水电站调压塔水量调节系统设计解读

水电站调压塔水量调节系统设计

水电站实际上是一种很简单的概念——水流过大坝，转动水轮机，而水轮机则带动发电机发电。传统水电站的组成部分主要分为以下几个：水坝、引水建筑物、发电建筑物等。如下图所示：

图1 水电站组成框图

调压塔是对引水式水电站的有压引水道或地下室厂房的较长有压尾水道，为了减小水击压力，并改善机组的运行条件而建造的水电站平水建筑物。它利用扩大了的断面和自由水面的反射水击波的特点，将有压引水道分成两段：上游段为有压引水隧洞，下游段为压力水管。调压塔的设立，使隧洞基本上可避免水击压力的影响,同时也减小压力水管中的水击压力,从而改善机组的运行条件。

调压塔的工作原理：

当水电站以某一固定出力运行时，水轮机所引用的流量Q0保持不变。调压室稳定运行的水位比上游低，为Q0通过引水道时所产生的水头损失。当水电站丢弃全部负荷时,水轮机的流量变为零,压力水管中发生水击现象，水流将随之停止流动。此时引水隧洞中的水流由于惯性作用仍继续流向调压塔，使调压塔水位升高,引水隧洞始末两端的水位差随之减小,流速也逐渐减慢。当调压塔的水位达到水库水位时，水流由于惯性作用仍继续流向调压塔，使调压塔水位继续升高，直至引水隧洞内的流速减小到零为止，此时调压塔内水位达到最高点。由于这时调压塔内水位高于水库水位，在引水隧洞的始末又形成了新的水位差，所以水流反向水库流去，调压塔中水位开始下降。当调压塔水位下降到水库水位时，水流由于惯性作用继续流向水库，调压塔水位还继续下降，直至引水隧洞内的流速减小到零为止，此时调压塔内水位降到最低点。而后由于调压塔的水位低于水库水位，引水隧洞中的水流又开始流向调压塔，调压室水位又开始上升。这样，伴随着引水隧洞中水流的往返运动，调压塔的水位也就上下波动。由于引水道存在摩阻，运动水体的能量会被不断消耗，波动也就逐渐衰减，最后波动停止，调压塔水位就稳定在水库水位。水电站增加负荷时，调压塔水位波动与丢弃负荷时相反。当机组的负荷发生小的变化时，也会引起调压塔的水位产生类似的波动。

压管道中的阀门突然开启、关闭或水泵因故突然停止工作，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射，这当种水流现象称作水击，交替升降的压强称为水击压强。水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生

水流冲击波,就像锤子敲打一样,所以叫水锤。水锤效应具有很强的破坏作用，可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件。当切断电源而停机时，泵水系统的势能将克服电动机的惯性而命名系统急剧地停止，这也同样会引起压力的冲击和水锤效应。为了消除水锤效应的严重后果，在管路中需要受到一系列缓冲措施和设备。为了改善水锤现象，常在有压引水隧洞（或水管）与压力管道衔接处建造调压室（调压塔）。

图2 调压塔工作原理图

数据库的设计

（1）波动的稳动性计算

调压塔的临界断面，应按水电站在正常运行中可能出现的最小水头计算。上游的最低水位一般为死水位，但如电站有初期发电和战备发电的任务，这种特殊最低水位也应加以考虑。

引水系统的糙率是无法精确预侧的，只能根据一般的经验选择一个变化范围，根据不同的设计情况，选择偏于安全的数值。计算调压塔的临界断面时，引水道应选用可能的最小糙率，压力管道应选用可能的最大糙率。流速水头、水轮机的效率和电力系统等因素的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。

（2）最高涌波水位的计算

上游水库水位应取正常高水位，引水道的糙率应取可能的最小值，负荷的变化情况一般按丢弃全负荷设计。最高洪水位丢弃全负荷或部分负荷进行校核。如电站的机组和出线的回路数较多，而且母线分段，经过分析，电站没有丢弃全负荷的可能，也可不按丢弃全负荷计算。对于丢弃全负荷情况，可假定由最大流量

减小至空转流量；为了安全，有人认为应按丢弃至零计算。

（3）最低涌波水位的计算

上游水库水位应取可能的最低水位，引水道的糙率应取可能的最大糙率。确定最不利的增加负荷情况比确定最不利的丢失负荷情况更加困难。增加负荷对调压室的工作比丢弃负荷更危险，如计算不正确，可能使引水道和压力管道进入空气，破坏建筑物和机组正常的运行。在技术设计阶段，增加负荷的条件应根据设计电站在系统中的工作情况，经专门研究确定，并应考虑系统将来的发展。在初步设计阶段，可采用其余所有机组都已满负荷运行，而最后一台机组投入运行的情况作为设计情况，若电站机组多于3台时，最后加入的容量，应不小于电站总容量的1/3。此外，应计算丢弃全负荷后水位波动的第二振幅，以检验其是否低

于增加负荷时的最低涌波水位，此时，上游水位应取可能的最低水位，糙率应取可能最小值。

如果调压塔波动的衰减时间相当长，这时还应补充研究电站在丢弃负荷后不久又重新带上负荷（或相反，带上负荷不久后又丢弃负荷）引起波动叠加的可能，这一点也说明调压塔波动迅速衰减是很重要的。

水量调节设计

（一）水量调节设计流程图

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图3 调压塔水量调节系统设计流程图

本系统设计基于keil c51语言设计。利用一个端口连续不间断地查询塔内水位的情况，当水位发生变化时，检测调压塔内的水位，当水位高于理论计算的最高涌水位时，可以增加负荷工作或者溢流放水让调压塔内的水位达到正常水位。当端口检测到调压塔内的水位低于最低涌水位时，应该丢失负荷工作，来维系调压塔内的平衡，预防空气的进入，而破坏建筑物和机组正常的运行。

同时在塔内高度方向上可布置多个传感器，利用传感器的间距以及到达各传感器的时间我们可以知道塔内水位增加及衰减的速度，再根据引水隧道内的流入量及压力水管的流出量中的任何一个可以控制另一个输入或输出量，让塔内水量达到最佳状态。

（二）调压塔水位检测的设计

电路的设计，可利用水的导电性这个基本原理来检测调压塔内的水位，在理论最低水位界面处放置两个传感器，只有当最低涌水位和最高涌水位界面两个传感器接受到信号1时，我们才认为此时塔内的水位高于或者等于最高涌水位，当只有最低涌水位接受到信号1时，可以确定此时塔内的水低于最高涌水位但是高

于最低涌水位，当没有传感器接收到信号时，我们认为此时水位低于最低涌水位，由于一般限制最低涌水位的出现可在，可在最低涌水位上一定范围内再设置一个

表1 所有条件下的状况分析

接地

最低涌水位

界面

图4 关于水量检测的电路设计

对于检测到的信号，需要及时反馈到厂房部处控制发电机的载荷的数量。对于蓄水式发电站可以利用此检测信号在上流的死水期可以利用抽水机将已排放的下流水再抽回，来平衡调压塔内水位。

总结：在设计系统中，必须根据调压塔的条件来计算调压塔的最低涌水位和最高涌水位，再根据水轮机的大小及发电机的功率建立一个数据库。对于检测到的信号信息需实时与数据里的数据进行比较，利用得到的反馈信息来实现对水位的调节。系统实现的过程中主要有单片机，keilc51语言，数据库，传感器，串行通信等技术手段的应用。由于系统设计过程中考虑的情况比较理想化，以及现实中有具体的情况，试验的只能作为现实设计中的一种参考。