水電站調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)解讀

1、水電站調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水電站實(shí)際上是一種很簡單的概念水流過大壩， 轉(zhuǎn)動(dòng)水輪機(jī)， 而水輪機(jī) 則帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 傳統(tǒng)水電站的組成部分主要分為以下幾個(gè)： 水壩、引水建筑 物、發(fā)電建筑物等。如下圖所示：圖1 水電站組成框圖 調(diào)壓塔是對(duì)引水式水電站的有壓引水道或地下室廠房的較長有壓尾水道， 為 了減小水擊壓力， 并改善機(jī)組的運(yùn)行條件而建造的水電站平水建筑物。 它利用擴(kuò) 大了的斷面和自由水面的反射水擊波的特點(diǎn)， 將有壓引水道分成兩段： 上游段為 有壓引水隧洞， 下游段為壓力水管。 調(diào)壓塔的設(shè)立， 使隧洞基本上可避免水擊壓 力的影響 ,同時(shí)也減小壓力水管中的水擊壓力 , 從而改善機(jī)組的運(yùn)行條件。調(diào)壓

2、塔的工作原理： 當(dāng)水電站以某一固定出力運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)所引用的流量Q0 保持不變。調(diào)壓室穩(wěn)定運(yùn)行的水位比上游低 ， 為 Q0 通過引水道時(shí)所產(chǎn)生的水頭損失。 當(dāng) 水電站丟棄全部負(fù)荷時(shí) ,水輪機(jī)的流量變?yōu)榱?,壓力水管中發(fā)生水擊現(xiàn)象， 水流將 隨之停止流動(dòng)。 此時(shí)引水隧洞中的水流由于慣性作用仍繼續(xù)流向調(diào)壓塔， 使調(diào)壓 塔水位升高 , 引水隧洞始末兩端的水位差隨之減小 ,流速也逐漸減慢。當(dāng)調(diào)壓塔的 水位達(dá)到水庫水位時(shí)， 水流由于慣性作用仍繼續(xù)流向調(diào)壓塔， 使調(diào)壓塔水位繼續(xù) 升高，直至引水隧洞內(nèi)的流速減小到零為止， 此時(shí)調(diào)壓塔內(nèi)水位達(dá)到最高點(diǎn)。 由 于這時(shí)調(diào)壓塔內(nèi)水位高于水庫水位， 在引水隧洞的始末又

3、形成了新的水位差， 所 以水流反向水庫流去，調(diào)壓塔中水位開始下降。 當(dāng)調(diào)壓塔水位下降到水庫水位時(shí)， 水流由于慣性作用繼續(xù)流向水庫， 調(diào)壓塔水位還繼續(xù)下降， 直至引水隧洞內(nèi)的流 速減小到零為止， 此時(shí)調(diào)壓塔內(nèi)水位降到最低點(diǎn)。 而后由于調(diào)壓塔的水位低于水 庫水位，引水隧洞中的水流又開始流向調(diào)壓塔，調(diào)壓室水位又開始上升。這樣， 伴隨著引水隧洞中水流的往返運(yùn)動(dòng)， 調(diào)壓塔的水位也就上下波動(dòng)。 由于引水道存 在摩阻，運(yùn)動(dòng)水體的能量會(huì)被不斷消耗，波動(dòng)也就逐漸衰減，最后波動(dòng)停止，調(diào) 壓塔水位就穩(wěn)定在水庫水位。 水電站增加負(fù)荷時(shí)， 調(diào)壓塔水位波動(dòng)與丟棄負(fù)荷時(shí) 相反。當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷發(fā)生小的變化時(shí)，也會(huì)引起調(diào)壓塔的水

4、位產(chǎn)生類似的波動(dòng)。壓管道中的閥門突然開啟、 關(guān)閉或水泵因故突然停止工作， 使水流流速急劇 變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。 這種變化以一定的速度向上游或下游 傳播，并且在邊界上發(fā)生反射， 這當(dāng)種水流現(xiàn)象稱作水擊， 交替升降的壓強(qiáng)稱為 水擊壓強(qiáng) 。水錘是在突然停電或者在閥門關(guān)閉太快時(shí) , 由于壓力水流的慣性 , 產(chǎn)生 水流沖擊波 , 就像錘子敲打一樣 , 所以叫水錘。 水錘效應(yīng)具有很強(qiáng)的破壞作用， 可 導(dǎo)致管子的破裂或瘡陷、 損壞閥門和緊固件。 當(dāng)切斷電源而停機(jī)時(shí)， 泵水系統(tǒng)的 勢能將克服電動(dòng)機(jī)的慣性而命名系統(tǒng)急劇地停止， 這也同樣會(huì)引起壓力的沖擊和 水錘效應(yīng)。 為了消除水錘效應(yīng)的嚴(yán)重后果

5、，在管路中需要受到一系列緩沖措施 和設(shè)備。為了改善水錘現(xiàn)象，常在有壓引水隧洞（或水管）與壓力管道銜接處建 造調(diào)壓室（調(diào)壓塔）。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)（1）波動(dòng)的穩(wěn)動(dòng)性計(jì)算調(diào)壓塔的臨界斷面， 應(yīng)按水電站在正常運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最小水頭計(jì)算。 上 游的最低水位一般為死水位， 但如電站有初期發(fā)電和戰(zhàn)備發(fā)電的任務(wù)， 這種特殊 最低水位也應(yīng)加以考慮。引水系統(tǒng)的糙率是無法精確預(yù)側(cè)的，只能根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)變化范 圍，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)情況，選擇偏于安全的數(shù)值。計(jì)算調(diào)壓塔的臨界斷面時(shí)，引 水道應(yīng)選用可能的最小糙率， 壓力管道應(yīng)選用可能的最大糙率。 流速水頭、 水輪 機(jī)的效率和電力系統(tǒng)等因素的影響，一般只有在充分論證的基

6、礎(chǔ)上才加以考慮。（2）最高涌波水位的計(jì)算上游水庫水位應(yīng)取正常高水位， 引水道的糙率應(yīng)取可能的最小值， 負(fù)荷的變 化情況一般按丟棄全負(fù)荷設(shè)計(jì)。 最高洪水位丟棄全負(fù)荷或部分負(fù)荷進(jìn)行校核。 如 電站的機(jī)組和出線的回路數(shù)較多， 而且母線分段， 經(jīng)過分析， 電站沒有丟棄全負(fù) 荷的可能， 也可不按丟棄全負(fù)荷計(jì)算。 對(duì)于丟棄全負(fù)荷情況， 可假定由最大流量減小至空轉(zhuǎn)流量 ；為了安全，有人認(rèn)為應(yīng)按丟棄至零計(jì)算。（3）最低涌波水位的計(jì)算 上游水庫水位應(yīng)取可能的最低水位， 引水道的糙率應(yīng)取可能的最大糙率。 確 定最不利的增加負(fù)荷情況比確定最不利的丟失負(fù)荷情況更加困難。 增加負(fù)荷對(duì)調(diào) 壓室的工作比丟棄負(fù)荷更危險(xiǎn)， 如

7、計(jì)算不正確， 可能使引水道和壓力管道進(jìn)入空 氣，破壞建筑物和機(jī)組正常的運(yùn)行。 在技術(shù)設(shè)計(jì)階段， 增加負(fù)荷的條件應(yīng)根據(jù)設(shè) 計(jì)電站在系統(tǒng)中的工作情況， 經(jīng)專門研究確定， 并應(yīng)考慮系統(tǒng)將來的發(fā)展。 在初 步設(shè)計(jì)階段， 可采用其余所有機(jī)組都已滿負(fù)荷運(yùn)行， 而最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行的 情況作為設(shè)計(jì)情況， 若電站機(jī)組多于 3 臺(tái)時(shí)，最后加入的容量， 應(yīng)不小于電站總 容量的 1/3。此外，應(yīng)計(jì)算丟棄全負(fù)荷后水位波動(dòng)的第二振幅，以檢驗(yàn)其是否低 于增加負(fù)荷時(shí)的最低涌波水位， 此時(shí)， 上游水位應(yīng)取可能的最低水位， 糙率應(yīng)取 可能最小值。如果調(diào)壓塔波動(dòng)的衰減時(shí)間相當(dāng)長，這時(shí)還應(yīng)補(bǔ)充研究電站在丟棄負(fù)荷后 不久又重新帶上

8、負(fù)荷 （或相反， 帶上負(fù)荷不久后又丟棄負(fù)荷） 引起波動(dòng)疊加的可 能，這一點(diǎn)也說明調(diào)壓塔波動(dòng)迅速衰減是很重要的。水量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)一）水量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)流程圖圖3 調(diào)壓塔水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于 keil c51語言設(shè)計(jì)。利用一個(gè)端口連續(xù)不間斷地查詢塔內(nèi)水 位的情況， 當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)， 檢測調(diào)壓塔內(nèi)的水位， 當(dāng)水位高于理論計(jì)算的最 高涌水位時(shí)，可以增加負(fù)荷工作或者溢流放水讓調(diào)壓塔內(nèi)的水位達(dá)到正常水位。 當(dāng)端口檢測到調(diào)壓塔內(nèi)的水位低于最低涌水位時(shí)， 應(yīng)該丟失負(fù)荷工作， 來維系調(diào) 壓塔內(nèi)的平衡，預(yù)防空氣的進(jìn)入，而破壞建筑物和機(jī)組正常的運(yùn)行。同時(shí)在塔內(nèi)高度方向上可布置多個(gè)傳感器， 利用傳感器的間距以

9、及到達(dá)各傳 感器的時(shí)間我們可以知道塔內(nèi)水位增加及衰減的速度， 再根據(jù)引水隧道內(nèi)的流入 量及壓力水管的流出量中的任何一個(gè)可以控制另一個(gè)輸入或輸出量， 讓塔內(nèi)水量 達(dá)到最佳狀態(tài)。（二）調(diào)壓塔水位檢測的設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)， 可利用水的導(dǎo)電性這個(gè)基本原理來檢測調(diào)壓塔內(nèi)的水位， 在理 論最低水位界面處放置兩個(gè)傳感器， 只有當(dāng)最低涌水位和最高涌水位界面兩個(gè)傳 感器接受到信號(hào) 1時(shí)，我們才認(rèn)為此時(shí)塔內(nèi)的水位高于或者等于最高涌水位，當(dāng) 只有最低涌水位接受到信號(hào) 1時(shí)，可以確定此時(shí)塔內(nèi)的水低于最高涌水位但是高于最低涌水位，當(dāng)沒有傳感器接收到信號(hào)時(shí)， 我們認(rèn)為此時(shí)水位低于最低涌水位， 由于一般限制最低涌水位的出現(xiàn)可在

10、， 可在最低涌水位上一定范圍內(nèi)再設(shè)置一個(gè) 傳感器 L0，當(dāng)水位低于 L0時(shí)開始減負(fù)荷運(yùn)行。傳感器LH結(jié)果00沒有信號(hào)沒信號(hào)低于最低涌水位，限制這種情況的發(fā)生01沒有信號(hào)有信號(hào)應(yīng)該適當(dāng)減少負(fù)荷10有信號(hào)沒信號(hào)不存在11有信號(hào)有信號(hào)高于或者等于最高涌水位，增加負(fù)荷或 者放水表 1 所有條件下的狀況分析最高涌水位界面HL0最低涌水位界面 L接地圖 4 關(guān)于水量檢測的電路設(shè)計(jì)對(duì)于檢測到的信號(hào)， 需要及時(shí)反饋到廠房部處控制發(fā)電機(jī)的載荷的數(shù)量。 對(duì) 于蓄水式發(fā)電站可以利用此檢測信號(hào)在上流的死水期可以利用抽水機(jī)將已排放 的下流水再抽回，來平衡調(diào)壓塔內(nèi)水位?？偨Y(jié)：在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中， 必須根據(jù)調(diào)壓塔的條件來計(jì)算調(diào)壓塔的最低涌水位和 最高涌水位， 再根據(jù)水輪機(jī)的大小及發(fā)電機(jī)的功