调压室讲义

第十章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，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。(为什么要设置调压室？)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。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)。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。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。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。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惯性时间常数)Tw来判断是否设置调压室Tw1.5~6.5s时，可不设调压室。L—压力管道的长度，包括机组的蜗壳、尾水管，m；V—压力管道中水流的平均流速，m/s；g—重力加速度；H—电站设计水头，m。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—压力尾水道长度，m；实际长度大于Lw时设。Ts—水轮机导叶关闭时间，s；Vw0—稳定运行时尾水管平均流速，m/s；Vwj—尾水管入口处流速，m/s；▽—安装高程，m；Hs—吸出高度，m。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)。gHVLTiiw)29008(520swjwswHgvvTL第二节调压室的水位波动及基本方程一、调压室的水位波动现象研究水位波动现象的目的是确定调压室的断面尺寸及顶部和底部高程。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分为性质不同而又互相联系的两部分：压力管道的水锤和“水库—引水道—调压室”的水流波动。1.水电站丢弃负荷时调压室内的水位波动现象丢弃全负荷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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。由于摩擦损失，这种波动逐渐减弱，最终调压室的水位稳定在静水位。从以上讨论可知，当水库为最高水位，丢弃全部负荷时，调压室内的水位会达到最大值。2.水电站增加负荷时调压室内的水位波动现象增加负荷，与丢弃负荷时相反。水库的水位为最低水位，引用流量由0增加到Q，水轮机需要的流量先有调压室供给，室中水位开始下降引水道首末端的水位差增大引水道中流速增大，降到最低水位时，流量超过水轮机的引用流量多余的水量储存于调压室调压室水位升高流速逐渐降低流量减小，小于电站引用流量时调压室水位下降。经过多次波动，水位最终趋于相应于流量Q的调压室水位。从以上讨论可知，当水库为最低水位，增加负荷时，调压室内的水位会达到最小值。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。3.水电站正常运行时，调压室内的水位波动水电站正常运行时，经常性的负荷变动压力管道中的流量不断变化调压室水位产生相应变动水电站水头变化机组不断调整Q以保证出力N不变流量相应变化调压室水位波动。与前两种情况相比，变幅小，称之为小波动。小波动的结果：1）波动的振幅越来越小，是周期衰减的，最终达到新的平衡—调压室的工作是稳定的。2）波动的振幅逐渐增大--调压室的工作是不稳定的。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。二、调压室水位波动的基本方程1．调压室水力计算的基本假定1）所研究的时段内，水库的水位不发生变化；2）当水电站由某一出力过渡到新的出力时，忽略机组效率的变化；3）忽略水体和管壁的弹性；4)忽略调压室中的摩擦水头损失；5)引水道的水头损失与稳定流时相同；6)引水道的断面面积不随长度变化。2.基本方程式1）连续方程水轮机在任何时刻所需流量Q由两部分组成：引水道流来的流量和调压室供给的流量。2）运动方程(由牛顿第二定律推导)L为引水道长度；hw为引水道的水头损失。3）等出力方程微小的水位波动出力变化调速器保持出力不变。当水轮机的水头和流量变化不大时，可以认为机组的效率保持不变。hw0、hwm0——引水管道、压力管道通过流量为Q0时的水头损失；第三节调压室的布置方式和类型一、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。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。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。dtdZFfVQdtdVgLhZwzhhHqQhhHQwmwwmw0000004.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。二、调压室的基本类型1.简单式调压室特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。为了克服上述缺点，可采用有连接管的圆筒式调压室。适用：低水头小流量电站。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。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。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。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。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。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。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，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.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。适用：表层地质条件不适于建造常规调压室的情况下深埋于地下的引水式地下水电站。目前我国尚未采用。气垫式与常规调压室的比较