歐 傳 奇，劉 德 有，，周 領

(1.國際小水電中心，浙江 杭州 310002； 2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

氣墊式調壓室多采用“等P0·V0值”模式控制(P0，V0分別為穩(wěn)定運行時室內氣體絕對壓力、氣體體積)。在恒溫閉氣條件下，該模式可自適應工況轉換，而無需進行補氣、排氣。不過受工程地質、防滲、施工條件等限制，氣室漏氣不可避免[1-3]，室內溫度也不可能完全遵循等溫過程[1，4]。為控制好室內水位及氣壓，確保電站安全運行，需在其運行控制系統(tǒng)中設置補氣、排氣、報警、緊急停機等操作的系列參數(shù)控制閾值，即氣墊式調壓室控制閾值，簡稱：氣室控制閾值。鑒于大體積高壓氣體的存在，準確整定氣室控制閾值尤為重要，據(jù)悉挪威Kvilldal電站12.5萬m3氣墊式調壓室的爆炸力相當于約200 t TNT炸藥[5]，一旦失事則后果不堪設想。

關于氣室控制閾值整定，國外(以挪威為主)因相關工程地質條件好，漏氣量小(普遍在100 Nm3/h以內)，一般僅需按設定水位進行補氣、排氣，故對此并未重視，其控制參數(shù)選取單一，閾值整定較為粗糙[6]，可借鑒的經驗不多。我國自然地質條件與挪威差異較大，從實際應用來看，漏氣較為普遍(自一里1 800～2 400 Nm3/h，小天都900～1 200 Nm3/h)[7]，在改善滲漏條件的同時，研究合理的運行控制模式及補氣、排氣閾值整定方法對促進我國氣墊式調壓室的發(fā)展具有重要意義。在這方面，劉德有等[8]針對我國第一座氣墊式調壓室，給出了最大、最小P0·V0值取值工況和簡單的運行控制建議。因該調壓室為地面全鋼包式，漏氣量很小，室內壓力也低，不具有代表性。薛志剛等[9]給出了“等P0·V0值”模式穩(wěn)態(tài)氣室常數(shù)的取值方法及范圍建議，但并未涉及更多的補氣、排氣控制閾值整定內容。劉九等[10]較為完整地給出了野三河工程的相關閾值和參數(shù)測量方法，但并未給出各項閾值確定的依據(jù)，而且針對的是等面積體型，未提及對其他體型的適用性。本文基于通用的體型關系式，通過分析相關控制閾值的動靜態(tài)變化范圍及其疊加識別方法，給出適合各類體型控制閾值確定的一般方法與原則。

2 “等P0·V0值”模式與控制參數(shù)選擇

2.1 “等P0·V0值”模式特征及參數(shù)優(yōu)選

采用這種模式，需要確定合理的“P0·V0值”，即氣室的初始充氣量，習慣稱之為氣室控制常數(shù)，記作CT0。對于“等面積”體型，常將其除以斷面面積后的“P0·L0”值作為氣室控制常數(shù)(L0為室內氣墊按相應斷面折算后的高度)。

CT0值與取值工況的選擇無關，為方便設計計算，習慣選為“上庫發(fā)電最高水位、全廠停機工況”，并稱此為氣室設計靜態(tài)工況。給定該工況室內水位，可按式(1)求得CT0值：

(1)

式中：Ls0為設計靜態(tài)工況室內水深，m；Zb為調壓室底板高程，m；P0為設計靜態(tài)工況室內氣體絕對壓力，m；Zumax為發(fā)電最高庫水位，m；ha為當?shù)卮髿鈮?，m；V0為設計靜態(tài)工況室內氣體體積，與相應室內水深具有線性或近似線性關系，m3；k1，k2為由氣墊式調壓室體型確定的體積系數(shù)，等面積體型k1為調壓室斷面面積，k2為調壓室總折算高度；非等面積體型，可由波動范圍內兩組數(shù)據(jù)點確定。

當已知CT0值及相應室內水深Ls0后，任意穩(wěn)定工況i的室內水位、氣體絕對壓力及氣體體積等初始參數(shù)均可由式(2)確定。

(2)

式中：b，c，k3為計算系數(shù)。

為了確保氣墊式調壓室的長期安全可靠運行，盡可能地減少補氣操作，CT0取“滿足最小安全水深要求并預留一定安全裕度的較大值”[9]。

2.2 運行控制參數(shù)選擇

采用“等P0·V0值”模式，各參數(shù)相互關聯(lián)，只要控制CT0值在合理范圍內就能保證電站安全穩(wěn)定運行，因此CT0是重要的控制對象。由于CT0是通過測量氣室壓力P和水氣差壓(測量出室內水深進而計算出氣體體積V)經計算間接獲取的，僅與穩(wěn)態(tài)值相匹配，大波動過渡過程中的動態(tài)值將發(fā)生改變。為此需選取PV值作為控制參數(shù)，記CT=P·V，稱CT為氣室控制參數(shù)，并取室內水位Z(或水深Ls)、氣體壓力P作為輔助控制參數(shù)，以策安全。

3 CT值變化范圍研究

允許CT0在一定范圍內變化，有助于減少運行費用和簡化控制程序。允許變化范圍由CT值穩(wěn)態(tài)變化范圍與CT值動態(tài)變化范圍共同決定。其中，穩(wěn)態(tài)變化由氣體漏損等因素引起，其設計值為CT0；動態(tài)變化由水力瞬變引起，動態(tài)變化過程以穩(wěn)態(tài)值為初值，圍繞其上下波動最終穩(wěn)定至漏氣后的新的穩(wěn)態(tài)值。

3.1 穩(wěn)態(tài)CT值的變化范圍

氣墊式調壓室深埋地下，室內溫度基本不受季節(jié)變化影響(實測約在2 ℃以內[1])，對主要參數(shù)控制值影響有限，因此引起穩(wěn)態(tài)CT值變化的主要因素是氣體漏損。根據(jù)工程設計控制要求，正常情況下室內氣體漏損極其緩慢，則CT值穩(wěn)態(tài)變化可視為符合等溫規(guī)律的若干CT0值的疊加，可參照式(1)求得。

CT0=k1(k3-Ls0)(k2-Ls0)

(3)

穩(wěn)態(tài)CT值是靜態(tài)工況室內水深Ls0的二次函數(shù)，其最大水深偏離對稱軸約0.5P0，在水位可能波動范圍內，兩者實際近似成線性關系。

穩(wěn)態(tài)CT值允許變化范圍需經水力過渡過程計算和穩(wěn)定分析確定。研究表明[4，9]：隨著漏氣量的增加，設計工況靜態(tài)工況水深逐漸增加，穩(wěn)態(tài)CT值降低，使得氣墊式調壓室穩(wěn)定氣體體積安全系數(shù)降低、而室內最大氣壓及蝸殼進口最大內水壓力增大。因此，CT0值下界由穩(wěn)定條件和壓力參數(shù)控制要求(氣室最大壓力及蝸殼進口最大內水壓力等)決定；反之，隨著設計工況靜態(tài)工況水深逐漸減小，穩(wěn)態(tài)CT值增加，氣墊式調壓室最小安全水深逐漸降低，CT0的上界由最小安全水深要求決定。由此根據(jù)式(4)可以確定穩(wěn)態(tài)CT值的變化范圍(見圖1)。

圖1 穩(wěn)態(tài)CT值變化范圍示意Fig.1 Change range of steady-state CT value

3.2 動態(tài)CT值及其動態(tài)變化

快速的水力瞬變過程致使室內氣體傳熱不充分的溫度變化，是引起動態(tài)CT值變化的主要原因。CT值的動態(tài)變化以穩(wěn)態(tài)CT值為初值，對應穩(wěn)態(tài)CT值范圍內的每個CT值均有一組最大動態(tài)波動曲線，由此疊加成一個更大的變化區(qū)間(見圖2)。動態(tài)變化下限由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定(其最大值決定對穩(wěn)態(tài)變化下限的擾動范圍)，動態(tài)變化上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定(其最小值決定對穩(wěn)態(tài)變化上限的擾動范圍)。相對穩(wěn)態(tài)值的增加范圍可由下式進行估算：

(6)

式中：m為氣體多變指數(shù)。

受高壓氣墊限制，體積變化率不會太大，取±0.25估算，氣體多變指數(shù)按最不利情況取m=1.4，則CT動態(tài)變幅約為穩(wěn)態(tài)的10%，既不可忽略也不太大，且隨著氣體漏損波幅逐漸減小(見圖2)。

圖2 動態(tài)CT值變化范圍示意Fig.2 Dynamic CT value range

3.3 CT變化范圍分區(qū)及補排氣要求

由穩(wěn)態(tài)、動態(tài)變化范圍的上下限可將允許的CT變化范圍分為7個區(qū)域(見圖3)。其中，穩(wěn)態(tài)變化下限(對應室內最大初始水深)由穩(wěn)定條件及壓力控制要求共同決定；穩(wěn)態(tài)變化上限(對應室內最小初始水深)由最小安全水深控制要求決定；動態(tài)變化下限由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定，動態(tài)變化上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定。顯而易見：

(1)區(qū)域1為安全不控區(qū)域。即當CT在區(qū)域1內時，不論CT值為穩(wěn)態(tài)值還是動態(tài)值，均能滿足設計要求，無須進行補排氣動作。

(2) 區(qū)域6和區(qū)域7為不安全嚴控區(qū)域。即當CT在該區(qū)域內時，無論CT值為穩(wěn)態(tài)值還是動態(tài)值，均表明危險已發(fā)生，是絕不允許的。

(3) 區(qū)域2和區(qū)域4為動態(tài)值不允許控制區(qū)域。當CT在該區(qū)域內時，存在動態(tài)參數(shù)干擾的可能，若CT值為穩(wěn)態(tài)值是安全的，若為動態(tài)值則是危險的，位于區(qū)域2時需考慮排氣，位于區(qū)域4時則需考慮補氣。

圖3 CT值的可能變化范圍的分區(qū)Fig.3 Division of possible change range of CT value

(4)區(qū)域3和區(qū)域5為靜態(tài)值不允許控制區(qū)域。當CT在該區(qū)域內時，存在動態(tài)參數(shù)干擾的可能，若CT值為動態(tài)值是安全的，若為穩(wěn)態(tài)值則是危險的，位于區(qū)域3時需考慮排氣，位于區(qū)域5時則需考慮補氣。

4 CT值閾值整定方法

4.1 補氣和排氣控制閾值整定方法與原則

補氣是為了恢復CT0值，其閾值應按控制參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值設置，且因氣體漏損相對緩慢(自一里總高度12 m的氣室內設計水深從4 m上升至5 m的時間約為2 a[7])，穩(wěn)態(tài)CT值可調范圍較大，可放低對控制閾值信號的實時性和精度要求。對于排氣，除輸水系統(tǒng)放空檢修外，正常情況是不必要的，若發(fā)生即屬非正常情況，因此排氣閾值應按控制參數(shù)的動態(tài)值設置，且應具備良好的實時性。為使補氣平穩(wěn)、排氣順暢，并減少設備投入頻次、方便其輪回檢修維護、提高系統(tǒng)整體安全性，設置工作、備用補氣空壓機各一臺并自動定時切換，設置工作、備用排氣閥各一只并自動定時切換。空壓機所有的自動控制由現(xiàn)地控制單元控制，所有控制閾值、報警、亮燈等故障信號及空壓機工作狀況均應上傳至梯調中心[10]。以此為前提，確定補排氣控制閾值選取原則如下。

4.1.1補氣空壓機動作及控制閾值選取原則

(1) 以維持電站實際運行靠近設計值且不受動態(tài)參數(shù)影響設置補氣工作空壓機啟動閾值。補氣工作空壓機投入早，可縮小CT值偏離設計值CT0的距離，維持電站長時間在設計值附近運行，但增加了補氣工作空壓機啟停頻次；補氣工作空壓機投入遲，則實際運行偏離設計值較大、連續(xù)補氣時間較長，降低了管道最大壓力等主要設計控制參數(shù)的安全裕度?？紤]實際工程中漏氣速率較為緩慢，可在越過區(qū)域2后，在靠近區(qū)域1上邊界附近選取控制閾值(一般對應設計工況水深上升約0.3～0.5 m)。工作空壓機投入時亮工作信號燈以明示。

(2) 根據(jù)事態(tài)進一步發(fā)展及視電站特征、危險概率設置備用空壓機啟動閾值。當CT值降至區(qū)域4內時，發(fā)生動態(tài)值時觸發(fā)危險，對于常規(guī)電站，因其工況轉換少，停機或穩(wěn)定運行(包括小擾動)是大概率，觸發(fā)危險的概率小，可暫不開啟備用空壓機，視CT值進一步變化再做決定；而抽水蓄能電站工況轉換頻繁，發(fā)生危險情況概率大，需開啟備用空壓機補氣，視CT值進一步變化而作是否停機的決定。當CT值持續(xù)降至區(qū)域5內時，發(fā)生穩(wěn)態(tài)值時觸發(fā)危險，此時常規(guī)電站應開啟備用空壓機補氣，不論常規(guī)電站還是抽水蓄能電站均應亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機信號。

(3) 以維持電站實際運行大概率在設計值附近設置充氣及補氣空壓機停機閾值。除遇事故情況外，取氣室控制常數(shù)CT0作為所有充氣、補氣空壓機停機閾值。初期充氣時，可手動開啟充氣空壓機，連續(xù)充氣使CT值達到設計值CT0后即自動停機。為防止動態(tài)信號干擾引起的過補(超出區(qū)域2進入?yún)^(qū)域3，充氣情況不存在)，初始充氣或補氣至CT0附近時，可在進入?yún)^(qū)域2后通過逐漸關閉補氣空壓機減小補氣速率予以控制。

4.1.2排氣閥動作及控制閾值選取原則

(1) 依據(jù)設計、校核最小水深設置工作和備用排氣閥啟動閾值。排氣采用水深等參數(shù)作為控制參數(shù)，在保證電站安全的情況下，以盡量減少空壓機運行概率為原則，設定工作排氣閥投入條件。當調壓室水位下降至設計工況允許的最低水位值(對應室內最小水深不小于2.0 m的設計要求)或壓力已達到最小值時，打開工作排氣閥進行排氣，亮工作信號燈。當調壓室水位下降至電站所有工況允許的最低水位(對應室內最小水深不小于1.5 m的校核要求)或CT值、氣室壓力值達到按過渡過程確定的最大值時，打開備用排氣閥排氣，亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機指令。

(2) 在確保安全的前提下以避免過排設置排氣閥關閉閾值。過渡排放會增加再次投入運行時補氣量。通常在確保停機的情況下，排氣至區(qū)域1上邊界即可。

(3) 按照溫控要求控制好調壓室放空檢修排氣速率。調壓室放空檢修時排氣速率過快，則氣室溫度可能驟然降低至冰點以下[11]，使調壓室水體凍結，監(jiān)測設備及結構物遭受破壞。宜設置測溫系統(tǒng)，配合工作。

4.1.3補氣和排氣空壓機的自動運行閾值整定

根據(jù)上述原則結合實際工程運行控制經驗，可將補、排氣空壓機的自動運行閾值整定如下：

(1) 初期充氣時，手動開啟充氣空壓機，連續(xù)充氣使CT值達到設計值CT0后即自動停機。

(2) 當CT值至區(qū)域2降至區(qū)域1往下的某一整數(shù)值時(對應設計工況水深上升約0.3～0.5 m)，啟動工作空壓機補氣，同時亮工作信號燈。

(3) 當調壓室內CT值降至區(qū)域4內時，抽水蓄能電站啟動備用空壓機補氣。當調壓室內CT值繼續(xù)降至區(qū)域5內時，常規(guī)電站啟動備用空壓機補氣，不論常規(guī)電站還是抽水蓄能電站均應亮緊急信號燈、報警并發(fā)出停機信號。

(4) 當調壓室內CT值大于CT0設計值，且氣壓上升至過渡過程計算所允許的室內最高氣壓值(簡稱事故高壓值)時，開啟排氣閥進行排氣并報警。

(5) 當調壓室內水位下降至事故低水位值時，事故低液位報警，開啟備用排氣閥進行排氣，同時停發(fā)電機組。

4.2 CT值狀態(tài)識別及其對閾值整定的改進作用

如前所述，真正需要控制的是穩(wěn)態(tài)CT值的變化。若實際量測系統(tǒng)不能準確地識別系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)，則無法區(qū)分CT值波動是由工況變化引起的(不需要補氣)還是由氣體損耗所引起的(需要補氣)。為了確保電站安全穩(wěn)定運行，對于某些不需要氣和補排氣的情況同樣操作了補排氣設備，甚至還發(fā)出了停機信號，這樣勢必會給運行控制帶來麻煩和增加運行控制成本。識別系統(tǒng)運行狀態(tài)的方法主要有如下幾種：

(1) 關聯(lián)引起水力瞬變的控制信號。因氣墊式調壓室布置一般靠近廠房，將其控制系統(tǒng)整合至電站中控室，可將機組、閘門或閥門等設施的動作信號與調壓室補氣和排氣設施的運行控制相關聯(lián)，據(jù)此進行識別。該方法具有準確、快速的特征，但可能會增加線路長度和設施成本。

(2) 通過實時測量并繪制相關參數(shù)過程線進行判斷。實際工程中，氣墊式調壓室多采取了防滲漏措施(如水幕、鋼包)，密閉性總體較好，短時間內不會產生危險的漏氣量(一般小于40 Nm3/min，需要1～2個月甚至更長的時間才需要補氣一次)，而調壓室相關參數(shù)波動周期大約只有幾分鐘。因此，通過實時測量并繪制室內壓力、水深、CT值等某一參數(shù)的過程線，只需約1/4個周期即可識別系統(tǒng)的運行狀態(tài)。需先行估算控制滯后造成的漏氣量是否被運行，估算公式可參考Tokheim等提出的經驗公式[12]。其中，調壓室的周期可通過下式進行估算(m取1.4)：

(7)

式中：T為調壓室周期，s；L，f為輸水道長度、斷面面積；其他符號意義同前。

(3) 通過氣體多變數(shù)值變化情況進行判斷。由于引起CT值動態(tài)變化的根源在于氣體熱力學的非等溫過程，則不論短時段內室內其他參數(shù)變化量有多小，只要發(fā)生引起CT值不可忽略的過渡過程，則氣體多變指數(shù)m值必然與1有顯著差別，并可取連續(xù)取多組有效測量數(shù)據(jù)按下式計算得出：

(8)

數(shù)據(jù)時間間隔應考慮兩點數(shù)據(jù)變化的可識別度并參考波動周期進行選擇(建議不小于2～5 s)，并應首先判斷兩點數(shù)據(jù)是否十分接近。

(4) 采用數(shù)學算法進行分析判斷。這些數(shù)學識別算法包括主元分析、聚類算法、動態(tài)交互信息算法[13-16]等，具有精度高、速度快的特點，需要設計專門的識別器。

采取狀態(tài)識別措施后，運行控制只需關注穩(wěn)態(tài)值，在氣室控制常數(shù)CT0允許的上下限附近，按照一定水深等差設置工作、備用排氣閥和補氣空壓機的先后投入的控制閾值。

5 結 論

受漏氣及季節(jié)性溫度變化等影響，采用“等P0·V0值”運行控制模式時，仍需要進行補、排氣操作。經研究分析，本文可以得出如下主要結論。

(1) 運行控制中，一般選取CT(CT=P·V)作為控制參數(shù)，并采用室內水位(室內水深)、氣體壓力作為輔助控制參數(shù)。需控制的是穩(wěn)態(tài)CT值，但其受動態(tài)CT值的干擾。允許的CT值變化范圍由CT值穩(wěn)態(tài)變化范圍與CT值動態(tài)變化范圍共同決定，可分區(qū)對各閾值進行整定：① 對于穩(wěn)態(tài)CT值下界，由穩(wěn)定條件和壓力參數(shù)控制要求決定，上界由氣墊式調壓室最小安全水深要求決定。設計值即為氣室控制常數(shù)CT0，按照滿足最小安全水深并盡量減小管道內的水錘壓力的原則，靠近上邊界取值。② 對于動態(tài)CT值下限，由以穩(wěn)態(tài)變化下限為初值的最大波動曲線的最小值決定，上限由以穩(wěn)態(tài)變化上限為初值的最大波動曲線的最大值決定。

(2) 補氣控制閾值信號的實時性和精度要求低，可按控制參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值設置。分區(qū)進行閾值整定時，應以維持電站實際運行靠近設計值且不受動態(tài)參數(shù)影響設置補氣工作空壓機啟動閾值，并根據(jù)事態(tài)進一步發(fā)展及視電站特征、危險概率設置備用空壓機啟動閾值，以維持電站實際運行大概率在設計值附近設置充氣及補氣空壓機停機閾值。

(3) 排氣控制閾值實時性要求高，應按控制參數(shù)的動態(tài)值設置。分區(qū)進行閾值整定時，應依據(jù)設計、校核最小水深設置工作和備用排氣閥啟動閾值，在確保安全的前提下以避免過排設置排氣閥關閉閾值。放空檢修時還需按照溫控要求控制好調壓室排氣速率。

(4) 識別系統(tǒng)運行狀態(tài)，消除動態(tài)CT值干擾，可減少不必要的補排氣動作?？扇》椒òǎ孩?關聯(lián)引起水力瞬變的控制信號；② 通過實時測量并繪制相關參數(shù)過程線進行判斷；③ 通過氣體多變數(shù)值變化情況進行判斷；④ 采用數(shù)學算法進行分析判斷等方法進行識別。采取狀態(tài)識別措施后，運行控制只需關注穩(wěn)態(tài)值，可免去對動態(tài)參數(shù)的計算分析，在氣室控制常數(shù)CT0允許的上下限附近，按照一定水深等差設置工作、備用排氣閥和補氣空壓機的控制閾值，極大地方便設計和運行控制。