水电站新ppt课件 第十章 水电站调压室

水电站程永光Prof.Dr.YongguangCheng武汉大学水利水电学院Tel:68772274m:chengyg2000@5/7/20231第10章水电站调压室5/7/20232调压室的功用：减小水锤压力，改善机组运行条件反射水锤波缩短压力管道的长度改善机组在负荷变化时的运行条件设了调压室后，调压室将整个引水道系统分为两部分，前面一段称为引水隧洞，后面一段称为压力管道5/7/20233对调压室的基本要求：缩短压力管道长度、反射特性好、波动稳定调压室的位置应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度（最近的研究表明不是越近越好）有良好的反射特性，即能充分反射压力管道传来的水锤波，不要使水锤波投射到引水隧洞调压室的工作必须是稳定的，波动衰减迅速正常运行时，水头损失要小工程可靠，施工简单方便，造价经济合理5/7/20234调压室的设置条件：上游调压室和下游调压室条件不同上游调压室设置条件Tw是压力水道中水流惯性时间常数。其物理意义是水轮机在设计水头Hp作用下，不计摩阻时，管道内流速从0增大到V0所需的时间L：压力管道（包括蜗壳及尾水管）长度V：管中平均流速Hp：设计水头

[Tw]:允许的水流惯性时间常数一般取值为2-4s5/7/20235调压室的设置条件：上游调压室和下游调压室条件不同上游调压室设置条件[Tw]的取值与电站容量在电力系统中所占的比重有关我国的调压室设计规范规定：水电站单独运行或其容量在电力系统中所占的比重超过50％时，[Tw]＝1.5s～2.0s。水电站容量在电力系统中所占的比重为50％～20％时，[Tw]＝2.5s～3.5s。水电站容量在电力系统中所占的比重小于20％时，[Tw]＝3.5s～5.0s5/7/20236调压室的设置条件：上游调压室和下游调压室条件不同下游调压室设置条件Lw：尾水道长度,m；Ts：导叶关闭时间,s；V：恒定运行时尾水道中的平均流速,m/s；Vd：尾水管进口处的流速，m/s；▽：水轮机安装高程,m；Hs：水轮机吸出高度,m。下游调压室的设置条件是以尾水管内不产生液柱分离为前提。尾水管进口处最大真空度不超过8m5/7/20237调压室的工作原理：增大的水面反射水锤波，引水道中水体动能和势能相互转换演示程序演示5/7/20238甩负荷工况：上游调压室水位先上升，下游调压室水位先下降上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z2V1引（尾）水道中水流在惯性作用下继续流动，从而引起调压室水位上升（下降），当水位达到极值后，由于调压室和水库的水位差作用，水流开始倒流。如此往复流动，实现动能和势能的转换，并在阻力消耗下衰减。V25/7/20239增负荷工况：上游调压室水位先下降，下游调压室水位先上升上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z2机组首先开始增大引用流量，水流流出（入）上游（下游）调压室，调压室水位变化，当调压室和水库的水位差达到极值后，水位差的作用使水流开始倒流。如此往复流动，实现动能和势能的转换，并在阻力作用下快速衰减。V1V25/7/202310调压室水位和引（尾）水道中流速的对应的关系反映了动能和势能的转换调压室水位对应于水体势能，引（尾）水道流速对应于水体动能，故调压室水位的极值时刻，对应于引（尾）水道流速为0时刻；引（尾）水道流速极值时刻，对应于调压室水位变化最快时刻（斜率最大）但库室水位基本齐平时刻水位波动的衰减因素是水道阻力，若假设阻力为0，则水位变化曲线是sin曲线，流速变化曲线是cos曲线，在z-v坐标中形成一个圆。在z-v坐标中，甩负荷后实际调压室—引水道波动是收缩于原点的螺旋线V10V20Z1V1Z2V2zv5/7/202311调压室水位波动过程线的绘制：注意标出水库水位、波动初始水位、终了水位绘制调压室最高涌波过程线甩全负荷工况：库水位为最高水位；初始水位比库水位低引水道损失值hw0

；终了水位与库水位齐平5/7/202312调压室水位波动过程线的绘制：注意标出水库水位、波动初始水位、终了水位绘制调压室最低涌波过程线增负荷工况：库水位为最低水位；初始水位与库水位齐平或略低（空载流量）；终了水位比库水位低hw0；5/7/202313水轮机甩负荷工况:机组流量减小，上游调压室水位先上升，下游调压室水位先下降Q上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z25/7/202314水轮机增负荷工况:机组流量增大，上游调压室水位先下降，下游调压室水位先上升Q上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z25/7/202315水泵启动:反向流量增大，上游调压室水位先上升，下游调压室水位先下降Q上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z25/7/202316水泵断电:机组流量由负到正，上游调压室水位先下降，下游调压室水位先上升Q上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z25/7/202317水锤现象与调压室现象的本质不同，特点也有差别水锤现象调压室水位波动现象内在原因均由水流惯性引起均由水流惯性引起波动特点弹性波（水体可压缩），振幅大，变化快，周期短质量波（大量水体往返运动），振幅小，变化慢，周期长传播时间一般几秒至十几秒一般几十秒至几百秒由于调压室波动和水锤的发生时段有差异，两者极值相互影响很小，为计算方便，一般情况下可将两种现象分别进行研究：计算水锤时假设调压室水位恒定，为水库；计算调压室水位波动时，设压力管道内流量突然变化，但只考虑流量突然改变，不考虑压力变化5/7/202318分析调压室水位波动的目的：确定调压室尺寸（1）求出调压室中可能出现的最高和最低涌波水位，从而决定调压室顶部高程和底部高程。（2）根据波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面积。5/7/202319调压室的基本方程：连续方程和动量方程—可按质量守恒和牛顿定律推导出步骤1：定义水位、流速等参数的方向以水库水位为基准的调压室水位，向下为正，向上为负引水道流速，流向调压室为正，反之为负机组引用流量，流向机组为正步骤2：列出基本方程（引水道水体为对象）步骤3：验证方程正常运行时，，，应有和的正向在连续方程中与流出调压室流量一致，与在动量方程中等号两边同号，hw和hr前的负号保证水头损失消耗能量。流出调压室流量所受外力动量改变率引水道损失阻抗损失5/7/202320调压室的基本方程：连续方程和动量方程—可按质量守恒和牛顿定律推导出以水库水位为基准的调压室水位，向下为正，向上为负引水道流速，流向调压室为正，反之为负机组引用流量，流向机组为正基本方程在以下条件下成立若Z的方向改变，则在Z项前加负号在下游调压室基本方程也可依类似步骤列出+-5/7/202321调压室基本布置方式：上游调压室、下游调压室、上下游双调压室（a）上游调压室：调压室布置在厂房上游的有压引水道上，一般用于引水道较长的情况，应用最为普遍（b）下游（尾水）调压室：当厂房下游具有较长的尾水隧洞时，为了减小水锤压力，特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水锤而设置的调压室（c）上下游双调压室：厂房上、下游都有较长的压力水道，为了减小水锤压力，改善机组运行条件，在厂房上、下游均设置调压室（d）上游双调压室：在有压引水隧洞的末端布置两个调压室，靠近厂房的称为主调压室，另一个称为副调压室。这种布置方式通常在电站扩建时遇到，或者因结构、地质条件不能满足要求时5/7/202322调压室基本结构型式：简单、阻抗、双室、气垫等简单式、阻抗式、双室式、溢流式、差动式、气垫式5/7/202323简单式调压室：连接管面积大于管道面积，适用低水头小容量电站简单式：断面为园形或长方形的水井，结构简单，反射性能好；但正常运行时，底部突扩，水头损失大；波动过程中振幅较大，衰减慢。一般用于低水头小容量电站5/7/202324阻抗式调压室：连接管（或阻抗孔）面积小于管道面积，适用最广阻抗式：用孔板或小于隧洞直径的短管将隧洞和调压室连在一起，优点是损失小、振幅小、衰减快；但反射性能差一些，隧洞中可能受到水击的影响5/7/202325阻抗长廊式调压室：底部交汇型式和室内流态优化是重要研究方向5/7/202326双室式调压室：有上下两个面积很大的空间，适用高水头和水位变幅大电站双室式：由上室、下室和竖井组成。竖井断面应满足波动稳定的要求。而上、下室的容积用来限制水位进一步升高或下降。这种形式要充分利用地形。一般用于水头较高和库水位变幅较大的电站5/7/202327溢流式调压室：设溢流堰，限制水位进一步上升溢流式：在调压室顶部设有溢流堰，当水位升至溢流堰顶时开始溢流，限制了水位进一步上升，有利机组稳定运行5/7/202328差动式调压室：大井和升管水位差动，波动和结构复杂差动式：由大井、升管和阻尼孔组成，综合地吸取了阻抗式和溢流式的优点；但结构比较复杂5/7/202329气垫式调压室：利用封闭的空气的弹性来限制振幅，适用高水头地质条件好的电站气压式：利用空气的易压缩性来限制水位振幅，缺点是波动稳定性差，断面积大，还需配置压缩空气机，定期补气。适用高水头、地质条件好的地下电站气垫式调压室一般装在靠近厂房位置，可缩短引水道长度5/7/202330调压室位置选择：宜靠近厂房、宜在地下、要避免不利地质条件调压室的位置需根据压力管道的地形、地质条件与厂房位置统一考虑。尽可能靠近厂房，以减小压力与水轮机的压力。当引水道很长时，太靠近厂房反而不利调压室的位置宜设在地下，当地形地质条件限制时，调压室需部分或全部设在地面时应进行综合技术经济比较，并满足调保要求调压室距厂房较近，且多设在临近山坡处，宜避开不利地质条件，以减轻运行渗水对围岩和边坡稳定的不利影响，以免地下水位的改变，引起围岩失稳塌滑5/7/202331调压室水位波动计算方法-数学软件法：根据基本方程，用MathCAD等数学软件求解步骤1：列出基本方程（上游调压室）该方程的假设向上为正；方程的未知量是和，自变量是；是压力管道流量，与导叶起闭时间有关；是调压室断面高程变化；和是已知参数。该方程组是二元线性常微分方程，在给定初始条件和已知参数情况下，可用通用的数学软件MathCAD、MatLab等求解5/7/202332调压室水位波动计算方法-数学软件法：根据基本方程，用MathCAD等数学软件求解步骤2：给出初始条件（上游调压室甩全负荷）步骤3：给定已知参数（上游调压室甩全负荷）

压力管道流量变化过程调压室断面随高程变化规律

引水洞水头损失系数阻抗孔水头损失系数

阻抗孔面积Q0Q0F(Z)5/7/202333调压室水位波动计算方法-数学软件法：根据基本方程，用MathCAD等数学软件求解步骤4：在数学软件中求解并绘出和步骤5：整理水位极值并完成报告5/7/202334调压室水位波动计算方法-数学软件法：MathCAD实际算例5/7/202335调压室水位波动计算方法-数学软件法：MathCAD实际算例Q0F(Z)5/7/202336调压室水位波动计算方法-数学软件法：MathCAD实际算例5/7/202337调压室水位波动计算方法-数学软件法：MathCAD实际算例5/7/202338调压室水位波动计算方法-解析公式法：隐式解析公式，只计算极值阻抗式调压室甩负荷最高涌浪Zmax简单式调压室甩负荷最高涌浪5/7/202339调压室水位波动计算方法-解析公式法：隐式解析公式，只计算极值阻抗式调压室甩负荷最低涌浪Z2简单式调压室甩负荷最低涌浪5/7/202340调压室水位波动计算方法-解析公式法：隐式解析公式，只计算极值阻抗式调压室增负荷工况最低涌浪Zmin5/7/202341各种调压室水位波动计算方法比较：数学软件法简便，解析法常用，数值法精确方法解析法数学软件法数值法图解法优点常用，较方便方便，能计算参数变化过程，是今后发展方向精确，能计算参数变化过程物理概念明确缺点主要是隐式公式，需要试算，只能计算极值需要数学软件，编程麻烦，使用不便麻烦，精度差，现已不用应提倡使用现有数学软件解决问题5/7/202342调压室波动存在稳定性问题：若面积太小，水面扰动振幅会越来越大由于某种扰动，调压室水位下降了一个X，(即水头减小)，为了保证机组出力为常数，调速器打开导叶，增大流量q，引用流量的增大使调压室水位进一步下降，再调节流量，..........。这种相互激发的作用，可能使调压室的波动逐渐增大，而不是逐渐衰减Q0-xZ+qH00-xH动力不稳定动力稳定但振幅趋于常数动力稳定，波动衰减5/7/202343调压室波动出现不稳定现象的原因：断面面太小，引水道中阻力太小不稳定的原因调压室断面过小引水管道中阻尼效应太小引水管道中阻力太大，不经济调压室水位波动不稳定现象，首先在德国Heimbach水电站发现，经托马的研究，1910年提出了著名的托马稳定断面计算公式当调压室面积，理论上认为可保证稳定性5/7/202344托马调压室稳定断面公式的假设：波动幅度很小、调速器保证出力恒定①波动振幅无限小，这样可使基本微分方程线性化；②调速器严格保持出力保持常数；③电站单独运行，机组效率保持不变；④不考虑调压室底部流速水头的影响托马调压室稳定断面的推求要用到调压室连续方程调压室动量方程机组出力不变方程hw0:引水道通过Q0时的水头损失;hwm0:压力管道通过Q0时的水头损失；x:调压室水位的微小变化值;q:水轮机流量的微小变化值;假定η=η05/7/202345托马稳定断面公式推导：小扰动后各参数的变化扰动状态调压室水位引水洞流速压力管道流量引水洞损失压力管道损失水轮机水头初始状态5/7/202346托马稳定断面公式推导：小扰动后各参数的变化扰动状态调压室水位引水洞流速压力管道流量引水洞损失压力管道损失水轮机水头初始状态为微小量，高阶微量可略去，以使方程线性化5/7/202347托马稳定断面公式推导步骤1：将小扰动状态参数代入方程组，得到扰动变量方程组忽略q2及xq项应用5/7/202348托马稳定断面公式推导步骤2：联立扰动变量方程组，得到振动微分方程波动衰减的必要条件单自由度、带阻尼的振动方程。二阶常系数齐次线性微分方程5/7/202349托马稳定断面公式推导步骤3：根据振动衰减的条件，导出调压室稳定断面公式保证波动衰减的最小断面（托马断面）此条件通常都能满足否则电站效益太差振动衰减条件5/7/202350影响调压室水力稳定的因素：水头、引水道阻力、调压室位置、水轮机效率等等托马断面推导中假定波动无限小电站单独运行调速器严格保证出力为常数机组效率不变实际水电调压室稳定断面设计要考虑多种因素水电站水头的影响引水系统中糙率的影响调压室位置的影响调压室底部流速水头的影响水轮机效率的影响电力系统的影响大波动的稳定断面5/7/202351水头对调压室稳定断面的影响：水头越小要求的稳定断面越大水电站的水头愈小，要求的稳定断面愈大中低水头水电站多用简单式、差动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为安全起见，一般选水电站最小水头计算，并与水电站设计水头比较5/7/202352引水道糙率对调压室稳定断面的影响：糙率越小要求的稳定断面越大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Fk时应采用可能的最小的糙率5/7/202353调压室位置的影响：管线总长度不变情况下，越靠近厂房越有利于波动的衰减因为，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,(即hwm0愈小)，H1值愈大，有利于波动衰减因此应使调压室尽量靠近厂房5/7/202354调压室底部流速头的影响：有利于波动稳定，阻抗式调压室须计及该影响调压室底部的流速水头对波动衰减起有利的影响，其作用与水头损失相似，但并不减小水电站的有效水头若调压室底部的流速与引水道部分的流速相同，即对于阻抗式调压室，则公式中的α系数应包括流速水头及局部损失的影响可以看出，引水道直径愈大，长度愈短，流速水头的影响愈显著，局部损失的比重也较大，不能忽视但对简单式调压室,则不应考虑流速水头的影响引水道损失流速水头5/7/202355水轮机效率的对稳定断面的影响：不同工况点影响性质不同在前面的推导中,曾假定效率为常数，但实际上，水轮机效率随着水头和流量的变化而变化在水轮机的不同工作区是不一样的，对稳定性影响也不一样决定调压室的临界断面是在水电站最小水头，运行之时，效率的变化对波动衰减是不利的5/7/202356电力系统对稳定断面的影响：加入电力系统有利波动稳定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水电站一般参加电力系统运行，当调压室的水位发生变化时，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一些较小的变化，因此，参加电力系统运行有助于调压室波动的衰减电力系统越大，对水电站调压室稳定性越有利5/7/202357调压室断面确定，除满足小波动稳定外，还需要满足大波动稳定甩负荷、增负荷引起的调压室大幅波动称大波动当波动振幅较大时，运动的微分方程不再是线性的因此托马公式不能直接应用于大波动。非线性波动稳定问题的严格解析解，目前还得不出，只能采用图解法和数值解近似研究结果表明，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稳定断面，并有一定的安全裕量5/7/202358调压室水位波动计算的目的：确定调压室的尺寸、分析水位波动的周