水電站調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計解讀

1、水電站調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計水電站實際上是一種很簡單的概念水流過大壩， 轉(zhuǎn)動水輪機， 而水輪機 則帶動發(fā)電機發(fā)電。 傳統(tǒng)水電站的組成部分主要分為以下幾個： 水壩、引水建筑 物、發(fā)電建筑物等。如下圖所示：圖1 水電站組成框圖 調(diào)壓塔是對引水式水電站的有壓引水道或地下室廠房的較長有壓尾水道， 為 了減小水擊壓力， 并改善機組的運行條件而建造的水電站平水建筑物。 它利用擴 大了的斷面和自由水面的反射水擊波的特點， 將有壓引水道分成兩段： 上游段為 有壓引水隧洞， 下游段為壓力水管。 調(diào)壓塔的設立， 使隧洞基本上可避免水擊壓 力的影響 ,同時也減小壓力水管中的水擊壓力 , 從而改善機組的運行條件。調(diào)壓

2、塔的工作原理： 當水電站以某一固定出力運行時，水輪機所引用的流量Q0 保持不變。調(diào)壓室穩(wěn)定運行的水位比上游低 ， 為 Q0 通過引水道時所產(chǎn)生的水頭損失。 當 水電站丟棄全部負荷時 ,水輪機的流量變?yōu)榱?,壓力水管中發(fā)生水擊現(xiàn)象， 水流將 隨之停止流動。 此時引水隧洞中的水流由于慣性作用仍繼續(xù)流向調(diào)壓塔， 使調(diào)壓 塔水位升高 , 引水隧洞始末兩端的水位差隨之減小 ,流速也逐漸減慢。當調(diào)壓塔的 水位達到水庫水位時， 水流由于慣性作用仍繼續(xù)流向調(diào)壓塔， 使調(diào)壓塔水位繼續(xù) 升高，直至引水隧洞內(nèi)的流速減小到零為止， 此時調(diào)壓塔內(nèi)水位達到最高點。 由 于這時調(diào)壓塔內(nèi)水位高于水庫水位， 在引水隧洞的始末又

3、形成了新的水位差， 所 以水流反向水庫流去，調(diào)壓塔中水位開始下降。 當調(diào)壓塔水位下降到水庫水位時， 水流由于慣性作用繼續(xù)流向水庫， 調(diào)壓塔水位還繼續(xù)下降， 直至引水隧洞內(nèi)的流 速減小到零為止， 此時調(diào)壓塔內(nèi)水位降到最低點。 而后由于調(diào)壓塔的水位低于水 庫水位，引水隧洞中的水流又開始流向調(diào)壓塔，調(diào)壓室水位又開始上升。這樣， 伴隨著引水隧洞中水流的往返運動， 調(diào)壓塔的水位也就上下波動。 由于引水道存 在摩阻，運動水體的能量會被不斷消耗，波動也就逐漸衰減，最后波動停止，調(diào) 壓塔水位就穩(wěn)定在水庫水位。 水電站增加負荷時， 調(diào)壓塔水位波動與丟棄負荷時 相反。當機組的負荷發(fā)生小的變化時，也會引起調(diào)壓塔的水

4、位產(chǎn)生類似的波動。壓管道中的閥門突然開啟、 關閉或水泵因故突然停止工作， 使水流流速急劇 變化，引起管內(nèi)壓強發(fā)生大幅度交替升降。 這種變化以一定的速度向上游或下游 傳播，并且在邊界上發(fā)生反射， 這當種水流現(xiàn)象稱作水擊， 交替升降的壓強稱為 水擊壓強 。水錘是在突然停電或者在閥門關閉太快時 , 由于壓力水流的慣性 , 產(chǎn)生 水流沖擊波 , 就像錘子敲打一樣 , 所以叫水錘。 水錘效應具有很強的破壞作用， 可 導致管子的破裂或瘡陷、 損壞閥門和緊固件。 當切斷電源而停機時， 泵水系統(tǒng)的 勢能將克服電動機的慣性而命名系統(tǒng)急劇地停止， 這也同樣會引起壓力的沖擊和 水錘效應。 為了消除水錘效應的嚴重后果

5、，在管路中需要受到一系列緩沖措施 和設備。為了改善水錘現(xiàn)象，常在有壓引水隧洞（或水管）與壓力管道銜接處建 造調(diào)壓室（調(diào)壓塔）。數(shù)據(jù)庫的設計（1）波動的穩(wěn)動性計算調(diào)壓塔的臨界斷面， 應按水電站在正常運行中可能出現(xiàn)的最小水頭計算。 上 游的最低水位一般為死水位， 但如電站有初期發(fā)電和戰(zhàn)備發(fā)電的任務， 這種特殊 最低水位也應加以考慮。引水系統(tǒng)的糙率是無法精確預側(cè)的，只能根據(jù)一般的經(jīng)驗選擇一個變化范 圍，根據(jù)不同的設計情況，選擇偏于安全的數(shù)值。計算調(diào)壓塔的臨界斷面時，引 水道應選用可能的最小糙率， 壓力管道應選用可能的最大糙率。 流速水頭、 水輪 機的效率和電力系統(tǒng)等因素的影響，一般只有在充分論證的基

6、礎上才加以考慮。（2）最高涌波水位的計算上游水庫水位應取正常高水位， 引水道的糙率應取可能的最小值， 負荷的變 化情況一般按丟棄全負荷設計。 最高洪水位丟棄全負荷或部分負荷進行校核。 如 電站的機組和出線的回路數(shù)較多， 而且母線分段， 經(jīng)過分析， 電站沒有丟棄全負 荷的可能， 也可不按丟棄全負荷計算。 對于丟棄全負荷情況， 可假定由最大流量減小至空轉(zhuǎn)流量 ；為了安全，有人認為應按丟棄至零計算。（3）最低涌波水位的計算 上游水庫水位應取可能的最低水位， 引水道的糙率應取可能的最大糙率。 確 定最不利的增加負荷情況比確定最不利的丟失負荷情況更加困難。 增加負荷對調(diào) 壓室的工作比丟棄負荷更危險， 如

7、計算不正確， 可能使引水道和壓力管道進入空 氣，破壞建筑物和機組正常的運行。 在技術設計階段， 增加負荷的條件應根據(jù)設 計電站在系統(tǒng)中的工作情況， 經(jīng)專門研究確定， 并應考慮系統(tǒng)將來的發(fā)展。 在初 步設計階段， 可采用其余所有機組都已滿負荷運行， 而最后一臺機組投入運行的 情況作為設計情況， 若電站機組多于 3 臺時，最后加入的容量， 應不小于電站總 容量的 1/3。此外，應計算丟棄全負荷后水位波動的第二振幅，以檢驗其是否低 于增加負荷時的最低涌波水位， 此時， 上游水位應取可能的最低水位， 糙率應取 可能最小值。如果調(diào)壓塔波動的衰減時間相當長，這時還應補充研究電站在丟棄負荷后 不久又重新帶上

8、負荷 （或相反， 帶上負荷不久后又丟棄負荷） 引起波動疊加的可 能，這一點也說明調(diào)壓塔波動迅速衰減是很重要的。水量調(diào)節(jié)設計一）水量調(diào)節(jié)設計流程圖圖3 調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計流程圖本系統(tǒng)設計基于 keil c51語言設計。利用一個端口連續(xù)不間斷地查詢塔內(nèi)水 位的情況， 當水位發(fā)生變化時， 檢測調(diào)壓塔內(nèi)的水位， 當水位高于理論計算的最 高涌水位時，可以增加負荷工作或者溢流放水讓調(diào)壓塔內(nèi)的水位達到正常水位。 當端口檢測到調(diào)壓塔內(nèi)的水位低于最低涌水位時， 應該丟失負荷工作， 來維系調(diào) 壓塔內(nèi)的平衡，預防空氣的進入，而破壞建筑物和機組正常的運行。同時在塔內(nèi)高度方向上可布置多個傳感器， 利用傳感器的間距以

9、及到達各傳 感器的時間我們可以知道塔內(nèi)水位增加及衰減的速度， 再根據(jù)引水隧道內(nèi)的流入 量及壓力水管的流出量中的任何一個可以控制另一個輸入或輸出量， 讓塔內(nèi)水量 達到最佳狀態(tài)。（二）調(diào)壓塔水位檢測的設計電路的設計， 可利用水的導電性這個基本原理來檢測調(diào)壓塔內(nèi)的水位， 在理 論最低水位界面處放置兩個傳感器， 只有當最低涌水位和最高涌水位界面兩個傳 感器接受到信號 1時，我們才認為此時塔內(nèi)的水位高于或者等于最高涌水位，當 只有最低涌水位接受到信號 1時，可以確定此時塔內(nèi)的水低于最高涌水位但是高于最低涌水位，當沒有傳感器接收到信號時， 我們認為此時水位低于最低涌水位， 由于一般限制最低涌水位的出現(xiàn)可在

10、， 可在最低涌水位上一定范圍內(nèi)再設置一個 傳感器 L0，當水位低于 L0時開始減負荷運行。傳感器LH結果00沒有信號沒信號低于最低涌水位，限制這種情況的發(fā)生01沒有信號有信號應該適當減少負荷10有信號沒信號不存在11有信號有信號高于或者等于最高涌水位，增加負荷或 者放水表 1 所有條件下的狀況分析最高涌水位界面HL0最低涌水位界面 L接地圖 4 關于水量檢測的電路設計對于檢測到的信號， 需要及時反饋到廠房部處控制發(fā)電機的載荷的數(shù)量。 對 于蓄水式發(fā)電站可以利用此檢測信號在上流的死水期可以利用抽水機將已排放 的下流水再抽回，來平衡調(diào)壓塔內(nèi)水位?？偨Y：在設計系統(tǒng)中， 必須根據(jù)調(diào)壓塔的條件來計算調(diào)壓塔的最低涌水位和 最高涌水位， 再根據(jù)水輪機的大小及發(fā)電機的功