差动式调压室

减少压力管道和有压尾水道水击作用的建筑物

差动式调压室是指减少压力管道和有压尾水道水击作用的建筑物。调压室多利用水体调压。差动式调压室所需要的容积较小，水位波动衰减较快，但是由于多了一个升管，使调压室的结构变得较为复杂。调压室顶部完全封闭，内部充以压缩空气。

简介

长距离、大流量引水式水电站水力过渡的特点涌波周期长，涌波振幅大，给水电站的安全运行造成不利影响。因此长距离引水式水电站对调压室的设计要求之一是降低涌波振幅，增加波动衰减率。差动式调压室由于升管水位波动迅速，同时水流在溢流堰和调压室底部孔口，都伴随着较大的能量损失，因此波动衰减较快。在长距离引水式电站中应用较广。另一方面，差动式调压室的水力特性是升管和主室的水位差较大，因此升管壁和调压室底板在水位波动过程中会承受较大的水压差，存在一定结构安全风险，在我国曾经发生过升管胸墙跨塌的事故。

结构安全风险指标

内切式差动式调压室的升管壁和调压室底板是差动式调压室结构中承受两侧水压力差的结构。例如锦屏二级电站调压室的差动式方案，数值计算表明在极端组合工况下，升管主室最大正压差可以达到64米以上，远高于阻抗式调压室方案，结构设计的难度和安全风险较大。选择的表示结构安全风险的目标函数是各工况下升管主室的最大水位差。计算表明正压差绝对值通常大于负压差，因此本文选择升管主室最大正压差作为优化目标。

水力性能指标

调压室水力性能指标的选取可以有很多，比如考虑最大蜗壳压力、引水隧洞末端最大压力(穿室压力)，涌波衰减率、水轮机转速升高率、调压室最高、最低涌波等，应结合具体工程项目的主要矛盾选取。锦屏二级电站引水隧洞很长，水击压力幅值要小于涌浪压力，只要限制阻抗孔口面积下限，水击压力不是控制因素。调压室最高水位由于设置了上室和分隔墩，因此最高涌波也是控制因素。而在计算中比较突出的水力学方面的问题是由于初步设计时底板高程取得偏高，在最不利组合工况(即调压室最低涌波水位最小)Z6、Z10工况下会发生漏空，必须限制增荷间隔时间。因此选取各种不利组合工况下的调压室最低水位作为反映调压室水力性能的参数。调压室最低水位和涌波衰减率等指标是正相关的，涌波衰减率越大，调压室最低涌波水位越高。调压室最低水位是代表调压室水力性能的较好的指标。

决策变量

大型差动式调压室设计参数众多，主要包括主室、升管、上室几部分，调压室主室面积主要是按照水力系统满足小波动稳定的要求选取。上室对负涌波的影响不大，又由于上室底板高程通常是高于升管顶部高程，对于减小升管主室压差的作用影响不大，因此在不对上室底板高程、上室高度、长度、宽度和上室分隔墩的高程这些参数优化，这些参数按照已有的设计方案给定，而重点研究升管和主室的参数：

1.升管底部阻抗孔口。阻抗孔口的设置首先要满足能够有效反射水击波的要求，因此需要通过水击-涌波的联合计算先确定一个下限值。一般来说阻抗孔口面积越小，调压室最低涌波水位越高，而升管主室压差越大。

2.同流孔而积。同流孔连通主室与升管的水力元件。回流孔面积影响主室和升管的差动性能，回流孔面积过大，影响升管和主室的差动效果，回流孔面积过小使在增荷工况中大室补给升管流量偏小而使升管漏空，压力隧洞出现气柱，回流孔面积也必须有下限值。一般而言，回流孔面积越小，调压室最低涌波水位越高，而升管主室压差越大。

3.升管面积。升管面积越小，升管水位波动越迅速，差动效果越好，但升管面积要大于阻抗孔口面积。

4.升管溢流堰顶高程。在甩负荷工况中，溢流堰顶高程会直接影响升管主室最大压差，一般来说升管溢流堰高程越高调压室最低涌波水位越高，但是升管主室最大正压差也会越大。

总结

大型差动式调压室设计要权衡水力性能和结构安全风险，以升管大井最高正压差和调压室最低涌浪水位作为优化目标，采用多目标进化算法NSGA-II结合调压室水力模型优化了差动式调压室升管底阻抗孔口面积、回流孔口面积、升管面积，升管溢流堰高程，得到了两个优化目标的Pareto前沿曲线，并比较了Pareto前沿方案和设计院的方案。采用多目标进化算法优化差动式调压室的优势有：

1.能得到Pareto前沿上的一组方案，供工程设计人员比较，而不只是单一方案；

2.自动由计算机自动优化，免去了大量的人为的判断；

3.基于群体的搜索方案，因此不易陷入局部最优。

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