水電站06調(diào)壓室

第六章調(diào)壓室6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件6.2調(diào)壓室的工作原理和基本方程6.3調(diào)壓室的基本類型6.4調(diào)壓室水位波動計算6.5調(diào)壓室水位波動的穩(wěn)定問題6.6調(diào)壓室水力計算條件的選擇第六章調(diào)壓室6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件問題：為什么設(shè)置調(diào)壓室？6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專問題：為什么設(shè)置調(diào)壓室？在較長的壓力引水系統(tǒng)中，為了降低高壓管道的水錘壓力，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證計算的要求，常在壓力引水（尾水）道與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室。調(diào)壓室將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為壓力引水道，下游段為壓力管道。6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件調(diào)壓塔:調(diào)壓室的大部分或全部設(shè)置在地面以上調(diào)壓井:調(diào)壓室的大部分埋在地面以下重慶電專重慶電專重慶電專一、調(diào)壓室的功用調(diào)壓室的功用可歸納為：反射水錘波。基本上避免了(或減小)壓力管道傳來的水錘波進(jìn)入壓力引水道。減小了水錘壓力(壓力管道及廠房過水部分)。因為縮短了壓力管道的長度改善機(jī)組在負(fù)荷變化時的運行條件。（補(bǔ)充、存儲水量）6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專二、調(diào)壓室的基本要求盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水錘波的充分反射； 調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。負(fù)荷變化時，引水道及調(diào)壓室水體的波動應(yīng)該迅速衰減；正常運行時，水流經(jīng)過調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡單方便，經(jīng)濟(jì)合理。6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專三、調(diào)壓室的設(shè)置條件調(diào)壓室一般尺寸較大，投資較大，工期長，特別是對于低水頭電站，調(diào)壓室的造價可能占整個引水系統(tǒng)造價的相當(dāng)大的比例。是否設(shè)置調(diào)壓室，應(yīng)在機(jī)組過流系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計算和機(jī)組運行條件分析的基礎(chǔ)上，考慮水電站在電力系統(tǒng)中的作用、地形及地質(zhì)條件、壓力管道的布置等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后加以確定。6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專三、調(diào)壓室的設(shè)置條件1、上游調(diào)壓室的設(shè)置條件(初步判定)用水流加速時間(也稱為壓力引水道的水流慣性時間常數(shù))Tw來判斷是否設(shè)置調(diào)壓室Tw<2~4s時，可不設(shè)調(diào)壓室當(dāng)水電站單獨運行時，或機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比例超過50%時，取1.5-2s；當(dāng)比重小于10%~20%時，可取3.5-5.0s；當(dāng)比重在20-50%時，取2.5-3.5s。6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專三、調(diào)壓室的設(shè)置條件2、下游調(diào)壓室的設(shè)置條件以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提，條件為：Lw—尾水道長度；Vw0—穩(wěn)定運行時壓力尾水道流速；Vwj—尾水管入口處流速；Zs—安裝高程。最終通過調(diào)節(jié)保證計算，當(dāng)機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時，尾水管內(nèi)的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地區(qū)應(yīng)作高程修正(見規(guī)范)。6.1調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件重慶電專6.2調(diào)壓室的工作原理和基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理調(diào)壓室具有較大的容積和自由水面，它將電站因負(fù)荷變化而引起的有壓系統(tǒng)非恒定流現(xiàn)象分為性質(zhì)不同而又互相聯(lián)系的兩部分：一是壓力管道的水擊現(xiàn)象；另一個是“水庫—引水道—調(diào)壓室”的水位波動現(xiàn)象。6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理丟棄全負(fù)荷

流量變?yōu)?

壓力管道中發(fā)生水錘

水流繼續(xù)流入調(diào)壓室

調(diào)壓室水位升高

流速逐漸降低，直到為0，此時水位最高（最高涌波水位）

反向流動，水位下降

水位于水庫持平時，水流慣性使得繼續(xù)流向水庫，直到流速=0

再次向下游流動，循環(huán)往復(fù)。由于存在摩擦損失，波動逐漸衰減，最后調(diào)壓室水位穩(wěn)定在水庫水位。增加負(fù)荷，與其相反。（最低涌波水位）經(jīng)常性的負(fù)荷變動

水位相應(yīng)變動(為維持負(fù)荷保持不變)

流量相應(yīng)變化

調(diào)壓室水位進(jìn)一步波動。6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理管道水錘過程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時間內(nèi)即消失。調(diào)壓室水位波動主要由于水體的往復(fù)運動引起，特點是振幅小、變化慢、周期長，往往長達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長時間。調(diào)壓室的水位波動有兩種趨勢，一種是逐漸衰減；另一種是逐漸增大，這是調(diào)壓室設(shè)計應(yīng)該避免的。6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專一、調(diào)壓室的工作原理研究調(diào)壓室水位波動的目的：確定調(diào)壓室中可能出現(xiàn)的最高和最低涌波水位及其變化過程，以確定調(diào)壓室的高度、布置高程和引水道的設(shè)計內(nèi)水壓力。根據(jù)水位波動穩(wěn)定的要求，確定調(diào)壓室所需的最小斷面面積。6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程重慶電專1．連續(xù)方程2．運動方程3．等功率方程二、調(diào)壓室水位波動的基本方程6.2調(diào)壓室的工作原理及基本方程引+調(diào)調(diào)壓室水位波動過程中水輪機(jī)的功率不變()()()zhhHqQhhHQwmw0wmw---+=--g000g0重慶電專壓力引水道長L斷面積A1Q0時引水道壓力線調(diào)壓室斷面A-Z+Z壓力水管壓力線0-Z+Z壓力水管尾水渠廠房水庫水庫水位（靜水位）重慶電專6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專一、調(diào)壓室的布置方式1、上游調(diào)壓室(引水調(diào)壓室)位于廠房上游引水道上。適用：廠房上游有壓引水道較長，應(yīng)用最廣泛。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專一、調(diào)壓室的布置方式2、下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室)位于廠房下游尾水洞上。適用尾水隧洞較長，需設(shè)置尾水調(diào)壓室以減小水擊壓力，特別是防止丟棄負(fù)荷時產(chǎn)生過大的負(fù)水擊，尾水調(diào)壓室應(yīng)盡可能靠近廠房。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專一、調(diào)壓室的布置方式(3)上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng)當(dāng)采用中部地下廠房時，上下游都有較長的壓力水道，在廠房上下游均設(shè)置調(diào)壓室。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專一、調(diào)壓室的布置方式(4)上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)適用于上游引水道較長情況。靠近廠房的調(diào)壓室對反射水擊波起主導(dǎo)作用，稱為主調(diào)壓室；另一調(diào)壓室?guī)椭p引水系統(tǒng)的波動，稱為輔助調(diào)壓室。水位波動的衰減由兩個調(diào)壓室共同保證，增加一個調(diào)壓室可以減小另一個調(diào)壓室的斷面。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型1、簡單圓筒式調(diào)壓室特點：斷面尺寸形狀不變，結(jié)構(gòu)簡單，反射水擊波效果好。但(1)水位波動振幅較大，衰減較慢，因而調(diào)壓室的容積較大；(2)在正常運行時，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水力損失較大。為了克服

上述缺點，最好采用有連接管

的圓筒式調(diào)壓室(下一類型）。適用：低水頭、小流量電站。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型2、阻抗式調(diào)壓室將圓筒式調(diào)壓室底部改為阻抗孔口，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力，即為阻抗式調(diào)壓室。特點：可以有效減小水位波動振幅，加快衰減速度，因而所需調(diào)壓室的體積

小于圓筒式。同時，正常運行時水頭損失小。由于阻抗的存在，水擊波不能完全反射，壓力引水道中可能受到水擊的影響。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專根據(jù)水錘波的基本方程，可以推導(dǎo)出水錘波在分岔處的反射系數(shù)為：◆回顧：水錘波在分岔處的反射重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型3、雙室式調(diào)壓室特點：雙室式調(diào)壓室是由一個豎井和上下兩個儲水室組成。丟棄負(fù)荷時，水位迅速上升，當(dāng)水位達(dá)到上室時，其上升速度放慢，從而減小波動振幅。增加負(fù)荷時，

水位迅速下降到下室中，并由下室補(bǔ)充不足的水量，因此限制了水位的下降。上下室限制了水位波動的振幅，且反射水錘波效果較好。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。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型4、溢流式調(diào)壓室由雙室式調(diào)壓室發(fā)展而成，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，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運行，溢出的水量，可以設(shè)上室加以儲存，也可排至下游。適用：附近可經(jīng)濟(jì)安全布置泄水道6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型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，其底部以阻尼孔口與外室相通。正常運行時，外室與升管水位平齊。丟棄負(fù)荷時，在水位升降過程中，外室水位始終滯后升管水位的變化。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型5、差動式調(diào)壓室（續(xù)）特點：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用，其斷面積由波動穩(wěn)定條件控制。差動式調(diào)壓室所需容積較小，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。適用：地形和地質(zhì)條件不允許大斷面的中高水頭水電站，我國采用較多。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專二、調(diào)壓室的基本類型6、氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用空氣的壓縮或膨脹，來減小水位漲落的幅度。若有一小的通氣孔，稱為半

氣墊式調(diào)壓室適用：表層地質(zhì)條件不適于

建造常規(guī)調(diào)壓室的情況或深

埋于地下的引水式地下水電

站。目前我國尚未采用。6.3調(diào)壓室的布置方式和類型重慶電專6.3調(diào)壓室的布置方式和類型氣墊式與常規(guī)調(diào)壓室的比較重慶電專第四節(jié)簡單和阻抗調(diào)壓室水位波動計算

調(diào)壓室水位波動計算的目的：求出最高水位和最低水位及水位變化過程，從而確定調(diào)壓室的頂部和底部高程及壓力管道的進(jìn)口高程。調(diào)壓室水位波動計算的主要方法

解析法、差分法（數(shù)值積分法、圖解法）、電算法解析法簡單，可直接求出最高和最低水位，但公式推導(dǎo)過程中引入了各種假定，故精度較差，不能求出水位波動的全過程，在初步擬定調(diào)壓尺寸時采用。重慶電專一、水位波動計算的解析法

(一)簡單圓筒式調(diào)壓室1、丟棄負(fù)荷情況當(dāng)丟棄全部負(fù)荷以后，Q=0，連續(xù)方程變?yōu)椋?/p>

A1V+AdZ/dt=0

如果考慮阻抗孔口的局部水頭損失K，則動力方程變?yōu)?/p>

Z=hw+K+(L/g)dV/dt其中hw=αV2=hw0(V/V0)2,K=K0(Q/Q0)2=K0(V/V0)2重慶電專（1）最高水位計算(Zmax)式中

Xmax的符號在靜水位以上為負(fù)，以下為正。為“引水道-調(diào)壓室”系統(tǒng)特性系數(shù)。

實際應(yīng)用時，由圖6-5曲線A，根據(jù)X0查出Xmax，再算出Zmax重慶電專（2）波動第二振幅(Z2)——圓筒式要驗算。丟棄負(fù)荷后，調(diào)壓室中水位先升高到最高水位Zmax

。隨后又降到最低幅值Z2，Z2稱為第二振幅。式中

實際應(yīng)用時，由圖6-5曲線A，根據(jù)X0查出Xmax（為正）；再由Xmax，查曲線B，得到X2（為負(fù)）

，再算出Z2重慶電專2．增加負(fù)荷時的，最低涌波水位(Zmin)式中

實際應(yīng)用時，由圖6-6曲線，根據(jù)、查出。

為負(fù)荷系數(shù)為壓力引水道——調(diào)壓室系統(tǒng)特性重慶電專（二）阻抗式調(diào)壓室1．丟棄負(fù)荷時的最高水位計算(Zmax)（1）計算阻抗孔水頭損失為阻抗孔流量系數(shù)，初選時可取0.6-0.8為阻抗孔斷面面積(2)最高涌波水位Zmax為全部流量通過阻抗孔時的水頭損失重慶電專重慶電專（二）阻抗式調(diào)壓室2．增加負(fù)荷時的最低涌波水位計算(Zmin)（1）計算條件（阻抗孔尺寸滿足如下條件）(2)增加負(fù)荷時的最低涌波水位計算Zmin

實際應(yīng)用時，根據(jù)、查下圖曲線求取。重慶電專重慶電專二、水位波動計算差分法1、基本原理用差分代替基本方程中的微分，則連續(xù)方程和動力方程改寫為：并進(jìn)一步改寫為：式中：重慶電專當(dāng)Δt

選定以后，K,α,β都是已知數(shù)。計算基本假定：在時段Δt

中，調(diào)壓室中的水位Z和引水道中的流速V保持不變。在時段末，水位Z和流速V發(fā)生突變。其精度與Δt

的大小有關(guān)，一般取:

Δt=T/(25~30)，T位波動周期，重慶電專2、簡單調(diào)壓室丟棄負(fù)荷的差分計算步驟選擇Δt，求出K、α、β，以壓力水道的V0代入ΔZ=K-αV

，求出第一時段末的調(diào)壓室水位變化ΔZ1

。以ΔZ1=Z1-hw0，代入ΔV=β(Z1-hw0),求出第一時段末的壓力引水道的流速變化量ΔV1。以V1=V0-ΔV1,代入ΔZ=K-αV

，求出第二時段末的調(diào)壓室水位變化ΔZ2……。重慶電專第五節(jié)引水道-調(diào)壓室系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性調(diào)壓室在運行過程中，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；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。當(dāng)調(diào)壓室水位波動影響水輪機(jī)水頭時，為了維持水輪機(jī)功率不變，調(diào)速器將相應(yīng)調(diào)節(jié)流量，又會激發(fā)調(diào)壓室水位新的變化，從而導(dǎo)致兩種結(jié)果：

動力不穩(wěn)定：波動振幅隨時間逐漸增大

動力穩(wěn)定：波動振幅隨時間逐漸衰減為一個常數(shù)。重慶電專1910年在德國漢堡水電站上曾發(fā)生過調(diào)壓室波動的不穩(wěn)定現(xiàn)象，托馬首先進(jìn)行了研究?；炯俣ǎ翰▌訛闊o限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；調(diào)速器能絕對保證水輪機(jī)出力為一常數(shù)；電站單獨運行，機(jī)組效率保持不變；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)定性重慶電專保證調(diào)壓室穩(wěn)定的兩個條件上游調(diào)壓室斷面A大于臨界斷面（必要條件）：引水道和壓力管道水頭損失之和必須小于水電站靜水頭的1/3，即Ath—調(diào)壓室波動穩(wěn)定的臨界面積，稱托馬穩(wěn)定斷面；在無連接管時用代替注：水電站水頭愈低，要求的調(diào)壓室斷面積愈大。

重慶電專說明：

1、一般要求調(diào)壓室斷面大于托馬斷面，初步分析時可取(1.0～1.1)Ath

，作為調(diào)壓室的設(shè)計斷面。

2、穩(wěn)定斷面面積的計算公式亦適用于壓力尾水道上單獨設(shè)置的調(diào)壓室，但需將壓力引水道改為壓力尾水道、壓力管道改為尾水管后的延伸段的長度和斷面面積及水頭損失系數(shù)等數(shù)值，并且用重慶電專二、大波動穩(wěn)定性如果調(diào)壓室水位的波動幅值較大，則波動微分方程式不能認(rèn)為是線性的了，因此托馬條件不能直接應(yīng)用于大波動，應(yīng)該檢驗水位波動。研究表明，如小波動穩(wěn)定不能保證，大波動必然不能衰減。為了保證大波動的穩(wěn)定，一般要求調(diào)壓室斷面大于托馬斷面，初步分析時可取(1.0～1.1)Ath

，作為調(diào)壓室的設(shè)計斷面。 設(shè)計的最后階段才用差分法檢驗調(diào)壓室的大波動水位穩(wěn)定性。重慶電專三、影響波動穩(wěn)定的主要因素1、水電站水頭的影響水電站水頭越小，要求的穩(wěn)定斷面越大。中低水頭的水電站多采用簡單式、差動式或阻抗式調(diào)壓室；高水頭水電站中，主要受振幅控制，多采用雙室式調(diào)壓室。調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面采用水電站正常運行時可能出現(xiàn)的最低水頭進(jìn)行計算。重慶電專2、引水系統(tǒng)糙率的影響引水系統(tǒng)糙率愈小，水頭損失系數(shù)α愈小，雖然H1=Hg-hw0-3hwm0隨糙率的減小而增大，但其影響遠(yuǎn)比α小。因此，為了安全，計算Ath時應(yīng)采用可能的最小糙率。重慶電專3、調(diào)壓室位置的影響由H1=Hg-hw0-3hwm0可知，在引水線路不變的情況下，調(diào)壓室愈靠近廠房，H1愈大，有利于水位波動的衰減。因此，調(diào)壓室應(yīng)盡量靠近廠房。重慶電專4、調(diào)壓室底部流速水頭的影響對引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，相當(dāng)于加大了摩阻損失。但對水輪機(jī)來說，并不減小水電站的有效水頭。調(diào)壓室底部的流速水頭將對波動穩(wěn)定是有利的。但由于調(diào)壓室底部水流狀態(tài)紊亂，故不能考慮全部流速水頭的作用,穩(wěn)定斷面應(yīng)修正。引水道直徑越大，長度越短，流速水頭影響越顯著重慶電專5、水輪機(jī)效率和調(diào)速器性能的影響前面假定水輪機(jī)的效率為常數(shù)，實際上水輪機(jī)的效率隨著電站水頭和流量的變化而變化。在低水頭運行時，水輪機(jī)的效率變化對調(diào)壓室水位波動衰減是不利的。通過調(diào)整調(diào)速器性能參數(shù)，可改善調(diào)壓室運行的穩(wěn)定性。水輪機(jī)效率、調(diào)速器和電力系統(tǒng)等因素對穩(wěn)定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎(chǔ)上才加以考慮。重慶電專6、電力系統(tǒng)的影響對于單獨運行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位變化而引起出力變化時，只能依靠本電站水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)使出力保持常數(shù)。如果水電站在系統(tǒng)中運行，則可由系統(tǒng)中各電站的機(jī)組共同來保證系統(tǒng)出力不變，因此可減小本電站流量變化的幅度。電站并網(wǎng)運行有利于波動穩(wěn)定。重慶電專第六節(jié)調(diào)壓室水力計算條件的選擇調(diào)壓室的水力計算內(nèi)容應(yīng)包括：由調(diào)壓室水位波動的穩(wěn)定條件，確定調(diào)壓室的斷面積；計算調(diào)壓室最高涌波水位，從而確定調(diào)壓室的頂部高程；計算調(diào)壓室最低涌波水位，從而確定調(diào)壓室底部和壓力管道進(jìn)口的高程。從安全的角度出發(fā)，應(yīng)選擇可能出現(xiàn)的最不利情況作為計算條件。重慶電專一、波動的穩(wěn)定性計算工況

由公式可以看出：水頭Hg按水電站在正常運行中可能出現(xiàn)的最小水頭Hmin計算。上游的最低水位一般為死水位。糙率引水道應(yīng)選用可能的最小糙率(使α值最小)，而壓力管道則應(yīng)選用可能的最大糙率。重慶電專二、最高涌波水位的計算工況

(1)設(shè)計工況按上庫正常蓄水位時共用同一調(diào)壓室的全部機(jī)組滿載運行瞬時丟棄全部負(fù)荷（即流量由Qmax減至空轉(zhuǎn)流量Qh(或Q=0)）作為設(shè)計工況。

(2)校核工況按上庫校核洪水位時相應(yīng)工況作校核工況。

(3)引水道的糙率：取可能的最小值。

(一）上游調(diào)壓室最高涌波水位的計算工況

重慶電專二、最高涌波水位的計算工況

設(shè)計工況：廠房下游設(shè)計洪水位時及相應(yīng)水位下共一調(diào)壓室的機(jī)組由m-1臺增加至m臺或全部機(jī)組由2/3負(fù)荷突增至滿載的工況。

校核工況：廠房下游校核洪水位時相應(yīng)工況，并復(fù)核設(shè)計洪水位時全部機(jī)組瞬時丟棄全負(fù)荷的第二振幅。

糙率：壓力尾水道應(yīng)采用可