水电站的水击及调节保证计算
第四章水电站的水击及调节保证计算
本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节第一节概述
一、水电站的不稳定工况
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为：
(1) 引起机组转速的较大变化
丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高
增加负荷：与丢弃负荷相反。
(2) 在有压引水管道中发生“水击”现象
管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水击”。
导时关闭时，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。
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。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
二、调节保证计算的任务
(一) 水击的危害
(1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂；
(2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；
(3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。
(二) 调节保证计算
水击和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
1．调节保证计算的任务：
(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；
(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。
(3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。
(4) 研究减小水击压强及机组转速变化的措施。
2．调节保证计算的目的
正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。
第二节 第二节 水击现象及其传播速度
一、 一、 水击现象
1．定义
在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水击。
2．水击特性
(1) 水击压力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，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。
(2) 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。 注：水击波在管中传播一个来回的时间t r =2L ／a ，称之为“相”，两个相为一个周期2t r =T (3) 水击波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。
二、水击波的传播速度
水击波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关，其计算公式为：
)/(11435
1s m E DK E
DK
g
K
a δδγ
+
=
+
=
式中 K ——水的体积弹性模量，一般为2.06×103MPa ；
E ——管壁材料的纵向弹性模数(钢村E =2.06×105MPa ，铸铁E =0.98×105MPa ，混凝
土E =2.06×104MPa)；
γKg
为声波在水中的传播速度，随温度和压力的升高而加大，一般取1435m/s 。
一般情况下，露天钢管的水击波速可近似地取为1000m/s ，埋藏式钢管可近似地取为1200m/s 。钢筋混凝土管可取900m/s~1200m/s 。
第三节 第三节 水击基本方程及边界条件
基本方程+相应的边界条件——用解析方法和数值计算方法求解水击值及其变化过程。
一、水击基本方程
(一) (一) 基本方程
对有压管道而言，不论在何种情况下都应满足水流的运动方程及连续方程。当水管材料、厚度及直径沿管度不变，且不计及水力摩阻损失时，其简化方程为(取阀门端为原点，x 向上游为正)
t V
x H g
??=?? x V
g a t H ??=??2
上述方程为一组双曲线型偏微分方程， 其通解为：
)
()(0a x t f a x t F H H H ++-=-=? ?
??
???+---=-=?)()(0a x t f a x t F a g V V V
注：F 和f 为两个波函数，其量纲与水头H 量纲相同，故可视为压力波。任何断面任何时刻的水击压力值等于两个方向相反的压力波之和；而流速值为两个压力波之差再乘以－
g/a 。
)(a x t F -为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；)
(a x
t f +为顺水流方向移动的压
力波，称为顺流波。
(二) 水击计算的连锁方程
水击连锁方程给出了水击波在一段时间内通过两个断面的压力和流速的关系。前提应满足水管的材料、管壁厚度、直径沿管长不变：
()A t B
t t A
t B t t V V g a H H -=
-?+?+ ()B
t A t t B t A t
t V V g a H H --=-?+?+
用相对值来表示为
)(2B
t t A t B t t A t v v ?+?+-=-ρξξ
)(2A t t B t A t t B t v v ?+?+--=-ρξξ
式中
00
2gH aV =
ρ为管道特性系数； 000H H H H H i -=?=ξ为水击压力相对值；0V V v =
为管道相对流速。
二、
应用水击基本方程计算水电站压力管道中水击时，首先要确定其起始条件和边界条件。
(一) 起始条件
当管道中水流由恒定流变为非恒定流时，把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。即当t=0时，管道中任何断面的流速V =V 0；如不计水头损失，水头H=H 0。
(二) 边界条件
1．管道进口
管道进口处一般指水库或压力前池。水库和压力前池水位变化比较慢，在水击计算中不计风浪的影响，一般认为水库和前池水位为不变的常数是足够精确的。
即进口边界边界条件为： H p =H 0
2．分岔管
分岔管的水头应该相同， H p1=H p2=H p3=…=H p 分岔处的流量应符合连续条件， ΣQ =0 3．分岔管的封闭端
在不稳定流的过程中，当某一机组的导叶全部关闭，或某一机组尚未装机，而岔管端部用闷头封死，其边界条件为：Q p =0
4．调压室
把调压室作为断面较大的分岔管，其边界条件为: 调压室内有自由水面，而隧洞、调压室与压力管道的交点和分岔管相同。
5．水轮机
水电站压力管道出口边界为水轮机，水轮机分冲击式和反击式，两种型式的水轮机对水击的影响不同。
(1) (1) 冲击式水轮机
冲击式水轮机的喷嘴是一个带针阀的孔口，符合孔口出流规律，水轮机转速变化对孔口出流没有影响。阀门处A 点的边界条件：
A i i A i A i q v ξτ+==1
式中：max ωωτi
i =——称为相对开度；ωmax ——喷嘴全开时断面积
0/H H i ?=ξ ——为任意时刻水击压力相对值。
A
i A i i
i q v FV FV Q Q ===max
max ——为任意时刻相对流速及相对流量。
(2) (2) 反击式水轮机
反击式水轮机的过水能力与水头H 、导叶开度a 和转速n 有关。即 Q=Q(H,a,n) 反击式水轮机与冲击式水轮机的不同之处是要考虑水轮机转速变化的影响，因此增加了问题的复杂性。为了简化计算，常假定压力管道出口边界条件为冲击式水轮机，然后再加以修正。
第四节 第四节 简单管水击的解析计算
简单管是指压力管道的管径、管壁材料和厚度沿管长不变。
解析法的要点是采用数学解析的方法，引入一些符合实际的假定，直接建立最大水击压力的计算公式。简单易行，物理概念清楚，可直接得出结果。
一、直接水击和间接水击
水击有两种类型：直接水击和间接水击。
(一) 直接水击
当水轮机开度的调节时间T S ≤2L /a 时，由水库处异号反射回来的水击波尚未到达阀门之前，阀门开度变化已经终止，水管末端的水击压力只受开度变化直接引起的水击波的影响，这种水击称为直接水击。
)(00V V g a
H H H --
=-=?
注：水击波在管道中传播一个来回的时间为2L /a ，称为“相”。
(1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V -V 0<0为负值，△H 为正，产生正水击；反之当开启阀门时，即V -V 0>0，△H 为负，产生负水击。
(2) 直接水击压力值的大小只与流速变化(V -V 0)的绝对值和水管的水击波速a 有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。
当管道中起始流速V 0＝4m/s ，a ＝1000m/s ，终了流速V ＝0时，压力升高值为：
7.40781.9/)40(1000)(0=--=--
=?V V g a
H m ，因此在水电站中应当避免发生直接
水击。
(二) 间接水击
若水轮机开度的调节时间T S ＞2L /a 时，当阀门关闭过程结束前，水库异号反射回来的降压波已经到达阀门处，因此水管末端的水击压力是由向上游传播的水击波F 和反射回来的水击波f 叠加的结果，这种水击称为间接水击。降压波对阀门处产生的升压波起着抵消
作用，使此处的水击值小于直接水击值。
间接水击是水电站中经常发生的水击现象，也是要研究的主要对象。
二、 二、 计算水管末端各相水击压力的公式
工程中最关心的是最大水击压力。由于水击压力产生于阀门处，从上游反射回来的降压波也是最后才达到阀门，因此最大水击压力总是发生在紧邻阀门的断面上。应用前面的水击连锁方程及管道边界条件，推求阀门处各相水击压力计算公式 。
(一) (一) 计算公式
阀门关闭情况：
ρξτξτ21101
1A
A -
=+ 第一相末的水击压力
ρξρξτξτ2121022A A A
-
-=+ 第二相末的水击压力 …………………………..
ρξξρτξτ21
11
11
0A
n n A A
n
n
-
-=+∑- 第n 相末的水击压力
阀门或导叶开启：管道中压力降低，产生负水击，其相对值用y 表示。
ρττ211
011y y +
=-
…… ρρττ2111
10n
n i i i n n
y y y ++=-∑-==
利用上述公式，可以依次解出各相末的阀门处的水击压力，得出水击压力随时间的变
化关系。
(二)计算公式的条件
(1) 没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于不计摩阻的情况；
(2) 采用了孔口出流的过流特性，只适用于冲击式水轮机，对反击式水轮机必须另作修改；(3) 这些公式在任意开关规律下都是正确的，可以用来分析非直线开关规律对水击压力的影响。
三、开度依直线变化的水击
进行水击计算，最重要的是求出最大值。在开度依直线规律变化情况下，不必用连锁方程求出各相末水击，再从中找出最大值，可用简化方法直接求出。
(一) 开度依直线变化的水击类型
当阀门开度依直线规律变化时，根据最大压强出现的时间可归纳为两种类型：
第一类：当0ρτ<1时，最大水击压力出现在第一相末， A
A 1max ξξ=，称第一相水击。
第二类：当0ρτ>1时，最大水击压力出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水击压力接近极限值m ξ，即m ξ>1ξ，称为极限水击。
注：第一相水击是高水头电站的特征；极限水击常发生在低水头水电站上。
(二) (二) 开度依直线变化的水击简化计算
1．第一相水击计算的简化公式
关闭阀门时
σρτσ
ξ-+=
0112A
开启阀门时
σρτσ
++=
0112A y 发生第一相水击的条件是0ρτ<1，对于丢弃负荷情况，0τ
=1，有12/0m a x <=gH aV ρ，
若a =1000m/s ，V max=5m/s ，则H 0>250m ，故在丢弃负荷的情况下，只有高水头电站才有可
能出现第一相水击。
2．极限水击计算简化公式
()4
2
2+±
=
σσσ
ξA
m
当水击压强A m ξ≤0.5时，可得到更为简化的近似公式：
σσ
ξ-=
22A m σσ+=
22A
m y
3．间接水击类型的判别条件
仅用0ρτ大于还是小于1作为判别水击类型的条件是近似的。水击的类型除与0ρτ有关，还与σ有关。
水击类型判别图中，曲线表示极限水击和第一相水击的分界线，直线0ρτσ=表示第一
相水击和直接水击的分界线。
-σσ
0ρτ
I 区为极限正水击；II 区为第一相正水击； III 区为直接水击； IV 区为极限负水击；V
区为第一相负水击；
简单判别方法：
0ρτ<1.0时，常发生第一相水击； 0ρτ>1.5时，常发生极限水击；
1.0<0ρτ<1.5时，则随σ值的不同而发生第一相或极限水击，个别情况下发生直接水击。此时按图判别。
四、起始开度对水击的影响
水电站可能在各种不同的负荷情况下运行，当机组满负荷运行时，起始开度0τ＝1；当机组只担任部分负荷运行时，0τ＜l 。因此机组由于事故丢弃负荷时的起始开度0τ可能有各种数值。
起始开度对水击压强的影响
由极限水击σσ
ξ-=
22A m 只与σ有关，而与0τ无关，图中A
m ξ是一根平行于0τ轴的水平
线。
对第一相水击
σρτσ
ξ-+=
0112A ，随着0τ的减小而增大，所以在图中表示为一根曲线。 对直接水击，02ρτξ=A
d ，为一通过坐标轴原点的直线，其斜率为2ρ。图中三条曲
线的交点为：
(1)直接水击和第一相水击：
令
02ρτξ=A d 和σρτσ
ξ-+=
0112A 相等，可以解出：ρστ/0=
(1) (1) 第一相水击和末相水击
令
σρτσξ-+=
0112A 和
σσ
ξ-=
22A m 相等，可以解出：ρτ/10=
因此可得出以下结论：
(l) 当起始开度ρτ/10>，0ρτ>1时，1ξξ>m ，最大水击压强发生在阀门关闭的终了，即极限水击；
(2) 当起始开度ρτρσ/1/0<<时，m ξξ>1最大水击压强发生在第一相末； (3) 当起始开度ρστ/0
<时，发生直接水击，但非最大的水击值；
(4) 当阀门起始开度为临界开度ρστ/0=时，发生最大直接水击：由
02ρτξ=A
d ，得 五、开度变化规律对水击压力的影响
前面有关第一相或极限水击的一些概念及计算公式是在假定阀门开度按直线变化条件推得的，在水电站运行实践中，阀门的启闭规律不完全是直线而往往采用非直线的。
注：阀门启闭时间相同，但启闭规律不同，水击压强变化过程也不相同。
曲线Ⅱ表示开始阶段关闭速度较快，因此水击压强迅速上升到最大值，而后关闭速度减慢，水击压强逐渐减小；曲线Ⅲ的规律与曲线Ⅱ相反，关闭速度是先慢后快，而水击压强是先小后大。水击压强的上升速度随阀门的关闭速度的加快而加快，最大压强出现在关闭速度较快的那一时段末尾。从图中可以看出，关闭规律Ⅰ较为合理，最不利的是规律Ⅲ。
由此可见，通过调速器或针阀等设备，采取比较合理的启闭规律，可以作为减小水击压力和解决调节保证问题的措施之一。在高水头电站中常发生第一相水击，可以采取先慢后快的非直线关闭规律，以降低第一相水击值；在低水头水电站中常发生极限水击，可采
取先快后慢的非直线关闭规律，以降低末相水击值。
012345678
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
II
I
III
ζ
t(Phase)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
τ
t(Phase)
I
II
III
六、水击压力沿管长的分布
在进行压力管道强度设计时，不仅需要计算管道末端的压强，而且需要管道沿线各点的最大正水击压力和最大负水击压力的分布情况，以便进行管道的强度设计及检验管道内部是否有发生真空的可能。
水击压强沿管道的分布
(一) 极限水击压力的分布规律
理论研究证明，极限水击无论是正、负水击，管道沿线线的最大水击压强均按直线规律分布，如图中实线所示。若管道末端A点的最大水击为
A
m
ξ和A
m
y，则任意点C点的最大水击为
A
m
C
L
l
ξ
ξ=
max
；
A
m
C y
L
l
y=
m a x
(二) 第一相水击压力的分布规律
第一相水击压力沿管线不依直线规律分布，正水击压力分布曲线是向上凸的，负水击压力分布曲线是往下凹的。任意点C 近似表达式为
AC AC
C
σρτσσρτσ
ξ-+-
-+=
00max 1212
式中
s T gH LV 0max =σ；s AC s AC T gH V l T gH V l L 0max
0max )(=
-=σ
上面的两式可以看出，等号右端的第一项为管长为L 时A 点第一相末A 点的水击压强，第二项为管长为L-l (相当于水库移至C 点)时A 点第一相末A 点的水击压强，C 点最大水击压强为两者之差。
对于第一相负水击，任意点C 的最大水击降压为
BC BC
C
y σρτσ-+=
0max 12
式中
s BC BC T gH V l 0max =
σ
绘制水击压力沿管线分布图时，应根据管线的布置情况，选择几个代表性的断面，求出各断面上的最在正、负水击压力。当丢弃负荷时可不计管路的水损失，在上游最高静水位上绘制水击压力分布图；当增加负荷时，必须计算开启终了时管路的水头损失与流速水头，在上游最低水位线以下，考虑水头损失、流速水头与负水击压力，绘制水击压力分布图。
第五节 复杂管道水击计算
在实际工程中，这种简单管是不多见的，常见的是复杂管路系统，共有三种类型：
(1) 管壁厚度、直径和材料随水头增加自上而下逐段改变，这种复杂管称为串联管。
(2) 分岔管，这在分组供水和联合供水中经常遇到。
(3) 装有反击式水轮机的管道系统，应考虑蜗壳和尾水管的影响，而且其过流特性与孔口出流不一样，流量不仅与作用水头有关，而且与水轮机的机型和转速有关。
一、串联管水击的简化计算
一般把串联管转化为等价的简单管来计算，即将串联管转化为简单管后应满足管长、相长和管中水体动能等与原管相同的原则。这种简化计算方法称为“等价水管法”。
设一根串联管的管道特性为：
L 1，V 1，a 1； L 2，V 2，a 2； …… ；L n ，V n ，a n (1) 等价管的总长为：
∑==n
i i
L L 1
(2) 根据管中水体动能不变的要求，则 L V m =L 1V 1+L 2V 2+……L n V n =∑L i V i ，由此可得
加权平均流速：
L
V
L V n
i i
i m ∑==
1
(3) 根据相长不变的要求，水击波按平均波速由断面A 传到断面B 所需的时间等于水击波在各段传播时间的总和，即
∑==+++=n
i i i n n m a L a L a L a L a L 122
11
由此可得波速的加权平均值：
∑==n
i i i m a L L
a 1
对于间接水击，管道的平均特性常数为
02gH V a m m m =
ρ； s m m T gH LV 0=σ ；
m r a L t 2=
求出管道平均特性常数后，可按简单管的间接水击计算公式求出复杂管道的间接水击值。
二、分岔管的水击压力计算
分岔管的水击计算方法之一是截肢法。这种方法的特点是：当机组同时关闭时，选取总长为最大的一根支管，将其余的支管截掉，变成串联管道，然后用各管段中实际流量求出各管段的流速，再用加权平均的方法求出串联管中的平均流速和平均波速，最后采用串联管的简化公式相应地求出水击值。
分岔管的截肢法
三、蜗壳、尾水管水击压力计算
反击式水轮机的过流部件包含有蜗壳和尾水管。
(1) 首先将蜗壳视作压力水管的延续部分，并假想把导叶移至蜗壳的末端，尾水管也作为压力管道的一部分。把压力管道、蜗壳和尾水管组合视为一串联管，再将该串联管简化为等价简单管进行计算。
设压力水管、蜗壳及尾水管长度、平均流速和水击波速分别为L T 、V T 、a T ；L c 、V c 、a c ；L b 、V b 、a b ，则
L =L T +L c + L b
)/(
b b
c c T T m a L a L a L L a ++=
V m =( L T V T +L c V c + L b V b )/L
求出等价管的特性系数m ρ、m σ，计算出管道末端最大水击压力ξ值。
(2) 以管道、蜗壳、尾水管三部分水体动能为权，将水击压力值ξ进行分配，求出压力管道、蜗壳末端和尾水管进口的水击压力。
压力水管末端最大压力上升相对值为：
ξ
ξm b c T T
T T V L L L V L )(++=
蜗壳末端最大水击压力上升相对值：
ξ
ξm b c T c
c T T c V L L L V L V L )(+++=
尾水管进口处压力下降相对值为：
ξ
m b c T b
b b V L L L V L y )(++=
注：尾水管在导叶或阀门之后，水击现象与压力管道相反
(3) 求出尾水管的负水击后，应校核尾水管进口处的真空度H r ，以防水流中断。
m
g V H y H H b b s r 9~822
0<++=
式中 Hs — 水轮机的吸出高度；V b — 尾水管进口断面在出现y b 时的流速。
注：对于中高水头水电站，压力管道较长，蜗壳和尾水管的影响较小，通常可略去不计。对于低水头水电站，必须考虑蜗壳和尾水管的影响，而尾水管的影响往往较蜗壳更为显著。
第六节 机组转速变化计算
水轮机调节机构开始关闭导叶，水轮机的引用流量逐渐减小，机组出力逐渐下降，同时在引水系统产生水击压力。当关闭到空转开度时出力变为零。导叶关闭过程中所产生的能量，完全被机组转动部分所消耗，造成机组转速的升高。
在机组调节过程中，转速变化通常以相对值表示，称为转速变化率β。
丢弃负荷
0max n n n -=
β ； 增加负荷 0min
n n n -=β
一、机组转速变化率计算近似公式
(一) 列宁格勒金属工厂公式
丢弃负荷时： 136512
2
010-+
=GD n f
T N s β
增加负荷时：
2201036511GD n f T N s -
-=β
T s1 —— 导叶关闭至空转的时间；对于冲击式和混流式水轮机T s1=0.9T s ；对于轴流式水轮
机T s1=0.7T s ；
N 0 —— 机组丢弃负荷前的出力，以kW 计。
G ——转动部分重量(t)；D ——是转动部分惯性直径(m)，如果以kg 计，
2
2
41000kgms g GD J =。
f ——水击修正系数。
(二)《长江流域规划办公室》公式
列宁格勒工厂公式未考虑迟滞时间的缺点，我国“长办”提出修正公式。当水电站突丢负荷后，由于调速系统惯性的影响，导叶经过一小段迟滞时间T c 以后才开始关闭动作，机组转速经历T c 和升速时间T n 。(T n 定义为水轮机出力自N 0降到零时的历时)后达到最大
值n max 。
1)2(.36512
2
00
-++
=f T T GD n N n c β
式中 T c ——调节迟滞时间，T c = T A +0.5δT a ，T A 是导叶不动作时间，电调调速器取0.1s ，
机调调速器取0.2s ；δ是调速器残留不均衡度，一般为0.02~0.06；T a 为机组时间常数，以s 计，02
20365N GD n T a =
；；
T n ——升速时间，T n =(0.9-0.00063n s )T s ，n s 为比转速；
f ——水击影响系数。
第七节调节保证计算标准和改善调节保证的措施
一、调节保证计算标准和计算条件
所谓调节保证计算标准，是指水击压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。这种标准在技术规范中有所规定，但这是在一定时期和一定技术水平和经济条件下制定的，应用时应结合具体情况加以确定。
(一) 水击压力的计算标准
1．压力升高
水击压力的最大升高值通常以相对值ξmax＝(H max-H0)/H0表示。
当H0＞100m时，ξmax＝0.15~0.30
当H0=40~100m时，ξmax＝0.30~0.50
当H0＜40m时，ξmax＝0.50~0.70
2．压力降低
在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压，且应有2~3m水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。
(二) 转速变化的计算标准
限制机组转速过大的变化主要是为了保证机组正常运行和供电的质量。在丢弃全负荷的情况下，主要是防止机组强度破坏、振动和由于过速引起过电压而造成发电机电气绝缘的损坏。
最大转速变化值通常以相对值βmax＝(n max-n0)/n0表示。考虑到目前国内机组的设计、制造、运行等情况，其允许值βmax可按以下情况考虑：
1．当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担负调频任务时，宜小于45％；
2．当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，宜小于55％；对斗叶式水轮机，宜小于30％。
注：当大于上述值时，应有所论证。
(三) 调节保证的计算条件
1．水击压强计算条件
管道中的最大内水压强一般控制在以下两种工况：
(1) 上游最高水位时电站丢弃负荷。此时电站流量和水击压强都不是最大值，但由于管道中的静水压较高，叠加的结果可能成为控制工况。
(2)设计水头下电站丢弃负荷。管道中的静水压较低，但电站的流量和水击压力较大，叠加的结果也可能成为控制工况。
当压力管道为单元供水时，一般按丢弃全负荷考虑；当压力管道为联合供水时，若与管道连接的所有机组由一个回路出线，则应按这些机组同时丢弃全负荷考虑；若这些机组由两个或两个以上回路出线，则应根据具体情况分析而定。
管道中的最小内水压强一般控制在以下两种工况：
(1) 上游最低水位时电站丢弃负荷。导叶关闭后的正水击经水库和导叶反射而成的负水
击；
(2)(1)上游最低水位时，电站最后一台机组投入运行。
2．转速上升率的控制工况
设计水头+水电站丢弃全负荷。
二、减小水击压强的措施
(一) 缩短压力管道的长度
缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水击波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水击值。从管道特性系数σ＝L V max/g H0T s中可看出，减小L可以减小σ，再从水击计算近似公式中可看出，σ减小可使A mξ或A1ξ减小。在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。
(二) 减小压力管道中的流速
减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减小水击压力。但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水击压强，往往是不经济的，但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室，还是比较合理的。
(三) 延长有效的关闭时间
延长有效的关闭时间T s，可使管道内水体动量的变化率减小，从而降低水击压力。但增大T s会使机组转速变化率β值增加，甚至超过允许值。要解决这个矛盾，可采取以下措施：
1．反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的进口附近装设减压阀。在关闭过程中，导叶按照保证转速变化率不超过允许值所要求的关闭时间T s关闭，同时，受到同一调速器控制的减压阀及时打开，向下游泄放部分流量。导叶完全关闭时，减压阀的流量达最大值，以后减压阀逐渐地关闭。整个泄水历时为T，因而水击压力可以减小。
注：减压阀在机组增加负荷时不起作用。
减压阀装置示意图
2．冲击式水轮机的机组装置偏流器(折流器)
在喷嘴出口装置偏流器，丢弃负荷时，它能以较快速度在l~2s 内动作，将射流偏折，离开转轮，防止机组转速变化过大。针阀以较慢速度关闭，从而减小水击压力。
注：偏流器在增荷时不起作用。
偏流器构造简单，造价便宜，且无需增加厂房的尺寸，在水斗式水轮机的机组经常采用。
3．设置水阻器
水阻器是一种利用水阻消耗能量的设备，它与发电机母线相联，用调速器操作。当机组丢弃负荷时，调速器使水阻器投入，将机组原来输入系统的功率消耗于水阻之中，也就是用水阻代替机组原有的负荷，然后调速器在一个较长时间内将水轮机导叶逐渐关闭。
注：水阻器对于增加负荷时不起作用。
(四) 选择合理的调节规律
采用合理的关闭规律能有效地降低水击压力值。
1
2
3
4
5
6
7
8
0.0
0.10.20.3
0.4
0.5
II I
III
ζ
t(Phase)
τ
t(Phase)
中低水头电站：最大水击压强常出现在调节过程终了，水轮机导叶可采取先快后慢的
关闭规律，以提高开始阶段的水击压强，降低终了阶段的水击值；
高水头电站：最大水击压强通常出现在调节过程开始阶段，可采用先慢后快的调节规律。注：采用合理的关闭规律减小水击压强，简单易行，又比较经济，应优先考虑。
(4)--水电站调节保证计算,调压室考核试卷及答案
《水电站》 考核(四) 学生姓名： 班级学号： 浙江水利水电学院 水电站课程组编制
2013年8月(修改) 使 用 说 明 本考核是《水电站》课程形成性考核的依据，与文字教材配套使用。 考核作业是课程考核的重要组成部分，是强化教学管理，提高教学质量，反馈学习信息，提高学生综合素质和能力的重要保证。 通过形成性考核有助于学生理解和掌握本课程的基本概念、基本理论。同时，形成性考核对于全面测评学生的学习效果，督促和激励学生完成课程学习，培养学生自主学习和掌握知识的能力也具有重要作用。 全部课程要求完成5次计分考核。 学生应按照教学进度按时完成各次计分考核，教师根据学生完成的情况评定成绩，每次作业以100分计，并按5次考核的平均成绩计算学生的形成性考核成绩。考核成绩占课程总成绩的20% 。
考核四 说明：本部分覆盖引水系统水力计算(水锤和调压室)部分，在学完本单元课程后，先完成与本单元相关的题目， 待学完本模块所有内容后，全部完成此次考核。 一、判断题(20分) 1．导叶的关闭时间Ts愈大，水锤压力愈大，机组转速升率愈小。 2．对高水头电站，一般可采用先快后慢的机组关闭规律，以达到降低水锤的目的。 ( ) 3．对低水头电站，一般可采用先慢后快的机组关闭规律，以达到降低水锤的目的。 ( ) 4．水电站甩负荷时，初始开度越大，水锤压力就越大。起始开度越小，水锤压力越小。( ) 5．调压室底部流速对调压室的稳定有利。( ) 6．阻抗式调压室的阻抗越大越好。( ) 7．调压室离进水口越近，则其水位波动幅值越小，故调压室应当尽量靠近进水口。( ) 8．水头愈低，需要的调压室稳定断面越小。( ) 9．压力钢管的糙率对调压室的稳定断面没有影响。( ) 10．调压室越靠近厂房时，会使波动稳定断面减小。( ) (二)填空题(40分) 1．延长机组关闭时间可以使__________减小,但___________将会增大。2．极限水锤沿管道的分布规律为____ ___第一相水锤为 ____ ____。 3．改善调节机组保证计算的措施有____________________________、_____
导叶开启时间对水电站过渡过程的影响(1)解析
导叶开启时间对水电站过渡过程的影响(1) 摘要：针对国内外规范对导叶开启 时间的不同规定，结合理论推导和数值计算实例，分析了不同的导叶开启时间对水电站过渡过程的影响。实例研究结果表明，大波动过渡过程中的蜗壳动水压力、沿管道轴线的压力分布以及调压室阻抗孔口压差等参数均随导叶开启时间变化而变化。通过研究得到如下结论：国际电工技术委员会标准推荐的增负荷时间30～40s是合理的；在并入小网的水力干扰过渡过程中，需要将运行机组最大初始开度限制在最大临界开度之内，才能保证运行机组转速收敛于额定转速，以满足发电机和电网对调节系统的要求。 关键词：过渡过程导叶开启时间数值计算临界时间 前言 在水电站运行中，从空载增至全负荷的导叶开启时间，国内外规范有不同的规定：文献[1]中对调节系统的要求：导叶开度的全行程动作时间应符合设计规范，一般为10～40s。国际电工技术委员会iec(international electrotechnical commission)标准[2]则规定开启时间为20～80s，推荐值30～40s。上述规程标准给出的取值范围虽有重叠部分，但整体范围并不一致，而导叶开启时间的取值问题一直未进行深入的研究。本文将结合两机一洞常规水电站和抽水蓄能水电站两个代表性实例，探讨不同的导叶开启时间对水电站过渡过程的影响，寻找恰当的开启时间（直线开启规律），以满足发电机和电网对调节系统的要求。 1导叶开启时间对过渡过程的影响 水电站过渡过程涉及到大波动、小波动和水力干扰过渡过程三个方面。而在小波动过渡过程中，调速器将自动跟踪，机组不受导叶开启时间长短的影响。因此本文仅讨论导叶开启时间对大波动和水力干扰过渡过程的影响。 1.1导叶开启时间对大波动过渡过程的影响 在无穷大电网条件下，增负荷，机组转速不变，调速器将不参与调节，所以增负荷时间的长短将只对机组两个调保参数（蜗壳末端动水压力、尾水管进口断面压力）、管道沿程的压力分布、调压室涌浪水位及阻抗孔口压差等产生相应的影响。文献[3]给出了粗略估算水锤压力的计算公式：，式中、分别为压力管道水流惯性加速时间常数和导叶动作时间，、为水轮机在初始和终了时的相对流量值。由上式不难看出，在机组增负荷过程中，导叶开启越快，引起的
水电站调压室设计规范DLT
水电站调压室设计规范 Specification for design of surge chamber of hydropowerstation 中华人民共和国电力行业标准 水电站调压室设计规范 主编部门：电力工业部华东勘测设计研究院 批准部门：中华人民共和国电力工业部 中华人民共和国电力工业部 关于发布《水电站调压室设计规范》 电力行业标准的通知 电技［1996］733号 各电管局，各省、自治区、直辖市电力局，水电水利规划设计总院，各有关单位： 《水电站调压室设计规范》电力行业标准，经审查通过，批准为推荐性标准，现予发布。其编号为：DL/T5058－1996 该标准自1997年5月1日起实施。 请将执行中的问题和意见告水电水利规划设计总院，并抄送部标准化领导小组办公室。1996年10月31日 目次 1总则 2术语、符号 3调压室的设置条件及位置选择 4调压室的基本布置方式、基本类型及选择 5调压室的水力计算及基本尺寸的确定 6抽水蓄能电站调压室的设计 7调压室的结构设计、构造、观测及运行要求 附录A压力水道水头损失计算公式 附录B调压室的涌波计算公式 附录C抽水蓄能电站水泵工况断电、导叶拒动时的调压室涌波计算方法 本规范用词规定 附加说明 1总则 1.0.1水电站调压室是压力水道系统中一项重要建筑物，为体现国家现行的技术经济政策，积极慎重地采用国内外先进技术和经验，统一调压室设计的标准、要求，特制定本规范。 1.0.2本规范适用于大、中型水利水电枢纽工程中常规水电站和抽水蓄能电站调压室设计，小型水电站的调压室设计可参照执行。 1.0.3水电站调压室设计应根据地形、地质情况、压力水道的布置、机电特性和运行条件等资料，经综合论证，做到因地制宜、经济合理、安全可靠。 1.0.4水电站调压室设计除必须遵守本规范的规定外，还应符合SDJ12—78《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)》(试行)及补充规定、SD134—84《水工隧洞设计规范》、SDJ173—85《水力发电厂机电设计技术规范》(试行)、DL/T5057—1996《水工混凝土结构设计规范》、SDJ10—78《水工建筑物抗震设计规范》(试行)等现行的国家、行业有关标准与规定。以上标准将来如有修改，则执行其新版本。 2术语、符号 2.0.1名词术语
水电站调压室的基本类型
水电站调压室的基本类型 (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。
XX水电站设计调节保证计算毕业论文
XX水电站设计调节保证计算毕业论文 目录 摘要 (1) Abstract (2) 第1章基本资料 (3) 1.1地理位置 (3) 1.2流域概况 (3) 1.3水文 (3) 1.3.1气象特性 (3) 1.3.2径流 (4) 1.3.3洪水 (4) 1.3.4河流泥沙 (5) 1.4地形地质条件 (5) 1.5电站基本参数 (6) 1.5.1 电站动能参数 (6) 1.5.2 水库特性 (6) 1.5.3 泥沙特性 (7) 第2章水轮发电机组的选择 (8) 2.1机组台数的确定 (8) 2. 2水轮装置方式及水轮机型号的确定 (8) 2.3水轮机主要参数的确定 (9) 2.3.1确定水轮机的转轮直径 (9) 2.3.2效率修正值的计算 (9) 2.3.3确定水轮机的转速 (10) 2.3.4确定水轮机的吸出高 (10) 2.3.5水轮机的检验计算 (11) 2.4蜗壳和尾水管的选择计算 (12) 2.4.1蜗壳的水力计算及外轮廓的确定 (12) 2.4.2尾水管主要参数的选择 (14) 2.5发电机外形尺寸估算 (16) 2.5.1主要尺寸计算 (16) 2.5.2外形尺寸估算 (17) 2.6调速器和油压装置的型式及尺寸的确定 (18) 2.6.1判断调速器的型式 (19) 2.6.2接力器的选择 (19) 2.6.3主配压阀直径的选择 (20)
2.6.4油压装置选择 (20) 第3章电站枢纽布置 (22) 3.1电站厂房 (22) 2.2 开关站 (23) 2.3 引水系统 (23) 第4章引水系统设计 (24) 4.1引水线路初拟 (24)
4.2进水口设计 (25) 4.2.1进水口型式的选择 (25) 4.2.2有压进水口位置、高程的确定 (25) 4.2.3进水口尺寸的拟定 (26) 4.2.4进口设备 (27) 4.3引水隧洞设计 (28) 4.3.1有压引水隧洞断面形式及断面尺寸 (28) 4.3.2隧洞衬砌的主要类型选择 (29) 4.4压力管道的布置 (30) 4.4.1压力管道类型的选择 (30) 4.4.2压力管道引进及供水方式 (30) 4.4.3压力管道直径、管壁厚度及抗外压稳定的计算 (31) 4.4.4压力管道抗外压稳定校核 (32) 第5章水电站厂房设计 (33) 5.1主厂房主要尺寸的确定 (33) 5.1.1主厂房的长度计算 (33) 5.1.2主厂房的宽度计算 (35) 5.1.3主厂房的各层高程计算 (37) 5.2 副厂房布置 (41) 第6章调压室设计 (43) 6.1是否设置调压室判断 (43) 6.2调压室位置的选择 (43) 6.3调压室的布置方式与型式的选择 (44) 6.4调压室的水利计算 (44) 6.4.1调压室断面面积的计算 (44) 6.4.2调压室最高涌波水位计算 (46) 6.4.3计算调压室最低涌波水位计算 (46) 第7章调节保证计算 (48) 7.1调保计算目的 (48) 7.2调节保证计算的容 (48) 7.3调节保证计算的标准 (48) 7.3.1转速变化率容许值 (48) 7.3.2水击压力容许值 (49) 7.4已知计算参数 (49) 7.5调节保证计算的过程 (50) 7.5.1在设计水头下甩全负荷的调节保证计算 (50) 7.5.2在最大水头下甩全负荷的调节保证计算 (55) 谢辞 (59) 参考资料 (60) 外文文献 (62) 附录 (71)
水电站试题
第一部分引水建筑物 第一章水电站的布置形式及组成建筑物 一、填空题 1．水电站的基本布置形式有_______、__________、__________ 三种，其中坝式水电站分__________、__________、__________等形式。 2．有压引水式水电站由_________________、_________________、______________、______________、______________等组成；而无压引水式水电站由_____________、_____________、______________、______________、______________等组成。 3．抽水蓄能电站的作用是___________________________________，包括_________________和_________________两个过程。 4．按其调节性能水电站可分为____________和______________两类。 二、思考题 1．按照集中落差的方式不同，水电站的开发分为几种基本方式？各种水电站有何特点及适用条件？ 2．水电站有哪些组成建筑物？其主要作用是什么？ 3．抽水蓄能电站的作用和基本工作原理是什么？潮汐电站基本工作原理是什么 4．何为水电站的梯级开发？ 第二章水电站进水口及引水建筑物 一、判断题 1．无压引水进水口，一般应选在河流弯曲段的凸岸。( ) 2．有压进水口的底坎高程应高于死水位。( ) 3．通气孔一般应设在事故闸门的上游侧。( ) 4．进水口的检修闸门是用来检修引水道或水轮机组的。() 5．渠道的经济断面是指工程投资最小的断面。( ) 6．明渠中也会有水击现象产生。( ) 二、填空题
武都水库工程水轮机过渡过程计算
武都水库工程水电站水轮机过渡过程计算成果 1.概述 根据技术协议的要求，完成所要求计算的过渡过程计算工况，并提出相应的初步计算成果。 2.计算条件 (1)上游水库 校核洪水位659.43m 设计洪水位656.96m 正常蓄水位658.00m 死水位624.00m (2) 下游尾水位 校核洪水位581.368m 设计洪水位580.126m 正常尾水位572.5m (3) 水轮机净水头 最大水头85.12m 加权平均水头68.09m 额定水头64.00m 最小水头49.35m (4) 流量 多年平均流量142m3/s 电站引用流量259.2m3/s 2.3 布置型式 武都水库水电站位于四川省江油市武都镇境内，电站厂房距江油市约20 km。该电站是涪江上游干流最后一级电站，具有不完全年调节性能，承担部分调峰的中型电站工程。该工程总库容5.72亿m3，额定水头64m，装机容量3×50MW。电站引水发电系统布置情况详见招标文件第8章引水系统布置图。 (5) 水轮发电机组基本参数 水轮机型号HLD267-LJ-320
转轮名义直径 3.2m 水轮机额定出力51.5MW 额定转速214.3r/min 飞逸转速465r/min 发电机GD23750t.m2 水轮机安装高程568.956m 水轮机导叶个数24 3.计算要求 机组最大转速升高率小于55%，蜗壳最大压力升高率小于50%。若两个参数不能同时满足，应推荐合适的参数值。尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。 4.计算工况 根据武都水库工程电站引水系统的布置方式，水库和发电机组的运行调度情况，以下几种工况可以求出蜗壳最高压力、机组速率最高上升率和尾水管真空值，所选工况： A)额定水头64m条件下，3台机同时甩全负荷3×51.54MW。 B)最大水头85.12.m条件下，3台机甩全负荷3×51.54MW。 C)机组运行水头68.09.m条件下，1台机组带最大负荷56.7MW。 5.计算结果 所述工况的调节保证计算结果，汇总列于表5－1。 表5－1 调节保证计算结果 6.结论 1）武都水库工程电站采用的引水系统，当机组GD2不小于3750t.m2，导叶关闭规律采用图(一)的关闭规律，机组速率上升小于55.0%；蜗壳最高压力升高率小于50.0%，尾水管真空度不大于8.0m。
调压室水力试验
调压室水力试验
目录 一、实验目的............................................................................... . (2) 二、实验任务与要求............................................................................... . (2) 三、实验设备及模型数据............................................................................... .. (2) 四、实验成果............................................................................... . (3) 问题1：描述实验观察到的阻抗式和差动式调压室中的水力现象 (3) 问题2：根据阻抗式调压室模型数据用解析
法求出上水箱为高水位丢荷后调压室的最高水位，并与实验成果比较.......................................................................... (4) 问题3：比较差动式和阻抗式在同一实验情况时观察到的水力现象 (6) 问题4：在引用流量相同的情况下，比较不同引水管长度对阻抗式调压室水力现象的影响.......................................................................... . (8) 问题5：比较不同阻抗孔口面积对差动式调压室水力现象的影响 (9) 五、实验的收获与不足............................................................................... . (9)
水电站调节保证计算资料
第五章 水电站调节保证计算 5.1调节保证计算的目的、任务 （1）调保计算目的、任务 在水电站运行中，负荷与机组出力达到平衡使机组转速稳定。但由于各种突发事故，造成机组突然与系统解列，机组甩掉部分，或者全部负荷。在甩负荷时，由于导叶迅速的关闭，水轮机的流量急剧变化，因此在水轮机过水系统内产生水击。调保计算就是在电站初步设计阶段计算出上述过程中的最大转速上升及最大压力上升值。另外，调保计算 的目的是使压力升高和转速升高不超过允许值，确保电站水机系统安全稳定运行。 调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算设计水头和最大水头甩全负荷的压力上升和速率上升，并取其较大者。一般在前者发生最大速率升高，在后者发生最大压力升高。 （2）灯泡贯流式机组过渡过程的特点 灯泡水轮发电机组的调节过渡过程与常规机组相比有一些不同，一般轴流机组惯性力矩主要取决于发电机的飞轮力矩，对于灯泡机组来说，由于受灯泡比的限制，发电机直径约为立式机组的3/5，其惯性力矩仅相当于立式机组的1/10左右，因而，水轮机惯性和水体附加惯性力矩所占的比重应大大增加，而水体附加惯性力矩则随叶片安放角的增加而增加，所以对灯泡机组的过渡过程分析必须考虑其影响。 （3）调保计算标准 根据/51862004DL T -《水力发电厂机电设计规范》，水轮机在机组甩负荷时 的最大转速升高率max β宜小于60%；导水叶前最大压力上升率宜为70%100%～。根据有关已建电站试验证明，采用导叶分段关闭规律， 8m 尾水管的真空度不大于水柱。 （4）已知计算参数 装机容量：418.5?MW
水头参数：max 6.8H =m ， 5.82Hav =m ， 5.3r H =m ，5.1min =H m 水轮机参数：水轮机型号：()1102730GZ WP --，68.2/min r n r =， 3398.6/r Q m s =， 尾水管参数：尾水管进口直径3==7.1D d (m) 尾水管直锥段长度：211=2.0=2.07.3=14.6L D ?(m) 尾水管直锥段直径：41=1.428=1.4287.3=10.42D D ?(m) 尾水管混合过渡段长度：221=2.7=2.77.3=19.71L D ?(m) 尾水管混合过渡段高度：1h=1.453=1.4537.3=10.61D ?(m) 尾水管混合过渡段宽度：1B=2.04=2.047.3=14.892D ?(m) 机组转动部分飞轮力矩()3t m ?： 查《灯泡贯流式水电站》155P ：22 22GD GD D D G G =++水体附加发电机水轮机 发电机飞轮力矩23i t KD l GD =发电机 式中：K -经验系数, 查《灯泡贯流式水电站》126P ,表6-10： 68.2/min r n r =，=4.7~5.1K ，取=5K 。 即： 332=57.14 1.02=1856.4i t K D D G l =??发电机()3t m ? 取： 2=850GD 水轮机()3t m ? 02441= sin 8 B GD D L π γα水体-d （） （水轮机转轮区水体） 式中：γ-水体比重； 0L -叶片弦片长； B d -轮毂直径，之前取轮毂比为0.33，即1=/0.33B D d ，故 =0.337.3=2.41B d ?m ： αθ?=+，θo 为桨叶角为时0的叶片安放角；?为桨叶角度；
有压引水系统水力计算
一、设计课题 水电站有压引水系统水力计算。 二、设计资料及要求 1、设计资料见《课程设计指导书、任务书》； 2、设计要求： （1）、对整个引水系统进行水头损失计算； （2）、进行调压井水力计算球稳定断面； （3）、确定调压井波动振幅，包括最高涌波水位和最低涌波水位； （4）、进行机组调节保证计算，检验正常工作状况下税基压力、转速相对值。 三、调压井水力计算求稳定断面 <一>引水道的等效断面积：∑= i i f L L f ， 引水道有效断面积f 的求解表 栏号 引水道部位 过水断面f i （m 2 ） L i (m) L i/f i
所以引水道的等效断面积∑= i i f L L f =511.28/21.475=23.81 m 2 <二>引水道和压力管道的水头损失计算： 引水道的水头损失包括局部水头损失 h 局和沿程水头损失h 沿两部分 压力管道的水头损失包括局部水头损失h 局和沿程水头损失h 沿两部分 1, 2 2g 2h Q ?ξ局局= g ：重力加速度9.81m/s 2 Q ：通过水轮机的流量取102m 3/s ω ：断面面积 m 2 ξ：局部水头损失系数 局部水头损失h 局计算表 栏号 引水建筑物部位及运行 工况 断面面积 ω（m 2 ） 局部水头损失系数 局部水头损失 10-6Q 2（m ） 合计(m) (1) 进 水 口 拦污栅 61.28 0.12 0.017 0.307 (2) 进口喇叭段 29.76 0.10 0.060 (3) 闸门井 24.00 0.20 0.184 (4) 渐变段 23.88 0.05 0.046 (5) 隧 洞 进口平面转弯 23.76 0.07 0.066 0.204 (6) 末端锥管段 19.63 0.10 0.138 (7) 调 压 正常运行 19.63 0.10 0.138 2.202 (1) 拦污栅 61.28 4.1 0.067 (2) 喇叭口进水段 29.76 6.0 0.202 (3) 闸门井段 24.00 5.6 0.233 (4) 渐变段 2 3.88 10.0 0.419 (5) D=5.5m 23.76 469.6 19.764 (6) 锥形洞段 21.65 5.0 0.231 (7) 调压井前管段 19.63 10.98 0.559
水电站的水锤及调节保证计算
第九章水电站的水锤及调节保证计算 本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水锤简化计算、复杂管路的水锤解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。 第一节概述 一、水电站的不稳定工况 由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： (1) 引起机组转速的较大变化 丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高 增加负荷：与丢弃负荷相反。 (2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象 管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水锤”。 导时关闭时，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。 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。 (3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。 二、调节保证计算的任务 (一) 水锤的危害 (1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂； (2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动； (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算 水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。 1．调节保证计算的任务： (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； (2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。
YMS水电站水力过渡过程计算与分析
4第39卷第6期 2016年06月 水电姑机电技术 Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station Vol.39 No.6 Jun.2016 YM S水电站水力过渡过程计算与分析 刘峰，安刚 (新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000) 摘要:通过对YM S水电站水力过渡过程计算分析，介绍了各个系统的设计思路和布置方式，希望对国内外同类型水电站设计提供一定的借鉴参考。 关键词:水电站；调节保证计算；调压阀；气垫式调压室 中图分类号:TV136 文献标识码:A文章编号=1672-5387(2016)06-0004-03 D0I：10.13599/https://www.wendangku.net/doc/9117202093.html,ki.11-5130.2016.06.002 1概述 YMS水电站工程位于新疆维吾尔自治区阿克 苏地区，工程为引水式电站，由进水闸、引水渠道、压 力前池、压力钢管、厂房及尾水渠等主要建筑物组 成。电站最大水头210.3 m,加权平均水头201.3 m,额定水头199.6 m,最小水头199.6 m,设计弓丨用流量 140 m3/s,厂房内安装3台70 MW和1台34 MW的 立轴混流式水轮发电机组，总容量为244 MW。 2无调保措施下的计算 2.1引水系统布置 该电站是一座长压力引水系统电站，压力管道 总长S L为2332.43 m。发电弓|7乂系统由2条压力 输水管路组成，其中1号输水主管(04 600 mm)经 岔管分为2条支管分别接入2台70 MW机组,2号 输水主管(CM 100 mm)经岔管分为2条支管分另!j接 入1台70 MW机组和1台34 MW机组。 2.2调节保证计算控制标准 本电站水头范围为199.6 ~ 210.3 m,在电网中 承担基荷运行。结合地区电网容量及特点，按照《水 力发电厂机电设计规范》的要求，机组甩负荷时的最 大转速升高率保证值宜小于60 %，蜗壳最大压力升 高率保证倌宜为25 %~30 %.尾水管进口断面的最 大真空保证值不应大于0.08 MPa0 考虑到最大转速升高率与最大压力升高率计算 值存在误差，计算值中没包括甩负荷时蜗壳中压力 脉动，因此其保证值应按计算值并留有适当的裕度 来确定，本电站调节保证计算的设计标准如下： 机组最大转速升高率矣50 %; 蜗壳最大压力升高率矣25 %(263 m); 尾水管进口最大真空彡6_3 m。 2.3无调保措施下的过渡过程数值计算 由于电站尾水道很短，尾水管进口最小压力容 易满足，而引水道相对较长，故主要针对蜗壳末端压 力和转速控制值选取控制工况。计算中的机组关闭 规律初步选用一段直线关闭,70 MW机组GD2暂取 3 600 t.m2,34 M W机组 GD2暂取 780 t.m2,计算结 果见下页表1。 由表1可知，在不设置调保措施的前提下,2个 7jC力单元机组关闭规律在11~15 S选取时，蜗壳末 端最大压力及机组最大转速上升率均大于相应的控 制标准，不能满足调保控制要求。因此，在现有的引 水系统下，单纯采用调整关闭规律的方法是不能够 解决水锤压力与机组转速上升之间的矛盾，应在引 水发电系统上设置调保措施。 3设置调压阀措施下的调保计算 为保证电站安全运行，需采用设置调压井或调 压阀等措施来解决引水系统水锤压力和转速上升之 间的矛盾。该电站属于中型电站，设置调压井需要较 大投资和较长工期，且电站由于自身的地形、地质条 件的限制，难于建造常规调压井。故从技术经济层面 考虑，推荐采用调压阀方案。 理论上调压阀必须与导叶联动，但一旦联动装收稿日期：2016-02-26 作者简介:刘峰(1981-)，男,工程师，长期从事水电站水力机械设计工作。
调压室的功用、要求及设置条件
调压室的功用、要求及设置条件 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。
调压室水力计算分解
调压室的水力计算 1. 调压室断面计算 当上游死水位，下游为最低水位，最小水位H min=188.9m，三台机满发，引水道糙率取最小值，压力管道糙率取最大值，通过水轮机的流量为57m3s?，则此时的引水隧洞水头损失的计算如表格1，压力钢管水头损失的计算如表格2。引水道应选可能的最小糙率0.012，压力管道应选择可能的最大糙率0.013。 表格1引水隧洞水头损失表 表格2压力钢管水头损失表 F T?> Lf 2αgH1 = Lf 2αg(H0??w0?3?wT ) =45.548m2 其中 H0——最小水头损失，H0=188.9m； ?w0——引水隧洞损失，?w0=17.802+0.296=18.098； ?wT 0——压力管道水头损失，?wT =3.110+2.805=5.915m； L——引水隧洞长度，12662m；g——重力加速度，g=9.81m/s2 f——引水隧洞面积，16.62m2。α——引水道阻力系数 v0=Q f = 57 16.619 =3.43m s? α=?w0 v02 = 18.098 3.4302 =1.5385
为了保证大波动的稳定，一般要求调压室断面大于托马斯断面，初步分析时可取（1.0~1.1）F T?，作为调压室的设计断面。这里选取D=7.8m，则系数k为： F k=47.784 k=F k/F T?=1.05 2. 最高涌波水位计算 按正常蓄水位时共用同一调压室的三台机组全部满载运行瞬时丢弃全部负荷（即流量由Q max=57减至流量Q=0）作为设计工况。引水隧洞的糙率取尽可能的最小值（能耗少，涌波高）。n=0.012 引水道损失由表格1和表格2得： ?w0=? w0程+? w0局 =17.802+0.296=18.098m v0为时段开始时管中流速v0=Q f =3.43m s?；f为引水隧洞断面面积。 F为调压井断面面积，145.267m2；引水隧洞长L=12662m，g=9.81m s2 ?得引水道—调压室系统的特性系数。 λ= Lfv02 2gF?w0 = 12662×16.62×3.432 2×9.81×47.784×18.098 =145.89 令X0=?w0 λ=0.124，X=z λ ，则要求最高涌波水位z max，只需要求出X max=z max λ 即可。X max的符号在静水位以上为负，以下为正。 ln（1+X max）?X max=?X0 运用牛顿切线法求解方程的根 令 φ(x)=ln（1+x）?x+X0牛顿迭代公式为： x k+1=x k?φ(x)φ′(x) 取迭代初值x0=?0.5，计算结果见下表 表格3迭代计算结果 由表格3可以看出精确到0.001，X max=z max λ =?0.419 |z max|=?λX max=61.128m 根据《水电站调压室设计规范》调压室最高涌波水位以上的安全超高不宜小于1m。所以调压室的顶高程： Z=1279+61.128+1.5=1341.63m
水力-机械过渡过程计算分析总结
大波动过渡过程计算分析总结水电站输水系统和机组过渡过程的计算分析具有重要的意义，该计算分析对于机组参数GD2的选择、导叶关闭规律的确定、调压室参数的选择和管道线路的布置等方面都有重要的指导作用。 水电站过渡过程计算分析由大波动过渡过程计算分析和小波动过渡过程计算分析两部分组成。以下对大波动过渡过程计算分析进行总结说明。 大波动过渡过程计算分析主要包含以下几个部分：①该类系统数学计算模型的建立和求解；②仿真计算程序的编制；③具体输水系统有关原始数据的准备（包含实际系统概化问题）；④各种大波动控制工况的计算分析；⑤《水力过渡过程计算分析报告》的撰写。一．数学计算模型的建立 水电站输水系统数学模型由输水道数学模型和边界数学模型两部分构成。 1．输水道数学模型 目前，输水道数学模型是根据一元总流流体的运动方程和连续方程，建立有压管道水力瞬变的弹性水锤基本方程组，然后利用特征线法对方程组进行简化、求解（这里暂不讨论无压输水道）； 由于在建立和求解模型的过程中，存在一些简化和假定条件，因此存在以下几个值得研究的问题： ①现模型采用一元流假定，该假定在某些情况下不适用，应该改
用“二元流”或“三元流”原理构造数模。 ②该模型要求“同一段管道为单特性管”，因此须对非单特性管进行合理概化。 ③该模型中管道阻力系数采用的是阀门关闭前稳态流动的值，实际应该采用动态的阻力系数。 ④计算时间步长和波速调整的优化。 ⑤含气水锤模型的建立。 2．边界数学模型 不同边界具有不同的数学模型，目前基本边界的数学模型已较成熟，满足仿真计算精度要求。 3．数模的求解方法 有压输水道数学模型采用特征线法求解；简单边界数学模型（如一元非线性代数方程）采用改进的不动点迭代法求解；复杂边界数学模型（如二元非线性代数方程组）采用牛顿-莱甫生法求解。二．仿真计算程序的编制 利用FORTRAN语言将已建立的数学模型和所选的求解方法编制成仿真计算程序。同时，须注意以下几个问题： ①水轮机特性曲线的变换（目前采用改进的Suter法）。 ②水轮机特性曲线数据的插值方法。 ③计算过程中小开度工况的处理（目前采用数学模型处理）。 ④管网系统初始恒定流参数的确定。 三．原始数据的准备
水电站的水击及调节保证计算
第四章水电站的水击及调节保证 计算 本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。 第一节概述 一、水电站的不稳定工况 由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： (1) 引起机组转速的较大变化 丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高 增加负荷：与丢弃负荷相反。 (2) 在有压引水管道中发生“水击”现象 管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水击”。 导时关闭时，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。 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。 (3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。 二、调节保证计算的任务 (一) 水击的危害 (1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂； (2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动； (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算 水击和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。 1．调节保证计算的任务： (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力
管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； (2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水击压强及机组转速变化的措施。 2．调节保证计算的目的 正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。 第二节水击现象及其传播速度 1、一、水击现象 1．定义 在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水击。 2．水击特性 (1) 水击压力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，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。 (2) 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。 注：水击波在管中传播一个来回的时间t r=2L／a，称之为“相”，两个相为一个周期2t r=T (3) 水击波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。 二、水击波的传播速度
水电站引水系统设计
某水电站引水系统设计 该水电站所在河流中下游地段侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇形地貌，为修建引水式水电站提供了有利的地形条件。某水电站的引水隧洞和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约800m ，而两端河水位差达13m ，本区地层主要是前震旦系的黑云母混合片麻岩通过，沿洞线未发现断层，且洞线顶上部新鲜岩体厚达80～160m ，深部裂隙已趋闭合因此工程地质条件较好，洞线前部通过两条较大岩脉均大致与洞线正交，一条为石英斑岩，宽30～40m ，另一条为正常闪岩，宽26～30m ，岩脉与围岩接触良好，厂房后山坡地形坡度约50o～60o，坡高40m 左右，后山坡边坡基本稳定。 7.1隧洞洞径及洞线选择 布置考虑了地质条件、地形条件、施工条件与水力条件，由于施工技术条件的限制，引水洞径不宜大于12m ，因此，选择两条引水隧洞，四条压力管道分别给每台机组供水，供水方式为单元供水（即单管单机），钢管轴线与厂房轴线相垂直，这样可以使水流平顺，减小水头损失。 7.1.1有压引水隧洞洞径计算 由于水轮机选型部分已知单机最大引用流量：3max 124.91/Q m s = 隧洞断面面积：max 2e Q A V = 24 A D π= 式中： 4.2/e V m s = 由上式得：2max 22124.9159.484.2e Q A m V ?= == 则洞径8.7D m === 本设计中取9.0D m =。 7.1.2洞线选择原则 1）地质条件：尽可能位于完整坚硬的岩石中，避开岩体软弱、山岩压力大、地下水充沛及岩石破碎带、地震区。必须穿越软弱夹层或断层时尽可能正交布置。隧洞通过层状岩体时洞线与岩层走向夹角尽可能大，以利于围岩稳定，提高承载
第二节 调压室的工作原理和基本方程
第二节调压室的工作原理和基本方程 一、调压室的工作原理 水电站在运行时负荷会经常发生变化。负荷变化时，机组就需要相应地改变引用流量，从而在引水系统中引起非恒定流现象。压力管道中的非恒定流现象（即水锤现象）在上一章中已经加以讨论。引用流量的变化，在“引水道-调压室”系统中亦将引起非恒定流现象，这正是本节要加以讨论的。 图13-5为一具有调压室的引水系统。当水电站以某一固定出力运行时，水轮机引用的流量亦保持 不变，因此通过整个引水系统的流量均为，调压室的稳定水位比上游水位低，为通过引水道时所造成的水头损失。 当电站丢弃全负荷时，水轮机的流量由变为零，压力管道中发生水锤现象，压力管道的水流经过一个短暂的时间后就停止流动。此时，引水道中的水流由于惯性作用仍继续，流向调压室，引起调压室水位升高，使引水道始末两端的水位差随之减小，因而其中的流速也逐渐减慢。当调压室的水位达到水库水位时，引水道始末两端的水位差等于零，但其中水流由于惯性作用仍继续流向调压室，使调压室水位继续升高直至引水道中的流速等于零为止，此时调压室水位达到最高点。因为这时调压室的水位高于水库水位，在引水道的始末又形成了新的水位差，所以水又向水库流去，即形成了相反方向的流动，调压室中水位开始下降。当调压室中水位达到库水位时，引水道始末两端的压力差又等于零，但这时流速不等于零，由于惯性作用，水位继续下降，直至引水道流速减到零为止，此时调压室水位降低到最低点。此后引水道中的水流又开始流向调压室，调压室水位又开始回升。这样，引水道和调压室中的水体往复波动。由于摩阻的存在，运动水体的能量被逐渐消耗，因此，波动逐渐衰减，最后全部能量被消耗掉，调压室水位稳定在水库水位。调压室水位波动过程见图13-5中右上方的一条水位变化过程线。 当水电站增加负荷时，水轮机引用流量加大，引水道中的水流由于惯性作用，尚不能立即满足负荷变化的需要，调压室需首先放出一部分水量，从而引起调压室水位下降，这样室库间形成新的水位差，使引水道的水流加速流向调压室。当调压室中水位达到最低点时，引水道的流量等于水轮机的流量，但因室库间水位差较大，隧洞流量继续增加，并超过水轮机的需要，因而调压室水位又开始回升，达最高点后又开始下降，这样就形成了调压室水位的上下波动，由于能量的消耗，波动逐渐衰减，最后稳定在一个新的水位，此水位与库水位之差为引水道通过水轮机引用流量的水头损失。水位变化过程见图13-5中右下方的一条水位变化过程线。 从以上的讨论可知，“引水道一调压室”系统非恒定流的特点是大量水体的往复运动，其周期较长，伴随着水体运动有不大的和较为缓慢的压力变化。这些特点与水锤不同。在一般情祝下，当调压室水位达到最高或最低点之前，水锤压力早已大大衰减甚至消失，两者的最大值不会同时出现，因此在初步估算时可将两者分开计算，取其大者。但在有些情况下，如调压室底部的压力变化较快（如阻抗式或差动式调压室）或水轮机的调节时间较长（如设有减压阀或折流板等），这时水锤压力虽小，但延续时间长，则需进行调压室波动和水锤的联合计算，或将两者的过程线分别求出，按时间叠加，求出各点的最大压力。 在增加负荷或丢弃部分负荷后，电站继续运行，调压室水位的变化影响发电水头的大小，调速器为了维持恒定的出力，随调压室水位的升高和降低，将相应地减小和增大水轮机流量，这进一步激发调压室水位的变化，因此调压室的水位波动，可能有两种情况：一种是逐步衰减的，波动的振幅随时间而减小；另一种是波动的振幅不衰减甚至随时间而增大，成为不稳定的波动，产生这种现象的调压室其工作是不稳定的，在设计调压室时应予避免。 因此，研究调压室水位波动的目的主要是： (1)求出调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，从而决定调压室的高度和引水道的设计内水压力及布置高程。