水电站 调压室

第十章

调压室第一节

调压室的功用、要求及设置条件拉西瓦电站发电引水系统一、

调压室的功用(1)

反射水锤波。基本上避免了（或减小）压力管道传来的水锤波进入压力引水道。(2)

减小水锤压力（压力管道及厂房过水部分）。缩短了压力管道的长度。(3)

改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。

二、对调压室的基本要求

（1）调压室的应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。（2）能较充分地反射压力管道传来的水锤波。（3）调压室的工作必须是稳定的。（4）正常运行时，水头损失要小。为此调压室底部和压力管道连接处应具有较小的断面积，以减小水流通过调压室底部的水头损失。（5）工程安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。

三、设置调压室的条件

1.初步判别是否需要设置上游调压室的近似准则：

Tw（压力水道的惯性时间常数）的物理意义：在设计水头H作用下，不计水头损失时，管道内水流速度从0增大到V所需的时间。显然，Tw越大，水锤压力的相对值也越大。Tw的允许值，一般取2～4s。我国的调压室设计规范规定：(1)当水电站单独运行时，或机组在电力系统中所占的比例超过50%时，取小值2s；(2)当比重小于10%~20%时，可取大值。计算时，采用的流量与水头应为相互对应值，即采用最大流量时，应用与之相对应的额定水头；若采用最小水头，应用与之相对应的流量。

2．下游调压室的设置条件在有压尾水道中，为了减小甩负荷时尾水管中的真空度，避免水轮机停机时连续水流的间断，防止水柱分离，不设尾水调压室的尾水道的临界长度可按下式初步确定:Lw:压力尾水道的长度m；V:稳定运行时尾水管的流速m/s；V

d:尾水管入口处的流速m/s；▽：水轮机安装高程第二节调压室的工作原理

和基本方程

一、调压室的工作原理

一.工作原理结论（1）“引水道一调压室”系统非恒定流的特点：大量水体的往复运动，其周期较长，质量波动，Z（t），V(t)。水锤是压力波动。（2）在增加负荷或丢弃部分负荷后，电站继续运行，调压室水位的变化影响发电水头，调速器为了维持恒定的出力，随调压室水位的升高和降低，将相应地减小和增大水轮机流量，这进一步激发调压室水位的变化，可能是波动的振幅不衰减甚至随时间而增大，成为不稳定的波动。

研究调压室水位波动的目的：（1）求出调压室中可能出现的最高Zmax和最低涌波水位Zmin及其变化过程，从而决定调压室的高度和引水道的设计内水压力及布置高程。（2）根据波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面积。

二、调压室的基本方程

1．连续方程根据水流连续性定律，水轮机在任何时刻所需要的流量Q系由两部分组成：来自引水道的流量fV和调压室流出的流量FdZ/dt

连续方程：（10-3）2．运动方程

在非恒定流的情况下，不考虑引水道和水的弹性变形及调压室中的水体惯性，设hw为引水道中通过流量Q时的水头损失，Z为调压室中瞬时水位与静水位的差值，根据牛顿第二定律，引水道中水体质量与其加速度的乘积等于该水体所受的力，即：

（10-4）

3．等出力方程调压室水位发生一微小变化x，调速器使水轮机的流量相应地改变一微小数值q，以维持出力不变，压力管道的水头损失为hwm，由此得等式：

当水轮机的水头和流量变化不大时，可近似地假定效率保持不变，即等出力方程为：

第三节调压室的基本类型

一、调压室的基本布置方式

1、上游调压室（引水调压室）2、下游调压室（尾水调压室）3、上下游双调压室系统4、上游双调压室系统

二、调压室的基本结构型式

1、简单式调压室

特点：断面尺寸不变，结构简单，反射水锤波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。适用：低水头小流量的水电站。

2、阻抗式调压室

圆筒式调压室的底部，用较小断面短管或较小孔口的隔板与隧洞及压力管道相连，这种孔口或隔板相当于局部阻力。特点：进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了一部分能量，有效地减小水位波动的振幅，加快了衰减速度，所需调压室的体积小于圆筒式。正常运行时水头损失小。但水锤波不能完全反射。

3.双室式调压室特点：双室式调压室是由一个竖井和上下两个储水室组成。上室的底部高程由水库最高水位控制，下室的顶部高程由水库的死水位控制。适用：水头较高，要求的稳定断面较小，水库水位变化比较大的水电站。

4.溢流式调压室溢流式调压室顶部设有溢流堰。当丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢流堰顶后开始溢流，限制了水位的进一步升高。

5.差动式调压室由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外室相通。特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用。所需容积较小，水位波动衰减得也较快。但其构造复杂，施工难度大，造价高。

(6)气垫式调压室第四节简单式和阻抗式调压室的水位波动计算一、水位波动计算的解析法

（一）丢弃全负荷情况当丢弃全负荷后，水轮机的流量Q=0，连续方程式变为:

（10-6）在水流进出调压室时，如考虑由于转弯、收缩和扩散引起的阻抗孔口水头损失K，则动力方程式变为(10-7)

令：η=K0/hw0，代入（10-7）得：

（10-8）将代入（10-6）并与（10-8）消去dt得：

令：X=Z/S，X0=hwo/S，以下的数学变换……1.最高水位的计算：阻抗式：简单式：η=0

试算或图解。（10-13）

简单式：X0→Xm→Zm2.波动第二振幅的计算阻抗式：简单式η=0（10-15）

求出Xm，即可求出第二振幅的试算或查曲线。Xm为负，X2为正

（二）增加负荷情况当突然增加负荷时，波动微分方程式不能像丢弃全负荷那样进行积分，只能作某些假定求出近似解。

简单式：水电站的流量由mQ0→Q0

（10-16）无因次系数：简单调压室增加负荷

最低振幅计算曲线εZmin/hw0第六节“引水道—调压室”系统的工作稳定性

一、波动的稳定性

问题的提出：调压室在运行过程中，可将水位波动分为两种类型：大波动，即电站发生大幅度的负荷变化，调压室中将发生较大的水位波动；另一种是小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅度波动。

（发生较小的负荷变化）调压室的波动可能有两种：一种是动力不稳定的，这种波动的振幅随着时间逐渐增大；一种是动力稳定的，波动的振幅最后趋近于一个常数，成为一个持续的稳定周期波动，它的一个极限情况是波动的振幅最后趋近于零，而成为一个衰减的波动。在设计调压室时，只一般地要求波动稳定是不够的，必须要求波动是衰减的。

调压室波动的不稳定现象，首先发现于1910年德国汉堡水电站，促使托马进行研究，基本假定：(1)波动为无限小，以使微分方程线性化，从而容易得出解析解答；(2)调速器能绝对保证水轮机的出力为一常数；(3)电站单独运行，机组效率保持不变；(4)调压室与引水道直接连接，因而可不考虑调压室底部流速水头的影响。

（一）小波动稳定断面的计算公式调压室水位发生一微小变化x，调速器使水轮机相应地改变一微小的流量q。当流量为Q0+q时，若略去高次微量(q/Q0)²，则压力水管的水头损失：代入等出力方程，略去高阶微量化简后得：

（10-36）

当引用流量Q0由变为Q0+q时，引水道流速由V0变为V0+y，连续方程变为：Q0+q=f(V0+y)+Fdz/dt(10-38)又有：（10-39）三个微小量q、x、y，还得想法用动力方程：V=V0+y，由（10-39）得全部代入动力方程，得“引水道—调压室”系统在无限小扰动下的运动微分方程式：式中：

（10-43）运动微分方程式(10-43)代表一个有阻尼的自由振动。讨论：（1）阻尼为零，即n=0，波动永不衰减，成为持续的周期性波动。这时如不计水头损失，丢弃全负荷后的波动振幅和周期分别为：

实际上阻尼总是存在的。

（2）

若n<0，波动随时间增强，因此是不稳定的（扩散的）。（3）若n>0，波动是衰减的。为了使“引水道—调压室”系统的波动在任何情况下都是衰减的，其必要和充分条件是n>0和P²>0。

根据n＞0得：F＞

（10-49）上式指出，波动衰减的条件之一是调压室的断面积必须大于某一数值，令：Fk为波动衰减的临界断面，通常称为托马断面。

根据P²>0得（10-51）条件之二：

上式指出，为了保证波动衰减，引水道和压力水管水头损失之和要小于静水头H0的1/3。由于水头损失过大时极不经济，故此条件一般均可满足。

（二）大波动的稳定性

当调压室的水位波动振幅较大时，不能再近似地认为波动是线性的。因此，托马条件不能直接应用在大波动。非线性波动的稳定问题是一个困难问题，目前还没有可供应用的严格的理论解答。

研究证明，如小波动的稳定性不能保证，则大波动必然不能衰减。为了保证大波动衰减，调压室的断面必须大于临界断面，并有一定的安全余量，一般乘以1.05～1.1，目前偏向于采用较小的数字。

二、影响波动稳定的主要因素

在以上推导中，引入了以下基本假定：波动是无限小的；电站单独运行，不受其他电站影响；调速器严格地保待出力为常数；机组的效率保持不变等等。这些假定没有一个不是近似的。在设计调压室时，不能满足于简单地运用某一理论，重要的是对各种因素的具休分析。下面我们分别讨论影响调压室波动稳定的一些主要因素。

1.水电站水头的影响

从式可以看出，水电站的水头愈小，要求的稳定断面愈大。因此，中低水头水电站多采用简单式或阻抗式调压室；在高水头水电站中，要求的稳定断面较小，常受波动振幅控制，多采用双室式调压室。

调压室的稳定断面应采用水电站在正常运行时可能出现的最低水头进行计算。

2.引水系统中糙率的影响

引水系统的糙率愈大，水头损失系数α愈大，Fk愈小（虽然H1随糙率的增大而减小，有使Fk增大的趋势，但其影响远不如α显著），为了安全，计算时应采用可能的最小糙率。

3.调压室位置的影响

因H1=H0-hw0-3hwm0，在引水路线不变的情况下，调压室愈靠近厂房，压力水管愈短，H1值愈大，有利于波动的衰减。因此应使调压室尽量靠近厂房。

4.调压室底部流速水头的影响

在α系数中应包括流速水头及局部损失的影响:

看来，调压室底部的流速水头对波动的衰减是有利的。调压室底部的水流是极其紊乱的，尤其当调压室水位较低时更为显著，因此，考虑全部流速水头可能是不安全的。若调压室底部和引水道的连接处断面较大（像简单调压室那样），则不应考虑流速水头的影响。

5.水轮机效率的影响

假定水轮机的效率η为常数，实际上，水轮机的效率随着水头和流量的变化而变化，对于单独运行的水电站，当调速机保持出力为常数时，建议按下式计算：

H——恒定情况下水轮机的净水头；

△——水轮机效率变化的无因次系数：

调压室的临界断面决定于水电站在最低水头运行之时，即相应于效率曲线的左边，为正故效率的变化对波动衰减不利。由综合特性曲线绘制出出力为常数的H-η关系曲线

6.电力系统的影响

水电站一般多参加电力系统运行。对于单独运行的水电站，当调压室的水位发生变化时，出力为常数的要求是由自身的调速器单独来保证的。如水电站参加电力系统运行，当调压室水位发生变化时，由系统中各机组共同保证系统出力为常数，而水电站本身的出力只有较小一些的变化，因此，参加电力系统运行有助于调压室波动的衰减。

第