气垫：损失机理、漏气评估与供气设备优化

气垫调压室的主要缺点是要克服“漏气”，如漏气严重，将影响水电站的安全运行和能量消耗，也会加大供气设备（空气压缩机及其管路系统）的容量。

气垫气体的漏气损失主要由两大因素造成。

（1）气团溶解。岩洞水床的水最初是源自水库的，水中的空气溶解度在正常大气压下（0.1MPa）已经达到饱和，但在气垫室内压缩气团的环境下，气压大于洞外正常大气压值，空气饱和度增大，就会有更多的空气溶解于水，造成室内压缩气体的损失。

（2）气体从岩壁裂隙中向外界逸出。当气团气压大于岩洞四壁裂隙中的孔隙水压力时就会发生这种情况，逸出量与岩壁的透气性以及气压高于孔隙水压的大小有关。这一因素可用超压比M 来表示，即室内气团气压P与岩层孔隙水水压DW之比，即M=P/DW或1/M=DW/P。经验表明，1/M≥1时，漏气量仅决定于气团的溶解损失。

图7　Torpa水电站气垫式调压室远控中心

漏气程度还因不同水电站的不同情况而异：气压、岩洞几何结构、气室容积、水床平面面积、岩体透气性、超压比及与引水隧洞连接情况等因素都会有所影响，其中超压比M是最为关键的因素。

不存在无空气泄漏的调压室，最小气体损失受控于空气在调压室水中的溶解度和调压室水与隧洞中水的交换作用。

电站建成投入运行以后，进行 “漏气评估”是首要的任务之一。

计算气体损失，首先需要准确的调压室压力，这可以用压力计直接测量，也可根据室内气压和调压室水位及库水位的函数关系，经过引水隧洞的水头损失修正后计算得到；其次，空压机的运行记录是漏气测算的良好科学依据；最后，要注意，为使计算结果可靠，应有足够长的观测时间段，典型情况下，采用的时间段为3～6个月。

下面，引用Osa水电站的漏气和故障监测来作较具体的说明。

Osa水电站调压室内气体漏气量是通过空压机运行的小时数来间接测量的。在调压室内气体的质量小于程序规定的下限时，空压机自动启动，并且在达到上限时，空压机自动停止。事实上，上、下限是根据每天的平均漏气量调整的。基于该原理，某一空压机几乎每天在固定的时段运行相同的时间。漏气或操作方式改变很容易通过空压机记录来反映。根据空压机运行方式改变的规律就可以找到其改变原因。

（1）如果空压机不改变平均运行时间，且仅是变化的间歇运行，原因大致是水击涌浪引起绝热变化的影响，这对运行无关紧要。

（2）如果空压机的平均运行时间增加，且比通常更短的间歇运行，原因可能是调压室漏气量在增加。

（3）如果空压机运行时间增加，并且不时出现短时间的间歇运行，原因可能是空压机故障（效率降低）。

（4）如果空压机长时间异常地连续运行，并且发出报警，原因可能是监测系统故障或者是漏气量突然增加。在以上两种情况下，空压机会停止工作，直至故障消除。

空压机的运行记录对于测量调压室漏气不是很准确的，但对于保障系统安全运行是有价值的。

在水电站没有运行的情况下，准确的测量调压室漏气量是可行的，并且也非常容易。不进行补气的情况下，点绘出调压室内上升水位和时间的关系，将上升水位曲线和调压室体积增加曲线比较，总漏气量很容易计算出来，并且漏气分布可以在垂直轴上反应出来，如图8所示，其气体渗漏曲线表示了漏气区的高程区间。

在相似的条件下用这种方法间歇地做试验可以推断出长期的漏气趋势，同样可以推断出温度变化引起的季节变化、库水位变化和孔障水压力变化对漏气的影响。

图8　Osa水电站气垫室的漏气曲线和纵向漏气分布

除上述日常测量之外，还特别对空气温度和溶解特征进行了研究。观测显示，当温度变差达到4℃时，对空气包块 （air pocket mass）的演化具有重要作用，从而影响到空气损失的估算。在沃塞特（Ulset），空气温度的观测进行了1年多。调压室中空气的溶解特征的观测也进行了9个月。

用下面的参数来表示空气的渗漏损失：

（1）每小时的漏气量Nm3/h，Nm3表示温度为10℃时和压力为一个大气压时的1m3气体。

（2）每天的空气损失百分比，%/d，它是漏气损失与气垫室储气量之比。

（3）年空气损失百分比，%/y，它是损失量与平均存储量的比例。

（4）标准化空气损失率，气体损失与调压室水面面积和气室压力有关，若空气损失为NV，调压室水面面积为F，室内压力为P，标准化的空气损失率为ΩN=NV/FP，ΩN即normalized air loss rate，其量纲为Nm3/ （h·MPa·m2），其含义是每平米水面在室内绝对气压1 MPa下每小时损失的气体体积，这个体积的单位是Nm3。

“标准化”的目的是为了获得各电站在仅存在水溶性气体损失的损失常数。

挪威工程师们（D.C.Goodal等人，1989年；Broch等人，1987年）曾对他们已投入运行的9个调压室的漏气情况作了调查，结果如图9、图10所示。

图9表示各工程的每小时的漏气量Nm3/h。

图10表示各工程的每天空气损失百分比，%/d。它们是在10～547d内气垫室内的平均漏气损失。

图9　气垫式的漏气损失

图10　气垫式每天的空气损失率

图9和图10从左到右都是大体按超压比M 增大的顺序排列漏气损失，可以看出，超压比高的电站，见图中白柱所示，漏气损失就偏大。还可看到，Kvilldal水电站气垫室容量最大，Tafjord水电站气垫室容量最小，虽都漏气严重，但条件不同，漏气程度也不一样。应指出，这两个图并未反映影响气体损失的全部因素。

标准化空气损失率ΩN与超压比之倒数1/M=DW/P的关系如图11所示。图11中，P是室内最大气压，DW是围岩孔隙水压力，其测算是根据气垫室近区（尽可能接近）的围岩孔隙水压测得的。运行期所得的观测值很少，仅Kvilldal和Sima两水电站有运行期的测值。它应进行长期的观测。

Jukla水电站的经验指出：施工期测量的岩体孔隙水压明显低于气垫室运行期的有效孔隙水压。基于这一原因，几个电站根据已有的各种信息对岩体孔隙水压进行了估算。在室内气压肯定超过围岩孔隙水压的几个水电站如Tafjord水电站，Ulset水电站和Brattset水电站都假定地下水位按近地面而计算了孔隙水压力，不过，要注意，当气垫调压室位于地形倾斜的山坡时，调压室邻近区域的岩体孔隙水压力要低于调压室的垂直埋深，如图12所示。图12中，孔隙水压D′C：

图11　标准化空气损失率ΩN与DW/P的经验关系(www.xing528.com)

超压比M=H/D′C，H 是室内气压。

考察图11可见：

（1）9个调压室中，Driva水电站、Jukla水电站、Sima水电站，补设水幕的Kvilldal水电站、Oksla水电站、Ulset水电站等6个调压室，其标准化空气损失率ΩN在0.5×10-3Nm3/ （h·MPa·m2）左右，1/M=DW/P在0.8以上。可以认为，最小的空气损失率，即不包括通过岩体泄漏的溶解损失率ΩN约为（0.3～0.5）10-3Nm3/ （h· MPa·m2）。这6个调压室的每小时漏气量被成功地控制在20Nm3/h以下。见图9，Brattest也在20Nm3/h以下，其压力、水面面积均较小。

（2）Tafjord水电站、Osa水电站建造水幕前的Kvilldal水电站、Brattest水电站4个调压室的DW/P约为0.4～0.7，其ΩN较大，但Brattest水电站例外，即其DW/P虽小于0.8～1，但其ΩN却不大。

挪威工程师们认为：当安装的空压机运转忙闲度超过设计额定值的30%时，漏气损失就是超标。Osa、Kvilldal、Tafjord 3个水电站在运行的第一年都出现了漏气损失超标。它们都经过了补救措施而后工作正常。Torpa水电站的自然漏气量也超标，不过它在设计时就做了水幕，当水幕停止运行时它的漏气量达400Nm3/h。当然，水幕一运行，漏气量即降为5Nm3/h。

Havar Kjorholt 1992年指出：每年溶解于水的气体损失约占压入空气的3%～10%，主要取决于调压室的几何形状和压力，这种漏气需要每一年或两年对调压室进行漏气补偿。

为了说明进行漏气补偿而要求提供的空压机容量Vcom（Nm3/h）的问题，将与问题有关的各种参数搜集整理列于表1中。

表1所列10个调压室围岩的渗透系数K （也可代表岩体的透气性）除Osa水电站工程的K为10-8～10-7m/s量级外，其余工程的K均在10-9～10-11m/s量级。Osa水电站的K值较大。

为了理解表1，首先点绘漏气量Vlea和空压机容量Vcom的关系于图13，两参数有直接相关关系，也较直观，缺点是Vlea不易事先估准。由图13可见：

（1）Driva、Ulset、Oksla、Sima、Jukla、Brattset6个水电站调压室，其K 值约为10-10～10-11m/s量级，其Vlea约5～13Nm3/h，相应的空压机容量Vcom约425～700Nm3/h，它们代表自然漏气量在可接受范围之内的情况。

图12　陡坡地形中超压比M 的估算

表1　挪威10个气垫室的空压机容量及相关参数

注 Tafjord已做水幕，表中漏气量及Kcom均为有水幕的值。
① 补做水幕之后。
② Torpa的水幕停止运行前后。
③ 补救工程之前/后。

（2）Osa水电站调压室在通过灌浆止漏以后，Vlea仍然较大，故其空压机容量最大，达2320Nm3/h。

（3）Kvilldal水电站、Torpa水电站，Tafjord水电站的自然漏气量较大 （补救处理前漏气量）均补作或事先设计了水幕，设置水幕后的Vlea和Vcom的点据在图13上用表示。

图13　空压机容量与漏气量的经验相关

如果暂不考虑渗透系数K的影响，按照空气损失机理分析中提出的其他影响漏气的因素，提出一个供气设置容量因子Kcom的概念，令

式中 Vcom——空压机容量，Nm3/h；

Vair——调压室的平均气体体积，103m3；

F——调压室水床的表面积，103m2；

P——调压室内平均气压，MPa。

它们的数值分别列于表1的④、①、②、③列。

Kcom的量纲Nm3/ （103m3·103m2·MPa），其含义为：每千立方气室体积，每千平米水床面积，每1 MPa气室压力所要求的供气设备的容量为KcomNm3/h。

点绘影响漏气的关键因素DW/P与Kcom的关系于图14，DW是调压室外围岩的孔隙水压力。图14对应的渗透系数值是10-7m/s量级 （仅Osa水电站工程）和10-8～10-11m/s量级。

图14便于考虑围岩渗透系数K、气室体积、水床面积、气室压力、超压比等因素来粗略预估所需供气设备容量。由图14可以看出：

（1）自然漏气量可控制在接受范围内的6个调压室，只要DW/P≥1，其Kcom在40～60以内。

（2）Tafjord水电站工程大约在20世纪90年代以后补做了水幕，此前的灌浆防漏措施没有效果，其漏气超标。

（3）Kvilldal水电站，Torpa水电站的点据相应设置水幕的情况，相应的Kcom为1～14，漏气量约为5～10 Nm3/h。Osa水电站工程利用灌浆止漏，其Kcom为125，漏气量为80 Nm3/h，说明水幕止漏，其效果远大于灌浆止漏。水幕一经设置，补气所消耗的能量大大减少，水幕供水消耗的能量 （包括水量）就要增加，应算算经济账。

应说明，空压机分两种，一种用于补气，压气量较小，压力较高，以上所讨论的供气设备容量均属于补气设备的容量。另一种空压机是属于检修后充气之用，压气量大，但压力低一点。对于补气用机，除工作机组外，还有备用机组。对检修后充气用机，可选择移动式机组和电站共用，按情况而定。表2列出了挪威4个电站的空压机设置情况。

图14　供气容量因子和超压比倒数的经验关系

表2　-4个水电站的空压机设置情况

注 空格为缺资料。

表2中，Sima水电站的充气机为移动式，和相邻两个电站共用，其容量为1200Nm3/h，最大压力为3MPa。检修后，充水要5天，充水后再往调压室内充气，充气要10天。