門(mén)，此時(shí)虹吸體內(nèi)仍殘留有一部分空氣；開(kāi)啟機(jī)組，壓力管道內(nèi)水位迅速下降，殘留空氣壓力陡然降低 （小于大氣壓力），前池內(nèi)水流在大氣壓力作用下進(jìn)入流道和壓力管道，虹吸形成。這種啟動(dòng)方式，在開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)引起機(jī)組震動(dòng)，但使用設(shè)備少，運(yùn)行比較可靠。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，虹吸式進(jìn)水口流道及壓力管道內(nèi)均呈負(fù)壓。

停機(jī)時(shí)，只要打開(kāi)真空破壞閥，放進(jìn)空氣，破壞真空，就可以截?cái)嗨鳌?/p>

與傳統(tǒng) “門(mén)式”進(jìn)水口相比較，虹吸式進(jìn)水口具有下列特點(diǎn)。

①斷流快捷、徹底，不存在漏水問(wèn)題；

②在寒冷地區(qū)，冰凍影響?。?/p>

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便；

④取代工作閘門(mén)、事故檢修閘門(mén)及啟閉設(shè)備，節(jié)省投資等。

3 虹吸進(jìn)水口喉道斷面底高程 （▽底）如何確定

3.1 工程實(shí)例

圖2所示，是一座水電站的虹吸式進(jìn)水口布置實(shí)例。該電站位于甘肅省白龍江干流上，設(shè)計(jì)流量75.0m3／s，設(shè)計(jì)水頭24.5m，裝機(jī)容量15MW，廠房?jī)?nèi)設(shè)有3臺(tái)機(jī)組，壓力管道采用單機(jī)單管布置，左側(cè)溢流堰長(zhǎng)度20m，堰頂高程1255.45m。前池正常高水位1255.40m，最高水位1256.95m，▽底＝1255.65m，該電站設(shè)計(jì)上有兩個(gè)特點(diǎn)：①▽底按 《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》（SLT205－97）（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 《規(guī)范》）附錄B的要求確定，比前池正常高水位高0.15m。②在廠房?jī)?nèi)壓力管道末端沒(méi)有設(shè)置水流控制設(shè)備。

圖2 某水電站的虹吸式進(jìn)水口布置實(shí)例

2007年4月底，電站的土建工程全部完工，1＃機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，另2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行安裝。5月初，1＃機(jī)組發(fā)生事故甩負(fù)荷，水流進(jìn)入正在安裝的2＃、3＃機(jī)組，造成水輪機(jī)層被淹的事故，給工程帶來(lái)了較大的損失。為了能邊發(fā)電、邊施工，現(xiàn)場(chǎng)采取臨時(shí)措施，用麻袋裝土封死了進(jìn)水口喉道。

3.2 事故原因分析

事故發(fā)生后，我院對(duì)該工程的設(shè)計(jì)參數(shù)與已建的同類(lèi)工程進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，該電站▽底的確定雖然符合現(xiàn)行規(guī)范要求，但與已建工程存在差異，因此我們對(duì)規(guī)范的正確性產(chǎn)生了懷疑，并重新核算了▽底與前池水位之間的關(guān)系。

側(cè)堰的泄流能力采用 《規(guī)范》附錄A的公式計(jì)算：

式中：mL＝0.95m0；

m0——正堰的流量系數(shù)，該工程溢流堰堰型為實(shí)用堰，m0取0.48；

L——側(cè)堰長(zhǎng)度，m；

g——重力加速度，m／s2；

H——堰上水頭，m。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行工況下，引水流量25m3／s，此時(shí)機(jī)組甩負(fù)荷，側(cè)堰堰上水頭0.73m，前池水位1256.18m，比▽底高出0.53m，水流約按0.5m深度通過(guò)喉道流入壓力管道，虹吸進(jìn)水口沒(méi)有徹底切斷水流，從而造成了事故的發(fā)生。在三臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行工況下，引水流量75m3／s，此時(shí)若全部機(jī)組甩負(fù)荷，側(cè)堰堰上水頭1.5m，前池水位達(dá)到最高水位1256.95m，比▽底高出1.30m，即有約1.3m深度的水流將通過(guò)喉道進(jìn)入壓力管道（因側(cè)堰也在泄流，前池水位比最高水位略低），進(jìn)水口無(wú)法徹底切斷水流，不能滿(mǎn)足進(jìn)水口安全運(yùn)行的要求。

顯然，在水電站虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)中，▽底按《規(guī)范》的要求確定，即▽底＝前池正常高水位＋安全超高 （0.1m～0.2m）是不合理的，甚至是錯(cuò)誤的。

3.3 合理的確定方法

在反思事故的同時(shí)，我們也查閱了一些文獻(xiàn)，在泵站［1］虹吸式出水流道計(jì)算中，▽底的確定方法是：▽底＝泵站出水池設(shè)計(jì)最高水位＋安全超高（0.2m～0.3m）。雖然泵站的虹吸式出水流道與水電站虹吸式進(jìn)水口水流方向、功能不同，但它們對(duì)虹吸體的要求是一致的，因此可以作為參考。

在 《規(guī)范》發(fā)布之前，我省已建有一些同類(lèi)小型水電站，安裝、運(yùn)行過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)與上述工程同樣的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些電站對(duì)▽底的確定有如下認(rèn)識(shí)：在事故工況下，虹吸進(jìn)水口不允許過(guò)水，并能徹底切斷水流，▽底高于前池最高水位 （最不利工況下的前池水位），并考慮了波浪的影響。

總結(jié)已建工程成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在水電站虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)中，▽底的合理確定方法是：

式中：▽高 ——前池最高水位；

△ ——安全超高。一般取0.15m～0.2m。

鑒于此，建議盡快對(duì) 《規(guī)范》進(jìn)行修正。

4 采用虹吸式進(jìn)水口的水電站，在廠房?jī)?nèi)是否還需要設(shè)置控制蝶閥

4.1 工程實(shí)例

圖1所示，是一座水電站虹吸式進(jìn)水口。該電站設(shè)計(jì)流量8.0m3／s，設(shè)計(jì)水頭29.0m，裝機(jī)容量2.0MW，廠房?jī)?nèi)設(shè)有2臺(tái)機(jī)組，壓力管道采用單機(jī)單管的布置形式，建成于1995年。該工程▽底的確定采用了本文介紹的方法，但是在廠房?jī)?nèi)壓力管道末端設(shè)有液控蝶閥。

4.2 設(shè)計(jì)背景

該電站初步設(shè)計(jì)階段，已建的同類(lèi)工程大部分在廠房?jī)?nèi)設(shè)有水流控制蝶閥。對(duì)該工程廠房?jī)?nèi)是否設(shè)置水流控制閥，設(shè)計(jì)人員之間存在很大的分歧，主要原因是大家對(duì)虹吸進(jìn)水口的安全性認(rèn)識(shí)不一致。

贊成設(shè)控制蝶閥的理由是，進(jìn)水口斷流主要靠真空破壞閥適時(shí)啟動(dòng)，但從設(shè)備自身分析，存在不安全因素：為了消除設(shè)備缺陷，真空破壞閥設(shè)有手動(dòng)裝置，在因故不能打開(kāi)時(shí)，可使用手動(dòng)裝置。這說(shuō)明在產(chǎn)品制造時(shí)，廠家預(yù)知安全風(fēng)險(xiǎn)，并用手動(dòng)裝置作為補(bǔ)救措施。但是在水電站進(jìn)水口上，手動(dòng)裝置意義不大。

因?yàn)樗娬具\(yùn)行過(guò)程中，管理人員都集中在中央控制室，進(jìn)水口無(wú)人值守。中央控制室距離進(jìn)水口較遠(yuǎn)，當(dāng)電站發(fā)生事故、真空破壞閥不能動(dòng)作時(shí)，管理人員從中央控制室跑到進(jìn)水口，再啟動(dòng)手動(dòng)裝置，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，可能造成無(wú)法挽回的損失。

反對(duì)設(shè)控制蝶閥的理由是，真空破壞閥運(yùn)行較為可靠，手動(dòng)裝置很少使用，沒(méi)有必要再設(shè)置另外的水流控制設(shè)施，若在廠房?jī)?nèi)設(shè)置控制閥，相當(dāng)于壓力管道前后各設(shè)置了一道快速門(mén)，造成不應(yīng)有的浪費(fèi)。

當(dāng)時(shí)鑒于認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，為了確保電站安全，最終在廠房?jī)?nèi)設(shè)置了液控蝶閥。

4.3 電站建設(shè)、運(yùn)行情況

該電站只有2臺(tái)機(jī)組，采用同期施工的方法，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)達(dá)到了試運(yùn)行的要求。運(yùn)行過(guò)程中，虹吸進(jìn)水口斷流非常及時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)因進(jìn)水口不能斷流而靠液控蝶閥關(guān)閉的工況。液控蝶閥僅在一臺(tái)機(jī)組正常發(fā)電，另一臺(tái)機(jī)組臨時(shí)檢修時(shí)，輸入指令后關(guān)閉。

從該電站的運(yùn)行來(lái)看，液控蝶閥基本屬于閑置設(shè)備。液控蝶閥的設(shè)置，不僅造成了設(shè)備的浪費(fèi)，還加大了廠房寬度，帶來(lái)了場(chǎng)內(nèi)橋吊跨度增大，廠房土建工程量增加等一系列浪費(fèi)。

4.4 安全性分析

虹吸式進(jìn)水口是否安全、能否在電站出現(xiàn)事故時(shí)迅速切斷水流，主要取決于真空破壞閥。該設(shè)備最主要的技術(shù)要求有兩項(xiàng)：①關(guān)閉嚴(yán)密，不能進(jìn)入空氣。②開(kāi)啟及時(shí)，發(fā)生事故時(shí)，必須立即破壞真空，截?cái)嗨鳌?/p>

圖1所示電站及我省同類(lèi)電站運(yùn)行的實(shí)踐證明，真空破壞閥的可靠性比較高，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)因故不能打開(kāi)的事故。

經(jīng)對(duì)該電站的設(shè)備采購(gòu)、安裝、運(yùn)行過(guò)程分析，認(rèn)為是以下幾個(gè)因素保障了真空破壞閥的安全性和可靠性。

①對(duì)設(shè)備高要求，采購(gòu)時(shí)注重可靠性。該電站在設(shè)備招標(biāo)時(shí)，對(duì)真空破壞閥的可靠性提出了較高的要求，招標(biāo)文件中明確提出：因設(shè)備原因造成真空破壞閥不能打開(kāi)時(shí)，廠家賠償部分損失。在設(shè)備招標(biāo)期間，業(yè)主專(zhuān)門(mén)組織了真空破壞閥的可靠性調(diào)研，最終選擇了在已建工程運(yùn)行中可靠性較高的設(shè)備生產(chǎn)廠家。

②生產(chǎn)廠家服務(wù)到位，提高了真空破壞閥的穩(wěn)定性。在電站安裝、試運(yùn)行期間，廠家技術(shù)人員一直在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)、培訓(xùn)。電站運(yùn)行一年后進(jìn)行檢修時(shí)，廠家又對(duì)真空破壞閥進(jìn)行了全面的檢查、維護(hù)。

③運(yùn)行單位高度重視，使真空破壞閥的安全性得到進(jìn)一步保障。雖然真空破壞閥屬于輔助設(shè)備，但其在電站中作用非常重要，運(yùn)行單位對(duì)其維護(hù)極為重視，每次例行檢查、臨時(shí)檢修，真空破壞閥均被列入首要部件。

通過(guò)工程實(shí)例分析認(rèn)為，只要在設(shè)備采購(gòu)、安裝、運(yùn)行過(guò)程中措施到位，虹吸進(jìn)水口是安全性的、可靠的。尤其是進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外設(shè)備通過(guò)合資、合作等形式紛紛進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，制造廠家加大了科技投入和技術(shù)改造力度，真空破壞閥在制造精度上有了較大的提高，從而更進(jìn)一步提高了虹吸進(jìn)水口的安全性和可靠性。

因此，采用虹吸式進(jìn)水口的水電站，在廠房?jī)?nèi)沒(méi)有必要設(shè)置控制蝶閥。

5 結(jié)論

①水電站虹吸式進(jìn)水口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斷流快捷、徹底，冰凍影響小等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的 “門(mén)式”進(jìn)水口相比，投資較省，在水電站設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用。

②現(xiàn)行規(guī)范中虹吸進(jìn)水口喉道斷面底高程的計(jì)算公式明顯有誤，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用本文介紹的公式。

③水電站的虹吸進(jìn)水口運(yùn)行安全、可靠，在廠房?jī)?nèi)不必設(shè)置控制蝶閥。

6 建議

盡早修定 《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》（SLT205－97）的相關(guān)內(nèi)容。

1 丘傳忻編著 .泵站 ［C］.中國(guó)水利水電出版社，2004