水电站06调压室

第六章调压室6.1调压室的功用、要求及设置条件6.2调压室的工作原理和基本方程6.3调压室的基本类型6.4调压室水位波动计算6.5调压室水位波动的稳定问题6.6调压室水力计算条件的选择第六章调压室6.1调压室的功用、要求及设置条件问题：为什么设置调压室？6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专问题：为什么设置调压室？在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水（尾水）道与压力管道衔接处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。6.1调压室的功用、要求及设置条件调压塔:调压室的大部分或全部设置在地面以上调压井:调压室的大部分埋在地面以下重庆电专重庆电专重庆电专一、调压室的功用调压室的功用可归纳为：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。减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。因为缩短了压力管道的长度改善机组在负荷变化时的运行条件。（补充、存储水量）6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专二、调压室的基本要求尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。应有自由水表面和足够的底面积，以保证水锤波的充分反射； 调压室的工作必须是稳定的。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。结构安全可靠，施工简单方便，经济合理。6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专三、调压室的设置条件调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对于低水头电站，调压室的造价可能占整个引水系统造价的相当大的比例。是否设置调压室，应在机组过流系统调节保证计算和机组运行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统中的作用、地形及地质条件、压力管道的布置等因素，进行技术经济比较后加以确定。6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专三、调压室的设置条件1、上游调压室的设置条件(初步判定)用水流加速时间(也称为压力引水道的水流惯性时间常数)Tw来判断是否设置调压室Tw<2~4s时，可不设调压室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1.5-2s；当比重小于10%~20%时，可取3.5-5.0s；当比重在20-50%时，取2.5-3.5s。6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专三、调压室的设置条件2、下游调压室的设置条件以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：Lw—尾水道长度；Vw0—稳定运行时压力尾水道流速；Vwj—尾水管入口处流速；Zs—安装高程。最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时，尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地区应作高程修正(见规范)。6.1调压室的功用、要求及设置条件重庆电专6.2调压室的工作原理和基本方程重庆电专一、调压室的工作原理6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专一、调压室的工作原理调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流现象分为性质不同而又互相联系的两部分：一是压力管道的水击现象；另一个是“水库—引水道—调压室”的水位波动现象。6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专一、调压室的工作原理丢弃全负荷

流量变为0

压力管道中发生水锤

水流继续流入调压室

调压室水位升高

流速逐渐降低，直到为0，此时水位最高（最高涌波水位）

反向流动，水位下降

水位于水库持平时，水流惯性使得继续流向水库，直到流速=0

再次向下游流动，循环往复。由于存在摩擦损失，波动逐渐衰减，最后调压室水位稳定在水库水位。增加负荷，与其相反。（最低涌波水位）经常性的负荷变动

水位相应变动(为维持负荷保持不变)

流量相应变化

调压室水位进一步波动。6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专一、调压室的工作原理6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专一、调压室的工作原理管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失。调压室水位波动主要由于水体的往复运动引起，特点是振幅小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百秒甚至更长时间。调压室的水位波动有两种趋势，一种是逐渐衰减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该避免的。6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专一、调压室的工作原理研究调压室水位波动的目的：确定调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，以确定调压室的高度、布置高程和引水道的设计内水压力。根据水位波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面面积。6.2调压室的工作原理及基本方程重庆电专1．连续方程2．运动方程3．等功率方程二、调压室水位波动的基本方程6.2调压室的工作原理及基本方程引+调调压室水位波动过程中水轮机的功率不变()()()zhhHqQhhHQwmw0wmw---+=--g000g0重庆电专压力引水道长L断面积A1Q0时引水道压力线调压室断面A-Z+Z压力水管压力线0-Z+Z压力水管尾水渠厂房水库水库水位（静水位）重庆电专6.3调压室的布置方式和类型重庆电专一、调压室的布置方式1、上游调压室(引水调压室)位于厂房上游引水道上。适用：厂房上游有压引水道较长，应用最广泛。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专一、调压室的布置方式2、下游调压室(尾水调压室)位于厂房下游尾水洞上。适用尾水隧洞较长，需设置尾水调压室以减小水击压力，特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水击，尾水调压室应尽可能靠近厂房。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专一、调压室的布置方式(3)上下游双调压室系统当采用中部地下厂房时，上下游都有较长的压力水道，在厂房上下游均设置调压室。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专一、调压室的布置方式(4)上游双调压室系统适用于上游引水道较长情况。靠近厂房的调压室对反射水击波起主导作用，称为主调压室；另一调压室帮助衰减引水系统的波动，称为辅助调压室。水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型1、简单圆筒式调压室特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击波效果好。但(1)水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；(2)在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。为了克服

上述缺点，最好采用有连接管

的圆筒式调压室(下一类型）。适用：低水头、小流量电站。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型2、阻抗式调压室将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。特点：可以有效减小水位波动振幅，加快衰减速度，因而所需调压室的体积

小于圆筒式。同时，正常运行时水头损失小。由于阻抗的存在，水击波不能完全反射，压力引水道中可能受到水击的影响。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专根据水锤波的基本方程，可以推导出水锤波在分岔处的反射系数为：◆回顾：水锤波在分岔处的反射重庆电专二、调压室的基本类型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。丢弃负荷时，水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减小波动振幅。增加负荷时，

水位迅速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。上下室限制了水位波动的振幅，且反射水锤波效果较好。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。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型4、溢流式调压室由双室式调压室发展而成，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，有利于机组的稳定运行，溢出的水量，可以设上室加以储存，也可排至下游。适用：附近可经济安全布置泄水道6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型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，其底部以阻尼孔口与外室相通。正常运行时，外室与升管水位平齐。丢弃负荷时，在水位升降过程中，外室水位始终滞后升管水位的变化。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型5、差动式调压室（续）特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其断面积由波动稳定条件控制。差动式调压室所需容积较小，水位波动衰减得也较快。但其构造复杂，施工难度大，造价高。适用：地形和地质条件不允许大断面的中高水头水电站，我国采用较多。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专二、调压室的基本类型6、气垫式或半气垫式调压室在压力隧洞上靠近厂房的位置建造一个大洞室，室中一部分充水，另一部分充满高压空气。利用空气的压缩或膨胀，来减小水位涨落的幅度。若有一小的通气孔，称为半

气垫式调压室适用：表层地质条件不适于

建造常规调压室的情况或深

埋于地下的引水式地下水电

站。目前我国尚未采用。6.3调压室的布置方式和类型重庆电专6.3调压室的布置方式和类型气垫式与常规调压室的比较重庆电专第四节简单和阻抗调压室水位波动计算

调压室水位波动计算的目的：求出最高水位和最低水位及水位变化过程，从而确定调压室的顶部和底部高程及压力管道的进口高程。调压室水位波动计算的主要方法

解析法、差分法（数值积分法、图解法）、电算法解析法简单，可直接求出最高和最低水位，但公式推导过程中引入了各种假定，故精度较差，不能求出水位波动的全过程，在初步拟定调压尺寸时采用。重庆电专一、水位波动计算的解析法

(一)简单圆筒式调压室1、丢弃负荷情况当丢弃全部负荷以后，Q=0，连续方程变为：

A1V+AdZ/dt=0

如果考虑阻抗孔口的局部水头损失K，则动力方程变为

Z=hw+K+(L/g)dV/dt其中hw=αV2=hw0(V/V0)2,K=K0(Q/Q0)2=K0(V/V0)2重庆电专（1）最高水位计算(Zmax)式中

Xmax的符号在静水位以上为负，以下为正。为“引水道-调压室”系统特性系数。

实际应用时，由图6-5曲线A，根据X0查出Xmax，再算出Zmax重庆电专（2）波动第二振幅(Z2)——圆筒式要验算。丢弃负荷后，调压室中水位先升高到最高水位Zmax

。随后又降到最低幅值Z2，Z2称为第二振幅。式中

实际应用时，由图6-5曲线A，根据X0查出Xmax（为正）；再由Xmax，查曲线B，得到X2（为负）

，再算出Z2重庆电专2．增加负荷时的，最低涌波水位(Zmin)式中

实际应用时，由图6-6曲线，根据、查出。

为负荷系数为压力引水道——调压室系统特性重庆电专（二）阻抗式调压室1．丢弃负荷时的最高水位计算(Zmax)（1）计算阻抗孔水头损失为阻抗孔流量系数，初选时可取0.6-0.8为阻抗孔断面面积(2)最高涌波水位Zmax为全部流量通过阻抗孔时的水头损失重庆电专重庆电专（二）阻抗式调压室2．增加负荷时的最低涌波水位计算(Zmin)（1）计算条件（阻抗孔尺寸满足如下条件）(2)增加负荷时的最低涌波水位计算Zmin

实际应用时，根据、查下图曲线求取。重庆电专重庆电专二、水位波动计算差分法1、基本原理用差分代替基本方程中的微分，则连续方程和动力方程改写为：并进一步改写为：式中：重庆电专当Δt

选定以后，K,α,β都是已知数。计算基本假定：在时段Δt

中，调压室中的水位Z和引水道中的流速V保持不变。在时段末，水位Z和流速V发生突变。其精度与Δt

的大小有关，一般取:

Δt=T/(25~30)，T位波动周期，重庆电专2、简单调压室丢弃负荷的差分计算步骤选择Δt，求出K、α、β，以压力水道的V0代入ΔZ=K-αV

，求出第一时段末的调压室水位变化ΔZ1

。以ΔZ1=Z1-hw0，代入ΔV=β(Z1-hw0),求出第一时段末的压力引水道的流速变化量ΔV1。以V1=V0-ΔV1,代入ΔZ=K-αV

，求出第二时段末的调压室水位变化ΔZ2……。重庆电专第五节引水道-调压室系统的工作稳定性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；小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅度波动。当调压室水位波动影响水轮机水头时，为了维持水轮机功率不变，调速器将相应调节流量，又会激发调压室水位新的变化，从而导致两种结果：

动力不稳定：波动振幅随时间逐渐增大

动力稳定：波动振幅随时间逐渐衰减为一个常数。重庆电专1910年在德国汉堡水电站上曾发生过调压室波动的不稳定现象，托马首先进行了研究。基本假定：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；调速器能绝对保证水轮机出力为一常数；电站单独运行，机组效率保持不变；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、小波动稳定性重庆电专保证调压室稳定的两个条件上游调压室断面A大于临界断面（必要条件）：引水道和压力管道水头损失之和必须小于水电站静水头的1/3，即Ath—调压室波动稳定的临界面积，称托马稳定断面；在无连接管时用代替注：水电站水头愈低，要求的调压室断面积愈大。

重庆电专说明：

1、一般要求调压室断面大于托马断面，初步分析时可取(1.0～1.1)Ath

，作为调压室的设计断面。

2、稳定断面面积的计算公式亦适用于压力尾水道上单独设置的调压室，但需将压力引水道改为压力尾水道、压力管道改为尾水管后的延伸段的长度和断面面积及水头损失系数等数值，并且用重庆电专二、大波动稳定性如果调压室水位的波动幅值较大，则波动微分方程式不能认为是线性的了，因此托马条件不能直接应用于大波动，应该检验水位波动。研究表明，如小波动稳定不能保证，大波动必然不能衰减。为了保证大波动的稳定，一般要求调压室断面大于托马断面，初步分析时可取(1.0～1.1)Ath

，作为调压室的设计断面。 设计的最后阶段才用差分法检验调压室的大波动水位稳定性。重庆电专三、影响波动稳定的主要因素1、水电站水头的影响水电站水头越小，要求的稳定断面越大。中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式调压室。调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最低水头进行计算。重庆电专2、引水系统糙率的影响引水系统糙率愈小，水头损失系数α愈小，虽然H1=Hg-hw0-3hwm0随糙率的减小而增大，但其影响远比α小。因此，为了安全，计算Ath时应采用可能的最小糙率。重庆电专3、调压室位置的影响由H1=Hg-hw0-3hwm0可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，H1愈大，有利于水位波动的衰减。因此，调压室应尽量靠近厂房。重庆电专4、调压室底部流速水头的影响对引水道而言，流速水头的作用与水头损失相似，相当于加大了摩阻损失。但对水轮机来说，并不减小水电站的有效水头。调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用,稳定断面应修正。引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著重庆电专5、水轮机效率和调速器性能的影响前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率随着电站水头和流量的变化而变化。在低水头运行时，水轮机的效率变化对调压室水位波动衰减是不利的。通过调整调速器性能参数，可改善调压室运行的稳定性。水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。重庆电专6、电力系统的影响对于单独运行的水电站，当调压室内水位变化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力保持常数。如果水电站在系统中运行，则可由系统中各电站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流量变化的幅度。电站并网运行有利于波动稳定。重庆电专第六节调压室水力计算条件的选择调压室的水力计算内容应包括：由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。从安全的角度出发，应选择可能出现的最不利情况作为计算条件。重庆电专一、波动的稳定性计算工况

由公式可以看出：水头Hg按水电站在正常运行中可能出现的最小水头Hmin计算。上游的最低水位一般为死水位。糙率引水道应选用可能的最小糙率(使α值最小)，而压力管道则应选用可能的最大糙率。重庆电专二、最高涌波水位的计算工况

(1)设计工况按上库正常蓄水位时共用同一调压室的全部机组满载运行瞬时丢弃全部负荷（即流量由Qmax减至空转流量Qh(或Q=0)）作为设计工况。

(2)校核工况按上库校核洪水位时相应工况作校核工况。

(3)引水道的糙率：取可能的最小值。

(一）上游调压室最高涌波水位的计算工况

重庆电专二、最高涌波水位的计算工况

设计工况：厂房下游设计洪水位时及相应水位下共一调压室的机组由m-1台增加至m台或全部机组由2/3负荷突增至满载的工况。

校核工况：厂房下游校核洪水位时相应工况，并复核设计洪水位时全部机组瞬时丢弃全负荷的第二振幅。

糙率：压力尾水道应采用可