10第十章调压室剖析

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1、黑龙江大学水利电力学院,第十章 调压室,10.1 调压室的功用及其工作原理 10.2 调压室的设置条件及位置选择 10.3 调压室的布置方式及基本类型 10.4 调压室水位波动计算 10.5 调压室水位波动的稳定问题 10.6 调压室水力计算条件 10.7 尾水调压室的水力计算 10.8 调压室结构设计,黑龙江大学水利电力学院,问题：为什么设置调压室？,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,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

2、段为压力引水道，下游段为压力管道。,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,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,黑龙江大学水利电力学院,黑龙江大学水利电力学院,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。,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室的工作原理,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室的工作原理,

3、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。,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、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。 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(负荷保持不变) 流量相应变化调压

4、室水位波动。,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室的工作原理,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室的工作原理,管道水锤过程是水锤波的传播，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。,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,二、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

5、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。,10.1 调压室的功用及其工作原理,黑龙江大学水利电力学院,一、调压室的设置条件,(一)设计要求： 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。,10.2 调压室的设置条件及位置选择,黑龙江大学水利电力学院,一、调压室的设置条件,调压室一般尺寸较大，投资较

6、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。,10.2 调压室的设置条件及位置选择,黑龙江大学水利电力学院,一、调压室的设置条件,(二)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时间常数)Tw来判断是否设置调压室 Tw24s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，取小值(2s)；当比重小于10%20%时，可取大值。,10.

7、2 调压室的设置条件及位置选择,黑龙江大学水利电力学院,一、调压室的设置条件,(三)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稳定运行时尾水管流速；Vwj尾水管入口处流速； 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)。,10.2 调压室的设置条件及位置选择,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室位置的选择,应根据压力管道的地形、地质条件与厂房的位置统一考虑。 应尽可能靠近厂房，以减小压力管道与水轮机的水锤压力。 调压室位置宜设在地下，节省投资。 调压室距厂房较劲，且多

8、设在临近山坡处，宜避开不利的地质条件，以减轻电站运行后渗水对围岩及边坡稳定的不利影响，以免由于地下水位的改变，导致围岩失稳坍滑。,10.2 调压室的设置条件及位置选择,黑龙江大学水利电力学院,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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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锤压力，特别是防止丢弃负荷时产生过大的负水锤，尾水调压室应尽可能靠近厂房。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江

9、大学水利电力学院,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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,二、调压室的基本类型,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,二

10、、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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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。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，

11、压力引水 道中可能受到水击的影响。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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，

12、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,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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

13、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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,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。 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。,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学水利电力学院,气垫式与常规调压室的比较,10.3 调压室的布置方式及类型,黑龙江大学

14、水利电力学院,1连续方程 2运动方程 3等出力方程,调压室水位波动的基本方程,10.4 调压室水位波动计算,黑龙江大学水利电力学院,调压室水位波动计算的目的,10.4 调压室水位波动计算,调压室水位波动计算的目的： 决定调压室的尺寸和水位波动的周期及衰减程度。 1、计算最高涌波水位，以确定调压室的顶部高程； 2、计算最低涌波水位，以确定调压室底部和压力管道进口的高程； 3、求解水位波动的全过程。 计算方法： 1、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，在初步拟定调压室尺寸时采用。 2、逐步积分法(差分法)：图解法、列表法。

15、3、电算法：将调压室、压力管道、水轮机联合计算。,黑龙江大学水利电力学院,一、水位波动计算的解析法,(一)丢弃负荷情况 1最高涌波水位计算(Zmax) 当丢弃全部负荷以后，Q=0， 连续方程变为： fV+FdZ/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=V2=hw0(V/V0)2，K=K0(Q/Q0)2=K0(V/V0)2,10.4 调压室水位波动计算,黑龙江大学水利电力学院,一、水位波动计算的解析法,(一)丢弃负荷情况 1最高水位计算(Zmax) (1) 阻抗式调压室(阻抗系数为),(2) 圆筒式调压室(=0),10.4 调压

16、室水位波动计算,一、水位波动计算的解析法,黑龙江大学水利电力学院,式中 Xmax的符号在静水位以上为负，在静水位以下为正。 为“引水道-调压室”系统特性系数。,一、水位波动计算的解析法,10.4 调压室水位波动计算,一、水位波动计算的解析法,黑龙江大学水利电力学院,一、水位波动计算的解析法,2波动第二振幅(Z2) 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。 对于圆筒式调压室，=0时 式中,10.4 调压室水位波动计算,一、水位波动计算的解析法,黑龙江大学水利电力学院,一、水位波动计算的解析法,(二)增加负荷情况 当上游为最低水位时，由部分负荷增加至最大负荷时所产生的水位波动的最大降低值，由波动微分方程不能进行直接积分，只能在某些假定下求近似解。 设水电站的流量由mQ0增加到Q0(m1，称为负荷系数),10.4 调压室水位波动计算,一、水位波动计算的解析法,黑龙江大学水利电力学院,一、水位波动计算的解析法,对圆筒式调压室： 按照Vogt(福格特)公式计算Zm