1、第六章 水电站建筑物电电站站整整体体示示意意图图 典型布置型式分类典型布置型式分类 1 1.水电站的任务：水电站的任务：水能水能机械能机械能电能；电能；N=9.81QHN=9.81QH 发电必须有流量和水头，形成水头方式即发电必须有流量和水头，形成水头方式即水电站的开发方式。水电站的开发方式。2.2.按其集中水头的方式不同分为：按其集中水头的方式不同分为：坝式坝式、引水式引水式和和混合式混合式三种基本方式。三种基本方式。抽水蓄能电站抽水蓄能电站和和潮汐电站潮汐电站也是水能利用的重也是水能利用的重要型式。要型式。6.1 水电站的组成和类型水电站的组成和类型 原理原理:利用利用筑坝筑坝集中河道落差
2、，形成水头。集中河道落差，形成水头。优点优点:水头高（水头由坝高决定），调节性水头高（水头由坝高决定），调节性能好能好;引用流量较大，电站的规模也大，水能利引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利用效益高。用较充分，综合利用效益高。缺点缺点:淹没多、移民工作量大。投资大，工淹没多、移民工作量大。投资大，工期长。期长。适用条件适用条件:河道坡降较缓，流量较大，并有河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。筑坝建库的条件。1、坝式水电站、坝式水电站坝坝式式水水电电站站河床式河床式 (H(H3040m)3040m)坝后式坝后式厂房位置厂房位置引水道布置于坝内引水道布置于坝内引水道布置于
3、河岸引水道布置于河岸坝后式厂房坝后式厂房坝内式厂房坝内式厂房河岸式厂房河岸式厂房坝式水电站分类坝式水电站分类厂房位置厂房位置河床式水电站河床式水电站 当水头较小，厂房本身能承受水压力当水头较小，厂房本身能承受水压力，与坝并与坝并排建在河道中，而成为挡水建筑物的一部分。排建在河道中，而成为挡水建筑物的一部分。工程实例：葛洲坝水电站，富春江水电站。工程实例：葛洲坝水电站，富春江水电站。富春江河床式电站富春江河床式电站 适用于水头较高的电站，厂房设置在坝后，厂适用于水头较高的电站，厂房设置在坝后，厂房本身不起挡水作用。典型实例：三峡水电站。房本身不起挡水作用。典型实例：三峡水电站。坝后式厂房坝后式厂
4、房坝后厂房坝后厂房 万家寨坝后式水电站万家寨坝后式水电站坝后式厂房坝后式厂房河岸式厂房河岸式厂房将引水道绕过坝体布置在河岸。将引水道绕过坝体布置在河岸。石门坝后河岸式厂房石门坝后河岸式厂房坝后式水电站坝后式水电站 坝内式厂房坝内式厂房 当河面狭当河面狭窄无法布置厂窄无法布置厂房时，将厂房房时，将厂房设置在混凝土设置在混凝土重力坝或重力重力坝或重力拱坝的坝体空拱坝的坝体空腹内。腹内。凤滩水电站坝内厂房凤滩水电站坝内厂房 2、引水式水电站、引水式水电站 原理原理:利用利用引水道引水道集中河道落差，形成水头。集中河道落差，形成水头。特点：特点：1 1、水头相对较高，最大水头已达、水头相对较高，最大水
5、头已达20002000米以上。米以上。2 2、引用流量较小，没有水库调节径流，水量利、引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。用率较低，综合利用价值较差。3 3、电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程、电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。量较小，单位造价较低。适用条件适用条件:坡降大坡降大,流量较小的山区性河段流量较小的山区性河段;河道河道裁弯和跨流域引水裁弯和跨流域引水。分类分类:无压引水道式无压引水道式，有压引水道式有压引水道式。下下马马岭岭引引水水式式水水电电站站无压引水式水电站无压引水式水电站压力管道压力管道压力管道压力管道有压引水式水
6、电站有压引水式水电站调压室调压室 3、混合式水电站、混合式水电站 原理原理:在同一河段上用在同一河段上用坝坝集中集中上游部分落上游部分落差差，再通过有压，再通过有压引水道引水道集中集中下游部分落差下游部分落差而形而形成总水头。成总水头。适用条件适用条件:上游有良好的筑坝条件，同时下上游有良好的筑坝条件，同时下游部分坡降大时。游部分坡降大时。特点：兼有坝式和引水式水电站的优点。特点：兼有坝式和引水式水电站的优点。典型工程实例典型工程实例：鲁布革水电站，石龙坝水：鲁布革水电站，石龙坝水电站。电站。混合式水电站混合式水电站大坝大坝进水口进水口引水道引水道调压室调压室压力管道压力管道厂房厂房输变电输变
7、电尾水道尾水道石龙坝水电站石龙坝水电站云南昆明石龙云南昆明石龙坝水电站是我坝水电站是我国大陆的第一国大陆的第一座水电站，其座水电站，其装机容量仅为装机容量仅为1440kW1440kW，19101910年年 7 7 月开工建月开工建设，设，19121912年年4 4月月发电。发电。4、抽水蓄能电站、抽水蓄能电站原理：设置上、下两个水原理：设置上、下两个水库，装设具有抽水及发电库，装设具有抽水及发电双重功能的机组，利用电双重功能的机组，利用电力系统负荷低谷期间的剩力系统负荷低谷期间的剩余电能向上水库抽水，而余电能向上水库抽水，而在系统负荷高峰期间从上在系统负荷高峰期间从上水库放水发电。相当于利水库
8、放水发电。相当于利用上库存储电能。用上库存储电能。两个过程：两个过程：1 1、抽水蓄能、抽水蓄能2 2、放水发电、放水发电广州抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站天荒坪抽水蓄能电站天荒坪抽水蓄能电站抽水蓄能电站抽水蓄能电站5、潮汐电站、潮汐电站 潮汐：潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。潮落。潮汐发电原理：潮汐发电原理：利用潮水涨、落产生利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转
9、变为电能（发电）的过程。械能转变为电能（发电）的过程。潮汐发电原理潮汐发电原理单向单向潮汐潮汐电站电站双向双向潮汐潮汐电站电站仅在退潮时利用池中高水仅在退潮时利用池中高水位与退潮低水位的落差发位与退潮低水位的落差发电。电。不仅在退潮时而且在涨潮不仅在退潮时而且在涨潮时利用涨潮高水位与池中时利用涨潮高水位与池中的水位差发电。的水位差发电。潮潮汐汐电电站站分分类类法国朗斯潮汐电站法国朗斯潮汐电站19661966年投入运行，年投入运行，是第一个商业化是第一个商业化电站。该电站装电站。该电站装机机2424台，每台台，每台1 1万万千瓦，共千瓦，共2424万千万千瓦。设计年平均瓦。设计年平均发电量发电量
10、5.445.44亿度。亿度。一、枢纽建筑物一、枢纽建筑物挡水建筑物挡水建筑物 ：坝、闸：坝、闸泄水建筑物泄水建筑物 ：溢洪道、泄水洞、溢流坝：溢洪道、泄水洞、溢流坝过坝建筑物过坝建筑物 ：过船、过木、过鱼：过船、过木、过鱼 二、发电建筑物二、发电建筑物进水建筑物进水建筑物 ：进水口、沉沙池：进水口、沉沙池引水建筑物引水建筑物 ：引水道、压力管道、尾水道：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：前池、调压室平水建筑物：前池、调压室厂区枢纽厂区枢纽 ：主厂房、副厂房、变电站、开关站等：主厂房、副厂房、变电站、开关站等6.2 6.2 水电站的水电站的组成建筑物组成建筑物6.3 6.3 压力管道的功用和类
11、型压力管道的功用和类型水轮机水轮机水库水库引水管道末端的前池引水管道末端的前池调压室调压室有压状态有压状态全部或大全部或大部分水头部分水头 压力管道的概念压力管道的概念 对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口；对无压引水式的电站，压力管道的起点一水口；对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压力前池；对有压引水式电站，压力管道的般是压力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一般是从调压室开始。起点一般是从调压室开始。坝式水电站坝式水电站无压引水式水电站无压引水式水电站压力管道压力管道压力管道压力管道有压引水式水电站有压引水式水电站调压室调压室 坡度陡坡
12、度陡 承受电站的最大水头，且承受承受电站的最大水头，且承受水锤水锤产生产生的的动水压力比较大动水压力比较大。靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一出现事故，将直接危及厂房安全。万一出现事故，将直接危及厂房安全。基于以上特点，压力管道的经济性和安全基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在水电站设计过程中受到特别重视。性在水电站设计过程中受到特别重视。压力管道的特点压力管道的特点 压力管道的基本参数压力管道的基本参数 压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，管道内径管道内径 D(mD(m)和水头和水头 H(mH(m)及其乘积
13、及其乘积 HD(mHD(m2 2)值值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。值。随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，蓄能电站的兴建，管道的管道的 HD HD 值急剧增长，值急剧增长，压力压力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。管道日益向着巨型化和超巨型化发展。三峡工程，坝式电站，三峡工程，坝式电站，D12.4m，H140m，HD1730m2山西西龙池抽水蓄能电站山西西龙池抽水蓄能电站D3.5m，H1015m，HD3552m2国外国外HD值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过值最高的出现在抽水蓄能
14、电站，已超过5000m2按材料分按材料分 按布置方式分按布置方式分 压力管道的类型压力管道的类型露天式（明钢管）露天式（明钢管）地下式地下式（地下埋管）（地下埋管）混凝土混凝土坝身管坝身管钢管钢管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管压压力力管管道道中高水头电站中高水头电站中小型电站中小型电站HD值较大电站值较大电站木管木管应用较少应用较少木管木管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢管管节钢管管节 明管明管 (exposed penstock)(exposed penstock)：暴露在空气中，一暴露在空气中，一般在引水式地面厂房电站中采用。般在引水式地面厂房电站中采用。按照材料的不同
15、，明管可分为：按照材料的不同，明管可分为：a a钢管钢管,白山二期电站的压力管道白山二期电站的压力管道 b b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于开裂，在工程中应用很少，一般只用在开裂，在工程中应用很少，一般只用在HDHD值值50m50m2 2的电站。的电站。c c钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充分发挥钢筋作用，适用于分发挥钢筋作用，适用于HDHD值较大的电站。值较大的电站。明明管管示示意意图图为了使管壁受力均为了使管壁受力均匀，支座处
16、管壁加匀，支座处管壁加支承环；支承环；为保持钢管抗外压为保持钢管抗外压稳定，有时在支承稳定，有时在支承环间加设加劲环。环间加设加劲环。明管失稳明管失稳 地下埋管地下埋管 (underground penstock)(underground penstock)：埋藏：埋藏于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，因此也被称为斜井，竖井。因此也被称为斜井，竖井。地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。目前，国内外装机容量为压力管道。目前，国内外装机容量为100100万万kWkW以以上的常规水电站和抽水蓄能电站中
17、，大部分采用上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用了地下埋管。了地下埋管。特点特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承：这种管道布置灵活，能和围岩共同承担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是在地下水压较大的地方，在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁管道受外压失稳的威胁比较大比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。地下埋管地下埋管示意图示意图下弯段钢管底部凹陷下弯段钢管底部凹陷锚环焊缝开裂锚环焊缝开裂响水水电站高压埋管失稳破坏响水水电站高压埋管失稳破坏按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类：按照衬砌形式的
18、不同，将地下埋管分为以下四类：分类分类适用条件适用条件应用情况应用情况工程实例工程实例不衬砌不衬砌地质条件很好地质条件很好 在挪威应在挪威应用的较多用的较多 广西天湖水电站广西天湖水电站压力竖井和斜井压力竖井和斜井 喷锚或钢筋喷锚或钢筋混凝土衬砌混凝土衬砌 地质条件稍差地质条件稍差 在抽水蓄在抽水蓄能电站中能电站中广蓄和天荒坪抽广蓄和天荒坪抽水蓄能电站水蓄能电站 钢衬钢衬+回填回填混凝土混凝土 地质条件很差，地质条件很差，对防渗要求较高对防渗要求较高 应用比应用比较广泛较广泛 二滩水电站和鲁二滩水电站和鲁布革水电站布革水电站钢衬钢筋混钢衬钢筋混凝土衬砌凝土衬砌 地质条件稍差，地质条件稍差，施工
19、非常复杂施工非常复杂 工程中很工程中很少应用少应用 在国内只有天生在国内只有天生桥电站中采用桥电站中采用 地下埋管施工中地下埋管施工中 灌浆：灌浆：回填灌浆（平洞、斜井顶拱）回填灌浆（平洞、斜井顶拱）固结灌浆，加固围岩，提高围岩承载力固结灌浆，加固围岩，提高围岩承载力接缝灌浆（考虑钢衬与围岩联合受力，气温最低时接缝灌浆（考虑钢衬与围岩联合受力，气温最低时进行），减少混凝土干缩缝隙进行），减少混凝土干缩缝隙施工步骤：施工步骤：开挖（清理石渣、支护等）开挖（清理石渣、支护等）：应尽量减少：应尽量减少松动区和超挖松动区和超挖;钢衬安装；钢衬安装；回填混凝土：强度要求不高（回填混凝土：强度要求不高（1
20、50-200#150-200#），但要），但要求密实，与围岩与钢衬密切贴合求密实，与围岩与钢衬密切贴合（止水、加劲环）（止水、加劲环）施工施工 混凝土坝身管混凝土坝身管 ：这种管道形式一：这种管道形式一般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电站中应用非常广泛。站中应用非常广泛。特点：它由于进水口设于坝体，结构特点：它由于进水口设于坝体，结构紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好。但是管道的安小，机组调节保证条件好。但是管道的安装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔会削弱坝体
21、，使坝体应力恶化。会削弱坝体，使坝体应力恶化。混凝土坝身管按照管道在坝身混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置，可以分为以下三类上的不同位置，可以分为以下三类：a a坝内埋管坝内埋管 (penstock embedded in dam)(penstock embedded in dam)b b坝上游面管坝上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam)(penstock laid on upstream surface of dam)c c坝下游面管坝下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam)
22、(penstock laid on downstream surface of dam)布置在坝体内部布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采多为坝后式或坝内式厂房采用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，d=10.8md=10.8m。坝内埋管坝内埋管坝后式厂房坝后式厂房坝内式厂房坝内式厂房 管道大部分位管道大部分位于水库内，检修于水库内，检修维护很困难，在维护很困难，在国内工程中很少国内工程中很少使用，比较典型使用，比较典型的是伊朗的卡比的是伊朗的卡比尔水电站。尔水电站。坝上游面管
23、坝上游面管 由于进水口较由于进水口较高，减少了对坝高，减少了对坝体的削弱，同时体的削弱，同时有利于保持大坝有利于保持大坝的整体性，因此的整体性，因此在工程中应用很在工程中应用很广泛。在我国东广泛。在我国东江和紧水滩水电江和紧水滩水电站都采用了这种站都采用了这种型式。型式。坝下游面管坝下游面管按布置方式分按布置方式分分类分类明管：明管：暴露在空气中暴露在空气中(无压引水式电站无压引水式电站)钢管钢管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管地下埋管地下埋管:埋入岩体。埋入岩体。(超过超过100100万万kW 以上的常规水电站以上的常规水电站和抽水蓄能电站和抽水蓄能电站)不衬砌不衬砌
24、喷锚或混凝土衬砌喷锚或混凝土衬砌钢衬钢衬+回填混凝土回填混凝土钢衬钢筋混凝土衬砌钢衬钢筋混凝土衬砌混凝土坝身管：混凝土坝身管：依附于坝身依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝混凝土重力坝及重力拱坝)坝内管道坝内管道坝上游面管坝上游面管坝下游面管坝下游面管 压力管道类型小节压力管道类型小节 管道与厂房的相对位置主要取决于整管道与厂房的相对位置主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，另外水电站机组往往不止一台，压力管道另外水电站机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供可能有一根或数根，压力管道向机组的供水常有这样三种类型水常有这样三种类
25、型 ：压力管道的供水方式压力管道的供水方式 压力管道的供水方式压力管道的供水方式 单元供水单元供水 联合供水联合供水 分组供水分组供水 1 1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。优点：结构简单优点：结构简单(无岔管无岔管)、工作可靠、灵活性好，、工作可靠、灵活性好，易于制作易于制作 缺点：相同水头损失下，造价较高缺点：相同水头损失下，造价较高 布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难 适用：适用：(1)(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)(2)混凝土坝内管道混凝土
26、坝内管道 压力管道的供水方式压力管道的供水方式2 2联合供水联合供水：一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分岔管。机组前设快速阀门。岔管。机组前设快速阀门。优点：相同水头损失下，造价较低优点：相同水头损失下，造价较低 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差 布置：较容易布置：较容易 适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较少、单机流量较小、引水道较长。少、单机流量较小、引水道较长。压力管道的供水方式压力管道的供水方式 球形岔管球形岔管 压力管道的供水方式压力管道的供水方式2 2分组供
27、水分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规模适中，少分岔管。设快速阀门。模适中，少分岔管。设快速阀门。造价：介于前两种之间造价：介于前两种之间 布置：介于前两种之间布置：介于前两种之间 适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管较长，机组台数多，单机流量不大的情况。较长，机组台数多，单机流量不大的情况。供水方式选定以后，每条管道通过的流供水方式选定以后，每条管道通过的流量也随之确定，接着应对管道直径进行量也随之确定，接着应对管道直径进行选择。选择。由于管道费用较高，直径越小，管道用由于管道费用较高，直径
28、越小，管道用材及造价越低，但管中流速越大，水头材及造价越低，但管中流速越大，水头损失与发电损失也越大。因此管道直径损失与发电损失也越大。因此管道直径应进行经济比较选定。应进行经济比较选定。压力管道直径的选择压力管道直径的选择压力管道的直径通过动能经济计算确定。压力管道的直径通过动能经济计算确定。一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。比较，选定最优直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。Q Qmaxmax钢管的最大设计流量，钢管的最大设计流量，单位：单位：m m3 3/s/sH Hp p设计水头，设计
29、水头，m m。压力管道直径的选择压力管道直径的选择7max3pHKQD K为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。修费、电价、管道年运行小时等因素有关。日调节池：日调节池：调节水电站一调节水电站一天的发电用水。天的发电用水。压力前池：压力前池：平稳水流，平稳水流，分配水量。分配水量。沉沙池：沉沙池：排走有害排走有害颗粒颗粒。6.4 6.4 平水建筑物平水建筑物1-1-压力前池压力前池压力前池和压力管道压力前池和压力管道 压力前池是把无压引水道的无压流变为压力压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑物。
30、实际上是扩大断面管道的有压流的连接建筑物。实际上是扩大断面的渠道。的渠道。分配水量：正常运行时把流量平顺的分配分配水量：正常运行时把流量平顺的分配给各压力管道。给各压力管道。平稳水压：荷载突然变化或事故时，配合平稳水压：荷载突然变化或事故时，配合引水渠排泄多余的水引水渠排泄多余的水;在电站停止运行、压力管道在电站停止运行、压力管道关闭时供给下游必需的水量关闭时供给下游必需的水量;在压力管道事故时，在压力管道事故时，紧急切断水流防止事故扩大。紧急切断水流防止事故扩大。防污、防沙、防冰：保护压力管道，使水防污、防沙、防冰：保护压力管道，使水轮机不受其害。轮机不受其害。压力前池压力前池的的组成组成
31、前室前室(池身池身)：渠道末端加宽、加深：渠道末端加宽、加深的过渡段以满足进水口布置需要。的过渡段以满足进水口布置需要。压力管道进水口：其构成与有压进压力管道进水口：其构成与有压进水口相似，常采用挡水墙式。水口相似，常采用挡水墙式。泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常泄水和排沙建筑物：泄水建筑物常采用溢流堰采用溢流堰,用于泄水排污排冰。排沙建筑用于泄水排污排冰。排沙建筑物主要指管道进水口底坎下设拦沙槛和冲沙物主要指管道进水口底坎下设拦沙槛和冲沙孔。孔。安全：地质条件好、地基稳定、一定安全：地质条件好、地基稳定、一定要置于要置于挖方挖方中。中。经济：尽量靠近厂房（缩短昂贵且安经济：尽量靠近厂房（缩短昂
32、贵且安全要求高的压力管道），开挖工程量少。全要求高的压力管道），开挖工程量少。水流平顺：以减小水头损失。水流平顺：以减小水头损失。便于施工、运行、检修。便于施工、运行、检修。压力前池压力前池的的布置要求布置要求6.4 6.4 平水建筑物平水建筑物2-2-调压室调压室问题：为什么设置调压室？问题：为什么设置调压室？在较长的压力引水系统中，为了降低高压在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的管道的水锤水锤压力，满足机组调节保证计算压力，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的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段：上游段调压室
33、将有压引水系统分成两段：上游段为为压力引水道压力引水道，下游段为，下游段为压力管道压力管道。水锤水锤：由：由水流的动能水流的动能引起（管道末端流量急剧变引起（管道末端流量急剧变化化管道中流速和压力随之变化管道中流速和压力随之变化“水锤水锤”）。）。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。升，尾水管中则造成压力下降。导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。危害：危害：1 1、压强升高过大、压强升高过大水管强
34、度不够而破裂；水管强度不够而破裂；2 2、尾水管中负压过大、尾水管中负压过大尾水管汽蚀，水轮机运行尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；时产生振动；3 3、压强波动、压强波动机组运行稳定性和供电质量下降。机组运行稳定性和供电质量下降。三峡水电站蜗壳施工现场三峡水电站蜗壳施工现场水锤计水锤计算控制算控制工况工况引起水轮机流量变化的原因有：引起水轮机流量变化的原因有：水电站正水电站正常运行情常运行情况下的负况下的负荷变化荷变化担任调峰或调频担任调峰或调频任务的电站，水任务的电站，水轮机的流量处于轮机的流量处于不断变化中；正不断变化中；正常的开机或停机常的开机或停机由此引起由此引起的水锤现的水锤现象不起
35、控象不起控制作用制作用水电站水电站事故引事故引起的负起的负荷变化荷变化水电站可能会出水电站可能会出现各种各样的事现各种各样的事故，而要求水电故，而要求水电站丢弃全部或部站丢弃全部或部分负荷分负荷几个名词：几个名词：水锤波水锤波 ；水锤压力水锤压力 ；水锤波入射、反射，水库端异号等水锤波入射、反射，水库端异号等值反射，封闭端同号等值反射；值反射，封闭端同号等值反射；相长：水锤波传播一个来回的时间相长：水锤波传播一个来回的时间 ；周期周期 。假设：假设：1.1.简单管；管材、壁厚、管径沿简单管；管材、壁厚、管径沿管长不变。管长不变。2.2.不计摩阻不计摩阻;3.3.考虑管道和水体的弹性。考虑管道和
36、水体的弹性。cLtTr/42 dtdxcHdtdxc cLtr/2cLtTr/42阀门突然关闭阀门突然关闭 水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。弹性波的形式沿管道传播。水击波传播过程中，在外部条件发生变化处水击波传播过程中，在外部条件发生变化处(即
37、边界即边界处处)均要发生波的反射。均要发生波的反射。其反射特性其反射特性(指反射波的数值及指反射波的数值及方向方向)决定于边界处的物理特性。决定于边界处的物理特性。水锤特性水锤特性 调压室的功用可归纳为：调压室的功用可归纳为：（1）反射水锤波。基本上避免了反射水锤波。基本上避免了(或减小或减小)压力压力管道传来的水锤波进入压力引水道。管道传来的水锤波进入压力引水道。（2）减小了水锤压力减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部压力管道及厂房过水部分分)。缩短了压力管道的长度。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。改善机组在负荷变化时的运行条件。调压室的功用调压室的功用（1）尽量
38、靠近厂房尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。，以缩短压力管道的长度。（2）应有自由水表面和足够的底面积应有自由水表面和足够的底面积，以保证水锤，以保证水锤波的充分反射；波的充分反射；（3）调压室的调压室的工作必须是稳定的工作必须是稳定的。负荷变化时，引。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；（4）正常运行时，水流经过调压室正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头底部造成的水头损失要小损失要小。（5）结构安全可靠，施工简单方便，经济合理结构安全可靠，施工简单方便，经济合理。调压室的基本要求调压室的基本要求 调压室的设置条件调压室的设置条件调压室一般
39、尺寸较大，投资较大，工期长，特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。个引水系统造价的相当大的比例。是否设置调压室，应在是否设置调压室，应在机组过流系统调节保证机组过流系统调节保证计算计算和和机组运行条件分析机组运行条件分析的基础上，考虑水电的基础上，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，进行力管道的布置等因素，进行技术经济比较技术经济比较后加后加以确定。以确定。wiiwTgHVLT当当TwTw24s24s时，可不设
40、调压室。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占的比例超过50%50%时，取小值时，取小值(2s)(2s)；当比重小于；当比重小于10%20%10%20%时，可取大值。时，可取大值。1 1、上游调压室的设置条件、上游调压室的设置条件(初步判定初步判定)用水流加速时间用水流加速时间(也称为压力引水道的时间常数也称为压力引水道的时间常数)T Tw w 来判断是否设置调压室：来判断是否设置调压室：2 2、下游调压室的设置条件、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：以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：)2
41、9008(520swjwswHgvvTLL Lw w尾水道长度；尾水道长度；V Vw0w0稳定运行时尾水管流速；稳定运行时尾水管流速；V Vw wj j尾水管入口处流速；尾水管入口处流速；安装高程。安装高程。最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时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尾水管内的最大真空度不宜大于8m8m水柱水柱。但在。但在高海拔地区应作高程修正高海拔地区应作高程修正(见规范见规范)。调压室的调压室的工作原理工作原理及基本方程及基本方程 调压室的工作原理调压室的工作原理调压室具有较大的容积和自由水面，它调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站
42、因负荷变化而引起的有压系统非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：压力管道的水锤和部分：压力管道的水锤和“水库水库引水引水道道调压室调压室”的水流波动。的水流波动。丢弃全负荷丢弃全负荷流量变为流量变为0 0 压力管道中发生水压力管道中发生水锤锤水流继续流入调压室水流继续流入调压室调压室水位升高调压室水位升高流速逐渐降低，直到为流速逐渐降低，直到为0 0，此时水位最高，此时水位最高反反向流动，水位下降向流动，水位下降水位与水库持平时，水流水位与水库持平时，水流惯性使得继续流向水库，直到流速惯性使得继续流向水库，直到流速=0=0
43、 再次再次向下游流动，循环往复。向下游流动，循环往复。增加负荷，与其相反。增加负荷，与其相反。经常性的负荷变动经常性的负荷变动水位相应变动水位相应变动(负荷保持不负荷保持不变变)流量相应变化流量相应变化调压室水位波动。调压室水位波动。调压室水位波动调压室水位波动管道水锤过程管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失。快，往往在很短时间内即消失。调压室水位波调压室水位波动动主要由于水体的往复运动引起，特点是振幅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小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百秒甚至更长时间。秒
44、甚至更长时间。调压室的水位波动调压室的水位波动有两种趋势，一种是逐渐衰有两种趋势，一种是逐渐衰减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该避免的。避免的。研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波动的目的：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、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。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。需的最小
45、断面面积。1 1、上游调压室、上游调压室(引水调压室引水调压室)位于厂房上游引水道上。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。适用：厂房上游有压引水道较长，应用最广泛。调压室的布置方式调压室的布置方式 2 2、下游调压室、下游调压室(尾水调压室尾水调压室)位于厂房下游尾水洞上。适用尾水隧洞较长，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。应尽可能靠近厂房。3 3、上下游双调压室系统上下游双调压室系统
46、 当采用中部地下厂房时，上下游都有较长的压力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。水道，在厂房上下游均设置调压室。4 4、上游双调压室系统、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。加一个调压室可以减小另一个调压
47、室的断面。调压室的基本类型调压室的基本类型 1 1、简单式调压室简单式调压室 特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击特点：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，可采用有连接管点，可采用有连接管的圆筒式调压室。的圆筒式调压室。适用：低水头小流量电站。适用：低水头小流量电站。2 2、阻抗式调压室阻抗式调压室 将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口，这种
48、孔口或隔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。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。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。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。水道中可能受到水击的影响。3 3、双室式调压室双室式调压室 特点：特点：双室式调压室是由双室式调压室是由一个竖井一个竖井和和上下两个上下两个储水室储水室组成。丢弃负荷
49、时，组成。丢弃负荷时，水位迅速上升，水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减小波动振幅。增加负荷时，小波动振幅。增加负荷时，水位迅速下降到下室中，并水位迅速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。此限制了水位的下降。适用：适用：水头较高，要求的稳水头较高，要求的稳定断面较小，水库水位变化定断面较小，水库水位变化比较大的水电站。比较大的水电站。4 4、溢流式调压室溢流式调压室 由双室式调压室发展而成，顶部设有溢流堰。由双室式调压室发展而成，顶部设有溢流堰。丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢丢弃
50、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，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有利于机组的稳定运行，溢出的水量，可以设行，溢出的水量，可以设上室加以储存，也可排至上室加以储存，也可排至下游。下游。5 5、差动式调压室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小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外室相通。室相通。特点：特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其断面积由波动稳定条件
