如何测量气垫调压室内水位？

为了保证发电系统的正常安全运行，为了满足气垫调压室水轮机系统的大波动、小波动的稳定要求，必须保证气垫调压室内的气体体积或者气体质量在设计的上、下限范围之内。

调压室气体质量由压力P，体积V 和温度T 确定，在保持调压室气体恒定质量的条件下，压力和体积遵守

对于绝热过程，K=1.4，因水击涌浪产生的气体变化量大、最小压力均是在很短的时间内发生，故属绝热过程。不过，气垫一般含有水蒸气，涌浪还含有水蒸气压力的改变，因而式（1）还不能完全确切地描述整个过程。

对于等温过程，K=1.0，对于一个缓慢的变化过程可看作是等温的，对于室内气体的泄漏应视为等温过程。

充气过量会导致高压气体进入引水隧洞。室内气体储存有很大的能量，如果一部分高压气体逃逸到隧洞中，相当大的一部分能量可能通过隧洞进口或开放竖井作为 “气爆”（blow outs）而突然释放。如果涌浪得不到抑制或者靠近断层的调压室的气体的质量超过设计上限值，“气爆”情况有可能在水击涌浪后发生。

储气不足会导致调节能力降低。如果气垫在低于设计质量的下限下运行，停机时产生的压力过高可能损害电厂的水力设备。

室水位是室内气体质量及其压力、温度的函数。室内气体质量是空压机运行历时和气体损失的结果。

气体温度的年内变化不大，大约在4～9℃之间，它受到室内水温度的影响，水温又反映了水库水温的季节变化，见图1。

图1　Ulset水电站调压室的水温年变化

这样，为了保证水电站系统的安全运行，就要做到：①准确地监测室内水位变化和压力变化；②制定出气垫室的运行控制计划并严格控制。

在挪威已建的调压室中，其室水位量测通常采用两种方法：①水电阻法；②压力传感器法。这个方法是利用压力传感器量测室内气压，然后再通过测到的压力计算出室水位。当然，利用库水位和引水隧洞的水头损失也可大致确定室内压力。

（1）水电阻法。测量原理见图2。水电阻法测量调压室内水位是用图2中的电阻式测量杆进行的，其原理同图3。

测量杆是由一块非导电材料，在两边镶有二排导体Ⅰ和导体Ⅱ。导体Ⅰ是按间隔5cm布置的，导体Ⅱ是为同导体Ⅰ构成回路设置的。当水淹没导体Ⅰ的某一块导体i时，即与导体Ⅱ构成回路，测量到两个导体间的电阻不为零，若导体Ⅰ的高程已标定好，就可以得到此时调压室内的水位Zi。当水位变化在导体Ⅰ的第i和第i+1的导体块之间，显示器显示的是第i导体的水位，这就是说，用水电阻法测量水位的精度是5cm。

图2　调压室内水位测量原理

这种测量方法简单，从控制室直接可能得到调压室水位的变化值，便于运行控制。另一优点是这种装置结构简单、造价低，是目前主要采用的一种方法。其缺点是需要大量的导线，若控制室离气垫式调压室比较远，就要相应增加导线的费用。

（2）压力传感器法。压力传感器法测量室内水位的原理。这种方法的原理是：用一个小水泵在调压室内提供一个恒定不变的参考水位Zr，得到一个压力P1，再用一个测压管测量调压室底部的压力P2，由于传感器的高程Z0已标定好，根据测量得到的压差P1-P2，就可以算出调压室内的压力。这个过程是用微处理机自动处理数据来实现的，在控制室里可以得到所需要的数据。

通过测得的ΔP=P1-P2，可算出ΔH=Z1-Z为

图3　电阻式测量原理

式中 ρw——水的密度；

ρa——压缩空气的密度；(www.xing528.com)

g——重力加速度；

ρ01——标准大气压下气体密度，1.28kg/m3；

R——气体常数，R=287J/ （kg·K）；

T——调压室室内温度，K；

P——调压室内压力。

压力传感器是采用挪威岩土力学所 （NGI）研制的振荡弦传感器，测量精度达1mm，因此可以准确地测量到调压室内的水位及变化。这种装置的费用很高，通常只做备用设备，在正常工作的情况下使用水电阻法测量调压室内的水位Z0。有的气垫调压室只设置一套简单的电阻式测量杆，Brattset水电站即是如此。一般情况下，均设有两套测量装置。图4示出Osa水电站水位监测系统的布置，其特点是根据Osa水电站的地形，把监测设备房放在地面。

图4　Osa水电站的水位监测系统 （单位：m）

Osa水电站调压室监测系统的原理与Driva水电站调压室相同，它是通过直接转换钢管内静水压力来监测气垫的体积和压力。设有通道到达调压室外监测设备房，在Osa水电站，监测设备房位于地面，见图5。

图5　Osa水电站调压室纵剖面及其监控设备房的布置 （单位：m）

在图4中，管 （Ⅰ）伸入调压室顶部高程B管。管 （Ⅰ）通常装满高压水，这些水是通过安装在设备室内的空压箱和特殊水泵从压力隧洞中抽取的。

通过测量高程B处管 （Ⅰ）内的空气压力PM1（由主要控制单元M1气压计来量测）来确定调压室内的空气压力P，PM1=RHAB，R为水的容重，HAB为高程A和B之间的静水头差。

一旦获得气体的压力值，调压室水位很容易从伸入到高程C点的管（Ⅱ）确定。这个过程通过安装在主要控制单元的另外一个气压计M2完成。在主要控制单元编程来确定调压室内水位和气体体积的关系，并且要连续监测调压室内的PV值。

共四组（每组两根）的不锈钢管固定在连接设备房和压力隧洞的250mm直径的竖孔中。供水管和静水压力管直径为25mm，供风管的直径为90mm。

基于电子设备的监测系统安装在单独的管中，作为调压室内水位观测的独立控制系统。

图6是Torpa水电站气垫调压室的枢纽布置，气垫室控制中心位于带有进人孔的高压混凝土堵头下游的交通洞中，其较详细的情况见图7。Torpa水电站监控中心的布置明显不同于Osa水电站，Torpa代表一般的布置情况，Osa水电站虽方便，却是较为特殊的。

气垫调压室还要安装用于监测水位过高或过低的报警系统。

一般情况下，都要安装两套水位监测及报警系统，当其中一套系统出现故障时，另一套备用系统立即投入运行，例如Torpa水电站就安装了两套不同的监测控制系统，一套为电动控制系统，一套为手动控制系统。

图6　Torpa水电站气垫式调压室及厂房枢纽布置图