第二节调压室的工作原理和基本方程

第二节调压室的工作原理和基本方程一、调压室的工作原理水电站在运行时负荷会经常发生变化。负荷变化时，机组就需要相应地改变引用流量，从而在引水系统中引起非恒定流现象。压力管道中的非恒定流现象（即水锤现象）在上一章中已经加以讨论。引用流量的变化，在“引水道-调压室”系统中亦将引起非恒定流现象，这正是本节要加以讨论的。图13-5为一具有调压室的引水系统。当水电站以某一固定出力运行时，水轮机引用的流量亦保持不变，因此通过整个引水系统的流量均为，调压室的稳定水位比上游水位低，为通过引水道时所造成的水头损失。当电站丢弃全负荷时，水轮机的流量由变为零，压力管道中发生水锤现象，压力管道的水流经过一个短暂的时间后就停止流动。此时，引水道中的水流由于惯性作用仍继续，流向调压室，引起调压室水位升高，使引水道始末两端的水位差随之减小，因而其中的流速也逐渐减慢。当调压室的水位达到水库水位时，引水道始末两端的水位差等于零，但其中水流由于惯性作用仍继续流向调压室，使调压室水位继续升高直至引水道中的流速等于零为止，此时调压室水位达到最高点。因为这时调压室的水位高于水库水位，在引水道的始末又形成了新的水位差，所以水又向水库流去，即形成了相反方向的流动，调压室中水位开始下降。当调压室中水位达到库水位时，引水道始末两端的压力差又等于零，但这时流速不等于零，由于惯性作用，水位继续下降，直至引水道流速减到零为止，此时调压室水位降低到最低点。此后引水道中的水流又开始流向调压室，调压室水位又开始回升。这样，引水道和调压室中的水体往复波动。由于摩阻的存在，运动水体的能量被逐渐消耗，因此，波动逐渐衰减，最后全部能量被消耗掉，调压室水位稳定在水库水位。调压室水位波动过程见图13-5中右上方的一条水位变化过程线。当水电站增加负荷时，水轮机引用流量加大，引水道中的水流由于惯性作用，尚不能立即满足负荷变化的需要，调压室需首先放出一部分水量，从而引起调压室水位下降，这样室库间形成新的水位差，使引水道的水流加速流向调压室。当调压室中水位达到最低点时，引水道的流量等于水轮机的流量，但因室库间水位差较大，隧洞流量继续增加，并超过水轮机的需要，因而调压室水位又开始回升，达最高点后又开始下降，这样就形成了调压室水位的上下波动，由于能量的消耗，波动逐渐衰减，最后稳定在一个新的水位，此水位与库水位之差为引水道通过水轮机引用流量的水头损失。水位变化过程见图13-5中右下方的一条水位变化过程线。从以上的讨论可知，“引水道一调压室”系统非恒定流的特点是大量水体的往复运动，其周期较长，伴随着水体运动有不大的和较为缓慢的压力变化。这些特点与水锤不同。在一般情祝下，当调压室水位达到最高或最低点之前，水锤压力早已大大衰减甚至消失，两者的最大值不会同时出现，因此在初步估算时可将两者分开计算，取其大者。但在有些情况下，如调压室底部的压力变化较快（如阻抗式或差动式调压室）或水轮机的调节时间较长（如设有减压阀或折流板等），这时水锤压力虽小，但延续时间长，则需进行调压室波动和水锤的联合计算，或将两者的过程线分别求出，按时间叠加，求出各点的最大压力。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的大小，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，因此调压室的水位波动，可能有两种情况：一种是逐步衰减的，波动的振幅随时间而减小；另一种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，产生这种现象的调压室其工作是不稳定的，在设计调压室时应予避免。因此，研究调压室水位波动的目的主要是：(1)求出调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，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、调压室的基本方程图15-1为一具有调压室的有压引水系统示意图。当水轮机引用流量Q固定不变时，隧洞中的水流为恒定流，通过隧洞的流量即为水轮机引用流量，此时隧洞中的流速V和调压室中的水位Z均为固定的常数。图15-1有压引水系统示意图当水轮机引用流量Q发生变化时，调压室中水位及隧洞中流速均将发生变化，引水道中的流速V和调压室的水位Z均为时间t的函数。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，此处F为调压室的断面积，dZ/dt为调压室水位下降速度。由此得水流的连续性方程式中Z以水库水位为基准，向下为正。在引水道内为非恒定流的情况下，如果不考虑引水道和水的弹性变形及调压室中的水体惯性，设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，即由此得出水流的动力方程调压室的微小水位波动将引起水轮机水头的变化，从而引起水轮机出力的变化，而机组的负荷不变，因此调速器必须随着水头的变化相应地改变水轮机的流量，以适应负荷不变的要求。如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,此时压力管道的水头损失为，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。由此得等出力方程式中-压力管道通过流量时的水头损失值；-引水道通过流量时的水头损失值。式（15-3)、式(15-4)和式(15-5)是进行调压室水力计算的基本方程式。