第十章

調壓室第一節

調壓室的功用、要求及設置條件拉西瓦電站發電引水系統一、

調壓室的功用(1)

反射水錘波。基本上避免了（或減小）壓力管道傳來的水錘波進入壓力引水道。(2)

減小水錘壓力（壓力管道及廠房過水部分）。縮短了壓力管道的長度。(3)

改善機組在負荷變化時的運行條件及系統供電質量。

二、對調壓室的基本要求

（1）調壓室的應盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。（2）能較充分地反射壓力管道傳來的水錘波。（3）調壓室的工作必須是穩定的。（4）正常運行時，水頭損失要小。為此調壓室底部和壓力管道連接處應具有較小的斷面積，以減小水流通過調壓室底部的水頭損失。（5）工程安全可靠，施工簡單方便，造價經濟合理。

三、設置調壓室的條件

1.初步判別是否需要設置上游調壓室的近似準則：

Tw（壓力水道的慣性時間常數）的物理意義：在設計水頭H作用下，不計水頭損失時，管道內水流速度從0增大到V所需的時間。顯然，Tw越大，水錘壓力的相對值也越大。Tw的允許值，一般取2～4s。我國的調壓室設計規范規定：(1)當水電站單獨運行時，或機組在電力系統中所占的比例超過50%時，取小值2s；(2)當比重小于10%~20%時，可取大值。計算時，采用的流量與水頭應為相互對應值，即采用最大流量時，應用與之相對應的額定水頭；若采用最小水頭，應用與之相對應的流量。

2．下游調壓室的設置條件在有壓尾水道中，為了減小甩負荷時尾水管中的真空度，避免水輪機停機時連續水流的間斷，防止水柱分離，不設尾水調壓室的尾水道的臨界長度可按下式初步確定:Lw:壓力尾水道的長度m；V:穩定運行時尾水管的流速m/s；V

d:尾水管入口處的流速m/s；▽：水輪機安裝高程第二節調壓室的工作原理

和基本方程

一、調壓室的工作原理

一.工作原理結論（1）“引水道一調壓室”系統非恒定流的特點：大量水體的往復運動，其周期較長，質量波動，Z（t），V(t)。水錘是壓力波動。（2）在增加負荷或丟棄部分負荷后，電站繼續運行，調壓室水位的變化影響發電水頭，調速器為了維持恒定的出力，隨調壓室水位的升高和降低，將相應地減小和增大水輪機流量，這進一步激發調壓室水位的變化，可能是波動的振幅不衰減甚至隨時間而增大，成為不穩定的波動。

研究調壓室水位波動的目的：（1）求出調壓室中可能出現的最高Zmax和最低涌波水位Zmin及其變化過程，從而決定調壓室的高度和引水道的設計內水壓力及布置高程。（2）根據波動穩定的要求，確定調壓室所需的最小斷面積。

二、調壓室的基本方程

1．連續方程根據水流連續性定律，水輪機在任何時刻所需要的流量Q系由兩部分組成：來自引水道的流量fV和調壓室流出的流量FdZ/dt

連續方程：（10-3）2．運動方程

在非恒定流的情況下，不考慮引水道和水的彈性變形及調壓室中的水體慣性，設hw為引水道中通過流量Q時的水頭損失，Z為調壓室中瞬時水位與靜水位的差值，根據牛頓第二定律，引水道中水體質量與其加速度的乘積等于該水體所受的力，即：

（10-4）

3．等出力方程調壓室水位發生一微小變化x，調速器使水輪機的流量相應地改變一微小數值q，以維持出力不變，壓力管道的水頭損失為hwm，由此得等式：

當水輪機的水頭和流量變化不大時，可近似地假定效率保持不變，即等出力方程為：

第三節調壓室的基本類型

一、調壓室的基本布置方式

1、上游調壓室（引水調壓室）2、下游調壓室（尾水調壓室）3、上下游雙調壓室系統4、上游雙調壓室系統

二、調壓室的基本結構型式

1、簡單式調壓室

特點：斷面尺寸不變，結構簡單，反射水錘波效果好。但水位波動振幅較大，衰減較慢，調壓室的容積較大；在正常運行時，引水系統與調壓室連接處水力損失較大。適用：低水頭小流量的水電站。

2、阻抗式調壓室

圓筒式調壓室的底部，用較小斷面短管或較小孔口的隔板與隧洞及壓力管道相連，這種孔口或隔板相當于局部阻力。特點：進出調壓室的水流在阻抗孔口處消耗了一部分能量，有效地減小水位波動的振幅，加快了衰減速度，所需調壓室的體積小于圓筒式。正常運行時水頭損失小。但水錘波不能完全反射。

3.雙室式調壓室特點：雙室式調壓室是由一個豎井和上下兩個儲水室組成。上室的底部高程由水庫最高水位控制，下室的頂部高程由水庫的死水位控制。適用：水頭較高，要求的穩定斷面較小，水庫水位變化比較大的水電站。

4.溢流式調壓室溢流式調壓室頂部設有溢流堰。當丟棄負荷時，調壓室的水位迅速上升，達到溢流堰頂后開始溢流，限制了水位的進一步升高。

5.差動式調壓室由兩個直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。特點：外室直徑較大，起盛水及保證穩定的作用。所需容積較小，水位波動衰減得也較快。但其構造復雜，施工難度大，造價高。

(6)氣墊式調壓室第四節簡單式和阻抗式調壓室的水位波動計算一、水位波動計算的解析法

（一）丟棄全負荷情況當丟棄全負荷后，水輪機的流量Q=0，連續方程式變為:

（10-6）在水流進出調壓室時，如考慮由于轉彎、收縮和擴散引起的阻抗孔口水頭損失K，則動力方程式變為(10-7)

令：η=K0/hw0，代入（10-7）得：

（10-8）將代入（10-6）并與（10-8）消去dt得：

令：X=Z/S，X0=hwo/S，以下的數學變換……1.最高水位的計算：阻抗式：簡單式：η=0

試算或圖解。（10-13）

簡單式：X0→Xm→Zm2.波動第二振幅的計算阻抗式：簡單式η=0（10-15）

求出Xm，即可求出第二振幅的試算或查曲線。Xm為負，X2為正

（二）增加負荷情況當突然增加負荷時，波動微分方程式不能像丟棄全負荷那樣進行積分，只能作某些假定求出近似解。

簡單式：水電站的流量由mQ0→Q0

（10-16）無因次系數：簡單調壓室增加負荷

最低振幅計算曲線εZmin/hw0第六節“引水道—調壓室”系統的工作穩定性

一、波動的穩定性

問題的提出：調壓室在運行過程中，可將水位波動分為兩種類型：大波動，即電站發生大幅度的負荷變化，調壓室中將發生較大的水位波動；另一種是小波動，即電站微小的負荷變化所造成的水位小幅度波動。

（發生較小的負荷變化）調壓室的波動可能有兩種：一種是動力不穩定的，這種波動的振幅隨著時間逐漸增大；一種是動力穩定的，波動的振幅最后趨近于一個常數，成為一個持續的穩定周期波動，它的一個極限情況是波動的振幅最后趨近于零，而成為一個衰減的波動。在設計調壓室時，只一般地要求波動穩定是不夠的，必須要求波動是衰減的。

調壓室波動的不穩定現象，首先發現于1910年德國漢堡水電站，促使托馬進行研究，基本假定：(1)波動為無限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；(2)調速器能絕對保證水輪機的出力為一常數；(3)電站單獨運行，機組效率保持不變；(4)調壓室與引水道直接連接，因而可不考慮調壓室底部流速水頭的影響。

（一）小波動穩定斷面的計算公式調壓室水位發生一微小變化x，調速器使水輪機相應地改變一微小的流量q。當流量為Q0+q時，若略去高次微量(q/Q0)2，則壓力水管的水頭損失：代入等出力方程，略去高階微量化簡后得：

（10-36）

當引用流量Q0由變為Q0+q時，引水道流速由V0變為V0+y，連續方程變為：Q0+q=f(V0+y)+Fdz/dt(10-38)又有：（10-39）三個微小量q、x、y，還得想法用動力方程：V=V0+y，由（10-39）得全部代入動力方程，得“引水道—調壓室”系統在無限小擾動下的運動微分方程式：式中：

（10-43）運動微分方程式(10-43)代表一個有阻尼的自由振動。討論：（1）阻尼為零，即n=0，波動永不衰減，成為持續的周期性波動。這時如不計水頭損失，丟棄全負荷后的波動振幅和周期分別為：

實際上阻尼總是存在的。

（2）

若n<0，波動隨時間增強，因此是不穩定的（擴散的）。（3）若n>0，波動是衰減的。為了使“引水道—調壓室”系統的波動在任何情況下都是衰減的，其必要和充分條件是n>0和P2>0。

根據n＞0得：F＞

（10-49）上式指出，波動衰減的條件之一是調壓室的斷面積必須大于某一數值，令：Fk為波動衰減的臨界斷面，通常稱為托馬斷面。

根據P2>0得（10-51）條件之二：

上式指出，為了保證波動衰減，引水道和壓力水管水頭損失之和要小于靜水頭H0的1/3。由于水頭損失過大時極不經濟，故此條件一般均可滿足。

（二）大波動的穩定性

當調壓室的水位波動振幅較大時，不能再近似地認為波動是線性的。因此，托馬條件不能直接應用在大波動。非線性波動的穩定問題是一個困難問題，目前還沒有可供應用的嚴格的理論解答。

研究證明，如小波動的穩定性不能保證，則大波動必然不能衰減。為了保證大波動衰減，調壓室的斷面必須大于臨界斷面，并有一定的安全余量，一般乘以1.05～1.1，目前偏向于采用較小的數字。

二、影響波動穩定的主要因素

在以上推導中，引入了以下基本假定：波動是無限小的；電站單獨運行，不受其他電站影響；調速器嚴格地保待出力為常數；機組的效率保持不變等等。這些假定沒有一個不是近似的。在設計調壓室時，不能滿足于簡單地運用某一理論，重要的是對各種因素的具休分析。下面我們分別討論影響調壓室波動穩定的一些主要因素。

1.水電站水頭的影響

從式可以看出，水電站的水頭愈小，要求的穩定斷面愈大。因此，中低水頭水電站多采用簡單式或阻抗式調壓室；在高水頭水電站中，要求的穩定斷面較小，常受波動振幅控制，多采用雙室式調壓室。

調壓室的穩定斷面應采用水電站在正常運行時可能出現的最低水頭進行計算。

2.引水系統中糙率的影響

引水系統的糙率愈大，水頭損失系數α愈大，Fk愈小（雖然H1隨糙率的增大而減小，有使Fk增大的趨勢，但其影響遠不如α顯著），為了安全，計算時應采用可能的最小糙率。

3.調壓室位置的影響

因H1=H0-hw0-3hwm0，在引水路線不變的情況下，調壓室愈靠近廠房，壓力水管愈短，H1值愈大，有利于波動的衰減。因此應使調壓室盡量靠近廠房。

4.調壓室底部流速水頭的影響

在α系數中應包括流速水頭及局部損失的影響:

看來，調壓室底部的流速水頭對波動的衰減是有利的。調壓室底部的水流是極其紊亂的，尤其當調壓室水位較低時更為顯著，因此，考慮全部流速水頭可能是不安全的。若調壓室底部和引水道的連接處斷面較大（像簡單調壓室那樣），則不應考慮流速水頭的影響。

5.水輪機效率的影響

假定水輪機的效率η為常數，實際上，水輪機的效率隨著水頭和流量的變化而變化，對于單獨運行的水電站，當調速機保持出力為常數時，建議按下式計算：

H——恒定情況下水輪機的凈水頭；

△——水輪機效率變化的無因次系數：

調壓室的臨界斷面決定于水電站在最低水頭運行之時，即相應于效率曲線的左邊，為正故效率的變化對波動衰減不利。由綜合特性曲線繪制出出力為常數的H-η關系曲線

6.電力系統的影響

水電站一般多參加電力系統運行。對于單獨運行的水電站，當調壓室的水位發生變化時，出力為常數的要求是由自身的調速器單獨來保證的。如水電站參加電力系統運行，當調壓室水位發生變化時，由系統中各機組共同保證系統出力為常數，而水電站本身的出力只有較小一些的變化，因此，參加電力系統運行有助于調壓室波動的衰減。

第