11、调压室

第十章 调 压 室

第十章 调 压 室 ....................................................................................................................................................................... 1

第一节 调压室的功用、要求及设置条件 ...................................................................................................................... 1

一、 调压室的功用 ............................................................................................................................................. 2 二、调压室的基本要求 .............................................................................................................................................. 3 三、调压室的设置条件 .............................................................................................................................................. 3 第二节 调压室的工作原理及基本方程 .......................................................................................................................... 5

一、调压室的工作原理 .............................................................................................................................................. 5 二、调压室水位波动的基本方程 .............................................................................................................................. 6 第三节 调压室的布置方式和类型 ................................................................................................................................... 7

第四节 调压室水位波动计算的解析法 ................................................................................................................. 13 第六节 调压室水位波动的稳定问题 ............................................................................................................................. 17

第七节 调压室水力计算条件 .................................................................................................................................. 21

重点： 调压室的作用及设置条件、布置形式和基本结构类型；调压室水位波动的解析方法，调压室水位波动的稳定问题和调压室的水力计算条件。

第一节 调压室的功用、要求及设置条件

Blakely Mountain Dam

一、 调压室的功用

在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水击压力，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：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。调压室的功用可归纳为以下三点：

(1) 反射水击波。基本上避免了（或减小）压力管道传来的水击波进入压力引水道。

(2) 减小水击压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度

(3) 改善机组在负荷变化时的运行条件。

二、调压室的基本要求

根据其功用，调压室应满足以下基本要求：

(1) 调压室尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。

(2) 调压室应有自由水表面和足够的底面积，以保证水击波的充分反射；

(3) 调压室的工作必须是稳定的。在负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减，达到新的稳定状态；

(4) 正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。为此调压室底部和压力管道连接处应具有较小的断面积。

(5) 结构安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。

三、调压室的设置条件

调压室是改善有压引水系统、水电站运行条件的一种可靠措施。但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。因此是否设置调压室，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

初步分析时，可用水流加速时间(也可称为压力引水道的时间常数)Tw来判断，设置上游调压室的条件：

TwLVTiigHpw

Tw的物理意义：在水头Hp作用下，不计水头损失时，管道内水流速度从0增大到V所需的时间。显然，Tw越大，水击压力的相对值也越大，对机组调节过程的影响也越大。

[Tw ]——Tw的允许值，一般取2~4s。[Tw]的取值与电站出力在电力系统中占的比重

有关。我国的调压室设计规范规定：

(1) 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)；

(2) 当比重小于10%~20%时，可取大值。

2．下游调压室的设置条件

尾水调压室的功用是缩短尾水道的长度，减小甩负荷时尾水管中的真空度，防止水柱分离。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，判别条件为：

25TsvwjLw(8Hs)v9002gw0

式中：Lw——压力尾水道的长度，m；

Vw0——稳定运行时尾水管的流速，m/s；

Vwj——尾水管入口处的流速，m/s；

▽——机组安装高程，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。

第二节 调压室的工作原理及基本方程

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”的水流波动现象。

引水道—调压室系统中的水位波动现象与压力管道中产生的水击波动性质有很大的差别。调压室的水位波动主要是由于水体的往复运动引起，其特点是振幅小、变化慢、周期长。而管道水击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，而前者往往长达几十秒到几百秒甚至更长。

二、调压室水位波动的基本方程

1．连续方程

水轮机在任何时刻所需的流量Q由两部分组成：引水道流来的流量和调压室供给的流量。

dZdt

QfVF2．运动方程

LdVgdt

Zhw

式中L——为引水道的长度；hw——为引水道通过流量Q时的水头损失。

3．等出力方程

由于调压室中水位波动引起水轮机水头和出力的变化，而机组的负荷未变，因此水轮机的调速系统必须随着水头的变化改变其引用流量，以适应负荷不变的要求。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。

Q0H0hw0hwm0Q0qH0hwhwmz

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、基本布置方式

根据调压室与厂房相对位置不同，调压室的布置有四种基本方式：

(1) 上游调压室（引水调压室）

调压室位于厂房上游的引水道上。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）

调压室位于厂房下游的尾水洞上。适用：尾水隧洞较长，需设置尾水调压室以减小水击压力，特别是防止在丢弃负荷时产生过大的负水击，尾水调压室应尽可能靠近水轮机。

尾水调压室水位变化过程与上游调压室相似，但变化方向相反。

(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，为减小水击压力，改善机组运行条件，在厂房的上下游均设置调压室而成为双调压室系统。

(4) 上游双调压室系统

当上游引水道较长，也有设置两个调压室。

靠近厂房的调压室对于反射水击波起主导作用，称为主调压室；靠近上游的调压室用来帮助衰减引水系统的波动，降低主调压室的高度，称为辅助调压室。引水系统水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室断面可以减小另一个调压室的断面，但两个调压室的断面之和总是大于只设一个调压室的断面积。

二、调压室的基本类型

调压室的结构类型

(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：低水头小流量的水电站。

(2) 阻抗式调压室

将圆筒式调压室的底部，用较小断面的短管或用较小孔口的隔板与隧洞及压力管道连接起来，这种孔口或隔板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。

特点：进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了一部分能量，可以有效地减小水位波动的振幅，加快了衰减速度，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。

上室供丢弃负荷时储水用，一般在最高净水位以上，在正常运行时是空的。下室在正常运行时充满水，供增加负荷时补给水量用，应在调压室中最低静水位以下。竖井是用来连接上下室和引水道与压力管道的。刚丢弃负荷时， 由于竖井断面较小，水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升的速度放慢，从而减小波动振幅。当增加负荷时，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

溢流式调压室顶部设有溢流堰。

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，在我国采用较多。

(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。利用调压室中的空气压缩或膨胀，来减小水位涨落的幅度。

适用：深埋于地下的引水道式地下水电站。目前我国尚未采用。

圆筒式调压室 双室式

阻抗式调压室

溢流式

差动式 气垫式

第四节 调压室水位波动计算的解析法

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。

解析法较简单，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。

曲线1正常高水位死水位Zm曲线2ZnVfLZ

一、丢弃全负荷情况

1．最高水位计算(Zm)

(1) 阻抗式调压室(阻抗系数为η)

ln[1(1)xm](1)xmln[1(1)x0](1)x0

(2) 圆筒式调压室(η=0)

x0ln(1xm)xm

式中

x0hw0ZxmmS，S； xm的符号在静水位以上为负，在静水位以下为正。

LfV02S2gFhw0 ，用以表示“引水道-调压室”系统的特性系数。

2. 丢弃全负荷后波动第二振幅计算(Z2)

丢弃负荷后，调压室中水位先是升高到最高水位Zm 。随后又降到最低幅值Z2，Z2称为第二振幅。

ln1(1)xm(1)xmln1(1)x2(1)x2

对于圆筒式调压室，η=0时：

ln(1xm)ln(1x2)x2

式中：

x2Z2S，Z2Sx2。

二、增加负荷时的最低涌波水位

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(m<1，称为负荷系数)，

(1) 圆筒式调压室：按照Vogt(福格特)公式计算Zmin：

Zminhw01(0.275m0.05/0.9)(1m)(1m/0.62)

LfV022S2gFhhw0为无因次系数，表示“引水道—调压室”系统特性。 w0式中

(2) 阻抗式调压室：用查图表的方法求解，根据ε和m值由图查得增加全负荷情况。

Zminhw0，m=0相当于

注：(1) 所求得的Z2和Zmin，取其大值(绝对值)作为调压室的最低涌波水位；

(2) 调压室水位波动解析法是根据水流的连续方程和动力方程及特定的边界条件所求

得的特解和近似解，不适用于所有型式的调压室和所有工况，只适用于圆筒式和阻抗式调压室丢弃全部负荷情况。

第五节 调压室水位波动的差分法计算

差分法是建立在逐步积分的基础上的，其计算结果较精确，可以求出整个波动过程，是在已经拟定调压室尺寸的基础上进行的计算，一般用于最后设计阶段。适用于各种类型的调压室，是设计中常用的方法。本节主要以圆筒式调压室为例说明差分法的原理。

一、基本原理

dZVdVZ将基本方程中导数dt和dt用有限差的比值t和t代替，则连续方程和动力方程变

为：

LVZzhwgt t；

QfvF移项后得

ZQfVgttV(Zhw)tFFL ；

令

AQfgt,t,tFFL，代入上面二式得：

ZAV (1)

V(Zhw) (2)

LV2V2V2hw2CR2g2g，包括从进水口到调压室的全部沿程损失、全部的局部水头损失

损失、调压室底部流速水头损失。式中C及R分别为引水道的谢才系数及水力半径。

计算时段△t选定后，A，α，β均为已知数。△t的选择关系到计算结果的精度。通常取

2LFTTT2t~gf。 2530，T为水位波动的理论周期，可近似取为：

二、差分计算的基本假定

(1) 由于△t很小，所以假定在△t的过程中，调压室水位Z和引水道流速V保持不变，而在时段末发生突变，即Z和V为阶梯式变化。

(2) 在一个时段△t内，规定流速V和水位Z采用起始瞬时的数值计算。

三、计算步骤

确定计算情况，选择△t，求出A、α、β，以引水道的V0代入公式(1)，可求出第一时段末的调压室水位变量△Z1；以△Z1= Z1－hw0代入(2)，求出第一时段引水道的流速变量△

V1，令V1＝V0－△V1代入(1)，可可求出第二时段末的调压室水位变量△Z2，再由(2)求出第

二时段引水道的流速变量△V2。以此类推下去，可求出调压室整个波动过程。

上述步骤可通过计算程序由计算机完成，也可图解进行。

第六节 调压室水位波动的稳定问题

调压室在任何工作情况下都应保证水位波动是逐渐衰减的，即称为稳定的。

水电站在正常运行中除有大的负荷变化外，也经常不断地发生较小的负荷变化，从而使调压室内水位产生很小的水位波动。由于调压室断面面积和引水道长度等因素的不同，这种波动可能出现二种情况：一种是波动发生后周期性或非周期性地衰减下去，调压室内随之达到新的稳定水位而 不再波动。另一种是在发生小波动后，振幅不是衰减而是逐渐增大，引起机组工作的不稳定，这种现象称为调压室工作情况的不稳定现象，设计调压室时应避免这种情况。因此必须研究调压室水位波动的稳定条件及改善波动稳定途径。

一、 小波动稳定断面的计算公式

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；另一种是小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅度波动。

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：

(1) 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；

(2) 调速器能绝对保证水轮机的出力为一常数；

(3) 电站单独运行，机组效率保持不变；

(4) 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。

据此托马教授通过理论推导提出了保证微小波动振幅逐渐衰减的稳定条件：

(1) 保证波动稳定衰减的一个必要条件是调压室断面F大于临界断面Fk：

Lf2g(H0hw03hwm0)

FFkFk——表示调压室波动稳定的临界面积，通常称托马稳定断面；

Lc2R，ξ为引水道水头损失系数。

注：水电站水头愈低，要求的调压室断面积愈大。

(2) 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

1H03

hw0hwm0实际工程中，水头损失占总水头的比重是很小的，这一条件通常均能满足。

二、 波动稳定条件分析

托马稳定条件是在一些假定的基础上推导出来的，应用时必须根据水电站的情况作某些修正。

(一) 大波动的稳定条件

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。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.l) Fk，作为调压室的设计断面。

设计时只有最后阶段才检验调压室的大波动的稳定性。

(二) 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，它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。

引水道的直径越大，长度越短，流速水头的影响也越显著。

调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的

(三) 水轮机效率的影响

在前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率是随着水头和流量的变化而变化的。

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。

(四) 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，则可由系统中的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，有助于调压室水位波动的稳定。

电站并网运行有利于波动稳定。

第七节 调压室水力计算条件

调压室的基本尺寸是由水力计算来确定的，其内容应包括：

(1) 由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；

(2) 计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；

(3) 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。

一、 水位波动的稳定性计算

Lf2g(H0hw03hwm0)由公式

Fk 可以看出：

1．水头H0

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。

2．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。

二、最高涌波水位的计算

1．上游水库水位：取正常发电可能出现的最高水位，一般按设计洪水位计算。

2．引水道的糙率：取可能的最小值。

3．计算工况：一般按丢弃全负荷考虑。即流量由Qmax减至空转流量Qxx(Q=0)

三、最低涌波水位的计算

1．上游水库水位：取可能的最低水位。

2．引水道糙率： 取可能的最大值。

3．计算工况：

(1) 在初步设计阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运行，而最后一台机组投入运

行的情况作为设计工况，但最后加入的容量应不小于电站总容量的1/3。

(2) 对于一般的调压室，还应计算在最低库水位下丢弃全负荷后水位波动的第二振幅，以检验其是否低于增荷时的最低涌波水位。

注：在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在系统中的工况，经专门研究确定