水電站 調(diào)壓室

第十章

調(diào)壓室第一節(jié)

調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件拉西瓦電站發(fā)電引水系統(tǒng)一、

調(diào)壓室的功用(1)

反射水錘波?；旧媳苊饬耍ɑ驕p?。毫艿纻鱽淼乃N波進(jìn)入壓力引水道。(2)

減小水錘壓力（壓力管道及廠房過水部分）。縮短了壓力管道的長度。(3)

改善機(jī)組在負(fù)荷變化時的運(yùn)行條件及系統(tǒng)供電質(zhì)量。

二、對調(diào)壓室的基本要求

（1）調(diào)壓室的應(yīng)盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。（2）能較充分地反射壓力管道傳來的水錘波。（3）調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。（4）正常運(yùn)行時，水頭損失要小。為此調(diào)壓室底部和壓力管道連接處應(yīng)具有較小的斷面積，以減小水流通過調(diào)壓室底部的水頭損失。（5）工程安全可靠，施工簡單方便，造價經(jīng)濟(jì)合理。

三、設(shè)置調(diào)壓室的條件

1.初步判別是否需要設(shè)置上游調(diào)壓室的近似準(zhǔn)則：

Tw（壓力水道的慣性時間常數(shù)）的物理意義：在設(shè)計水頭H作用下，不計水頭損失時，管道內(nèi)水流速度從0增大到V所需的時間。顯然，Tw越大，水錘壓力的相對值也越大。Tw的允許值，一般取2～4s。我國的調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范規(guī)定：(1)當(dāng)水電站單獨(dú)運(yùn)行時，或機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比例超過50%時，取小值2s；(2)當(dāng)比重小于10%~20%時，可取大值。計算時，采用的流量與水頭應(yīng)為相互對應(yīng)值，即采用最大流量時，應(yīng)用與之相對應(yīng)的額定水頭；若采用最小水頭，應(yīng)用與之相對應(yīng)的流量。

2．下游調(diào)壓室的設(shè)置條件在有壓尾水道中，為了減小甩負(fù)荷時尾水管中的真空度，避免水輪機(jī)停機(jī)時連續(xù)水流的間斷，防止水柱分離，不設(shè)尾水調(diào)壓室的尾水道的臨界長度可按下式初步確定:Lw:壓力尾水道的長度m；V:穩(wěn)定運(yùn)行時尾水管的流速m/s；V

d:尾水管入口處的流速m/s；▽：水輪機(jī)安裝高程第二節(jié)調(diào)壓室的工作原理

和基本方程

一、調(diào)壓室的工作原理

一.工作原理結(jié)論（1）“引水道一調(diào)壓室”系統(tǒng)非恒定流的特點(diǎn)：大量水體的往復(fù)運(yùn)動，其周期較長，質(zhì)量波動，Z（t），V(t)。水錘是壓力波動。（2）在增加負(fù)荷或丟棄部分負(fù)荷后，電站繼續(xù)運(yùn)行，調(diào)壓室水位的變化影響發(fā)電水頭，調(diào)速器為了維持恒定的出力，隨調(diào)壓室水位的升高和降低，將相應(yīng)地減小和增大水輪機(jī)流量，這進(jìn)一步激發(fā)調(diào)壓室水位的變化，可能是波動的振幅不衰減甚至隨時間而增大，成為不穩(wěn)定的波動。

研究調(diào)壓室水位波動的目的：（1）求出調(diào)壓室中可能出現(xiàn)的最高Zmax和最低涌波水位Zmin及其變化過程，從而決定調(diào)壓室的高度和引水道的設(shè)計內(nèi)水壓力及布置高程。（2）根據(jù)波動穩(wěn)定的要求，確定調(diào)壓室所需的最小斷面積。

二、調(diào)壓室的基本方程

1．連續(xù)方程根據(jù)水流連續(xù)性定律，水輪機(jī)在任何時刻所需要的流量Q系由兩部分組成：來自引水道的流量fV和調(diào)壓室流出的流量FdZ/dt

連續(xù)方程：（10-3）2．運(yùn)動方程

在非恒定流的情況下，不考慮引水道和水的彈性變形及調(diào)壓室中的水體慣性，設(shè)hw為引水道中通過流量Q時的水頭損失，Z為調(diào)壓室中瞬時水位與靜水位的差值，根據(jù)牛頓第二定律，引水道中水體質(zhì)量與其加速度的乘積等于該水體所受的力，即：

（10-4）

3．等出力方程調(diào)壓室水位發(fā)生一微小變化x，調(diào)速器使水輪機(jī)的流量相應(yīng)地改變一微小數(shù)值q，以維持出力不變，壓力管道的水頭損失為hwm，由此得等式：

當(dāng)水輪機(jī)的水頭和流量變化不大時，可近似地假定效率保持不變，即等出力方程為：

第三節(jié)調(diào)壓室的基本類型

一、調(diào)壓室的基本布置方式

1、上游調(diào)壓室（引水調(diào)壓室）2、下游調(diào)壓室（尾水調(diào)壓室）3、上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng)4、上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)

二、調(diào)壓室的基本結(jié)構(gòu)型式

1、簡單式調(diào)壓室

特點(diǎn)：斷面尺寸不變，結(jié)構(gòu)簡單，反射水錘波效果好。但水位波動振幅較大，衰減較慢，調(diào)壓室的容積較大；在正常運(yùn)行時，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水力損失較大。適用：低水頭小流量的水電站。

2、阻抗式調(diào)壓室

圓筒式調(diào)壓室的底部，用較小斷面短管或較小孔口的隔板與隧洞及壓力管道相連，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力。特點(diǎn)：進(jìn)出調(diào)壓室的水流在阻抗孔口處消耗了一部分能量，有效地減小水位波動的振幅，加快了衰減速度，所需調(diào)壓室的體積小于圓筒式。正常運(yùn)行時水頭損失小。但水錘波不能完全反射。

3.雙室式調(diào)壓室特點(diǎn)：雙室式調(diào)壓室是由一個豎井和上下兩個儲水室組成。上室的底部高程由水庫最高水位控制，下室的頂部高程由水庫的死水位控制。適用：水頭較高，要求的穩(wěn)定斷面較小，水庫水位變化比較大的水電站。

4.溢流式調(diào)壓室溢流式調(diào)壓室頂部設(shè)有溢流堰。當(dāng)丟棄負(fù)荷時，調(diào)壓室的水位迅速上升，達(dá)到溢流堰頂后開始溢流，限制了水位的進(jìn)一步升高。

5.差動式調(diào)壓室由兩個直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。特點(diǎn)：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用。所需容積較小，水位波動衰減得也較快。但其構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，造價高。

(6)氣墊式調(diào)壓室第四節(jié)簡單式和阻抗式調(diào)壓室的水位波動計算一、水位波動計算的解析法

（一）丟棄全負(fù)荷情況當(dāng)丟棄全負(fù)荷后，水輪機(jī)的流量Q=0，連續(xù)方程式變?yōu)?

（10-6）在水流進(jìn)出調(diào)壓室時，如考慮由于轉(zhuǎn)彎、收縮和擴(kuò)散引起的阻抗孔口水頭損失K，則動力方程式變?yōu)?10-7)

令：η=K0/hw0，代入（10-7）得：

（10-8）將代入（10-6）并與（10-8）消去dt得：

令：X=Z/S，X0=hwo/S，以下的數(shù)學(xué)變換……1.最高水位的計算：阻抗式：簡單式：η=0

試算或圖解。（10-13）

簡單式：X0→Xm→Zm2.波動第二振幅的計算阻抗式：簡單式η=0（10-15）

求出Xm，即可求出第二振幅的試算或查曲線。Xm為負(fù)，X2為正

（二）增加負(fù)荷情況當(dāng)突然增加負(fù)荷時，波動微分方程式不能像丟棄全負(fù)荷那樣進(jìn)行積分，只能作某些假定求出近似解。

簡單式：水電站的流量由mQ0→Q0

（10-16）無因次系數(shù)：簡單調(diào)壓室增加負(fù)荷

最低振幅計算曲線εZmin/hw0第六節(jié)“引水道—調(diào)壓室”系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性

一、波動的穩(wěn)定性

問題的提出：調(diào)壓室在運(yùn)行過程中，可將水位波動分為兩種類型：大波動，即電站發(fā)生大幅度的負(fù)荷變化，調(diào)壓室中將發(fā)生較大的水位波動；另一種是小波動，即電站微小的負(fù)荷變化所造成的水位小幅度波動。

（發(fā)生較小的負(fù)荷變化）調(diào)壓室的波動可能有兩種：一種是動力不穩(wěn)定的，這種波動的振幅隨著時間逐漸增大；一種是動力穩(wěn)定的，波動的振幅最后趨近于一個常數(shù)，成為一個持續(xù)的穩(wěn)定周期波動，它的一個極限情況是波動的振幅最后趨近于零，而成為一個衰減的波動。在設(shè)計調(diào)壓室時，只一般地要求波動穩(wěn)定是不夠的，必須要求波動是衰減的。

調(diào)壓室波動的不穩(wěn)定現(xiàn)象，首先發(fā)現(xiàn)于1910年德國漢堡水電站，促使托馬進(jìn)行研究，基本假定：(1)波動為無限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；(2)調(diào)速器能絕對保證水輪機(jī)的出力為一常數(shù)；(3)電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變；(4)調(diào)壓室與引水道直接連接，因而可不考慮調(diào)壓室底部流速水頭的影響。

（一）小波動穩(wěn)定斷面的計算公式調(diào)壓室水位發(fā)生一微小變化x，調(diào)速器使水輪機(jī)相應(yīng)地改變一微小的流量q。當(dāng)流量為Q0+q時，若略去高次微量(q/Q0)2，則壓力水管的水頭損失：代入等出力方程，略去高階微量化簡后得：

（10-36）

當(dāng)引用流量Q0由變?yōu)镼0+q時，引水道流速由V0變?yōu)閂0+y，連續(xù)方程變?yōu)椋篞0+q=f(V0+y)+Fdz/dt(10-38)又有：（10-39）三個微小量q、x、y，還得想法用動力方程：V=V0+y，由（10-39）得全部代入動力方程，得“引水道—調(diào)壓室”系統(tǒng)在無限小擾動下的運(yùn)動微分方程式：式中：

（10-43）運(yùn)動微分方程式(10-43)代表一個有阻尼的自由振動。討論：（1）阻尼為零，即n=0，波動永不衰減，成為持續(xù)的周期性波動。這時如不計水頭損失，丟棄全負(fù)荷后的波動振幅和周期分別為：

實(shí)際上阻尼總是存在的。

（2）

若n<0，波動隨時間增強(qiáng)，因此是不穩(wěn)定的（擴(kuò)散的）。（3）若n>0，波動是衰減的。為了使“引水道—調(diào)壓室”系統(tǒng)的波動在任何情況下都是衰減的，其必要和充分條件是n>0和P2>0。

根據(jù)n＞0得：F＞

（10-49）上式指出，波動衰減的條件之一是調(diào)壓室的斷面積必須大于某一數(shù)值，令：Fk為波動衰減的臨界斷面，通常稱為托馬斷面。

根據(jù)P2>0得（10-51）條件之二：

上式指出，為了保證波動衰減，引水道和壓力水管水頭損失之和要小于靜水頭H0的1/3。由于水頭損失過大時極不經(jīng)濟(jì)，故此條件一般均可滿足。

（二）大波動的穩(wěn)定性

當(dāng)調(diào)壓室的水位波動振幅較大時，不能再近似地認(rèn)為波動是線性的。因此，托馬條件不能直接應(yīng)用在大波動。非線性波動的穩(wěn)定問題是一個困難問題，目前還沒有可供應(yīng)用的嚴(yán)格的理論解答。

研究證明，如小波動的穩(wěn)定性不能保證，則大波動必然不能衰減。為了保證大波動衰減，調(diào)壓室的斷面必須大于臨界斷面，并有一定的安全余量，一般乘以1.05～1.1，目前偏向于采用較小的數(shù)字。

二、影響波動穩(wěn)定的主要因素

在以上推導(dǎo)中，引入了以下基本假定：波動是無限小的；電站單獨(dú)運(yùn)行，不受其他電站影響；調(diào)速器嚴(yán)格地保待出力為常數(shù)；機(jī)組的效率保持不變等等。這些假定沒有一個不是近似的。在設(shè)計調(diào)壓室時，不能滿足于簡單地運(yùn)用某一理論，重要的是對各種因素的具休分析。下面我們分別討論影響調(diào)壓室波動穩(wěn)定的一些主要因素。

1.水電站水頭的影響

從式可以看出，水電站的水頭愈小，要求的穩(wěn)定斷面愈大。因此，中低水頭水電站多采用簡單式或阻抗式調(diào)壓室；在高水頭水電站中，要求的穩(wěn)定斷面較小，常受波動振幅控制，多采用雙室式調(diào)壓室。

調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面應(yīng)采用水電站在正常運(yùn)行時可能出現(xiàn)的最低水頭進(jìn)行計算。

2.引水系統(tǒng)中糙率的影響

引水系統(tǒng)的糙率愈大，水頭損失系數(shù)α愈大，F(xiàn)k愈?。m然H1隨糙率的增大而減小，有使Fk增大的趨勢，但其影響遠(yuǎn)不如α顯著），為了安全，計算時應(yīng)采用可能的最小糙率。

3.調(diào)壓室位置的影響

因H1=H0-hw0-3hwm0，在引水路線不變的情況下，調(diào)壓室愈靠近廠房，壓力水管愈短，H1值愈大，有利于波動的衰減。因此應(yīng)使調(diào)壓室盡量靠近廠房。

4.調(diào)壓室底部流速水頭的影響

在α系數(shù)中應(yīng)包括流速水頭及局部損失的影響:

看來，調(diào)壓室底部的流速水頭對波動的衰減是有利的。調(diào)壓室底部的水流是極其紊亂的，尤其當(dāng)調(diào)壓室水位較低時更為顯著，因此，考慮全部流速水頭可能是不安全的。若調(diào)壓室底部和引水道的連接處斷面較大（像簡單調(diào)壓室那樣），則不應(yīng)考慮流速水頭的影響。

5.水輪機(jī)效率的影響

假定水輪機(jī)的效率η為常數(shù)，實(shí)際上，水輪機(jī)的效率隨著水頭和流量的變化而變化，對于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)速機(jī)保持出力為常數(shù)時，建議按下式計算：

H——恒定情況下水輪機(jī)的凈水頭；

△——水輪機(jī)效率變化的無因次系數(shù)：

調(diào)壓室的臨界斷面決定于水電站在最低水頭運(yùn)行之時，即相應(yīng)于效率曲線的左邊，為正故效率的變化對波動衰減不利。由綜合特性曲線繪制出出力為常數(shù)的H-η關(guān)系曲線

6.電力系統(tǒng)的影響

水電站一般多參加電力系統(tǒng)運(yùn)行。對于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室的水位發(fā)生變化時，出力為常數(shù)的要求是由自身的調(diào)速器單獨(dú)來保證的。如水電站參加電力系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)調(diào)壓室水位發(fā)生變化時，由系統(tǒng)中各機(jī)組共同保證系統(tǒng)出力為常數(shù)，而水電站本身的出力只有較小一些的變化，因此，參加電力系統(tǒng)運(yùn)行有助于調(diào)壓室波動的衰減。

第