调压井课程设计--水电站有压引水系统水力计算.doc

水电站课程设计水电站课程设计 计算书计算书 水电站课程设计计算书 2 目录目录 一、设计课题一、设计课题 .3 二、设计资料及要求二、设计资料及要求 .3 1、设计资料见、设计资料见课程设计指导书、任务书课程设计指导书、任务书 .3 2、设计要求、设计要求 .3 三、调压井稳定断面的计算三、调压井稳定断面的计算 .3 1、引水道的水头损失计算、引水道的水头损失计算 .3 （1）局部水头损失计算局部水头损失计算 .3 （2）沿程水头损失计算）沿程水头损失计算 .4 2、引水道的等效断面面积计算、引水道的等效断面面积计算 .6 3、调压井稳定断面计算、调压井稳定断面计算 .7 四、调压井水位波动计算四、调压井水位波动计算 .8 1、最高涌波水位计算、最高涌波水位计算 .8 1） 、当丢弃负荷：当丢弃负荷：300000KW时，采用数解法时，采用数解法.8 2） 、当丢弃负荷为当丢弃负荷为 4500015000 时，采用图解法：时，采用图解法：.9 2、最低涌波水位、最低涌波水位 .10 1) 丢弃负荷度为丢弃负荷度为 300000KW 时（数解法）时（数解法）10 2）增加负荷度为增加负荷度为 30000-45000KW 时（两种方法）时（两种方法）.11 五调节保证计算五调节保证计算 .13 1、检验正常工作情况下的水击压力、检验正常工作情况下的水击压力 .13 2、检验相对转速升高是否满足规范要求、检验相对转速升高是否满足规范要求 .16 六、参考文献六、参考文献 .16 七、附图七、附图:17 附图附图 1:丢弃负荷时调压井水位波动图丢弃负荷时调压井水位波动图.17 附图附图 2:增加负荷时调压井水位波动图增加负荷时调压井水位波动图.17 水电站课程设计计算书 3 一、设计课题一、设计课题：水电站有压引水系统水力计算水电站有压引水系统水力计算。 二、设计资料及要求二、设计资料及要求 1、设计资料见、设计资料见课程设计指导书、任务书课程设计指导书、任务书 ； 2、设计要求、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求稳定断面； （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水击压力、转速相对值升高 是否满足规范要求。 三、调压井稳定断面的计算三、调压井稳定断面的计算 1、引水道的水头损失计算、引水道的水头损失计算 （1）局部水头损失计算表）局部水头损失计算表 局部水头损失采用如下公式计算： 2 2 2 2g 2g hQ 局 局局 水电站课程设计计算书 4 表 1 局部水头损失计算表 本表计算中 Q=102m3/s，g=9.8m/s2 （2）沿程水头损失）沿程水头损失 h 程计算表程计算表 沿程水头损失采用如下公式计算： 2 2 4 2 3 n l hQ R 程 局部水头损失栏 号 引水建筑物部位及运行工况 断面面 积 （ ） 2 m 局部 水头 损失 系数 (m) 6 10 2 Q 合计 （m） 1拦污栅61.280.121.63 2进口喇叭段29.760.105.76 3闸门井24.000.2017.72 4 进 水 口 渐变段23.880.054.47 0.307 5进口平面转弯23.760.076.33 6 隧 洞末端锥管段19.630.1013.24 0.203 7正常运行19.630.1013.24 8 调 压 井 增一台负荷，从调压 井流入管道 19.631.50198.612.204 9上水平段平面转弯19.630.045.30 10下水平段平面转弯9.080.0849.51 11斜井顶部立面转弯19.630.0911.92 12斜井底部立面转弯9.080.0955.69 13 压力 引水 管道 锥管9.080.0849.51 14三台机满发 1 叉管19.630.3039.72 15三台机满发 2 叉管19.630.4559.58 16一台机满发 1 叉管19.630.2735.75 17一台机满发 2 叉管19.630.2735.75 18蝴蝶阀9.080.1486.64 4.467 水电站课程设计计算书 5 表 2 沿程水头损失计算表 其中 栏 1、2 、3、4、5、6、7 的流量 Q 为 102m3/s，根据压力管道相关参数 表得 7 栏的流量为 96.9,；8 栏的流量为 64.6,； 9、10、11 栏流量为 32.3 查规范和资料得到糙率 n，进水口取 0.013，隧洞取最小值 0.012，压力管道取最 大值 0.013 调压井前引水道的水头损失 压力415 . 1 037 . 0 011 . 0 815 . 0 022 . 0 013 . 0 007. 0203 . 0 307 . 0 mhhhw）（）（ 程局 管道的水头损失（压力管道长度为 113.3m,较长不计局部水头损失） h0.1090.0400.0040.0030.0560.212 0 h T 程 整个引水系统的水头损失m627 . 1 415 . 1 212 . 0 h hhf h 程 栏 号引水道部位 过水断 面面积 W（ ） 2 m 湿 周 （m ） 水力半 径 R（m ） 引水 道长 （m ） 6 10 2 n 2 Q (m) 合计 （m） 1喇叭口进水段29.7621.981.35406.04522.6590.007 2闸门井段24.0020.001.20005.67624.1340.013 3 进 水 口渐变段23.8818.641.281110.012603.3900.022 4D=5.5M 段23.7617.281.3756469.6543724.60.815 5 隧 洞锥形洞段21.6516.491.31255.07423.1540.011 6调压井 前管段 19.6315.711.250010.9821161.590.037 71 号叉管19.6315.711.250035.7468881.180.109 81-2 号叉管19.6315.711.250029.2156296.010.040 92 号叉管19.6315.711.250012.2323570.70.004 10锥管段13.8513.191.05003.9719392.710.003 11D=3.4 段9.0810.680.850021.25320107.10.056 水电站课程设计计算书 6 2、引水道的等效断面面积计算、引水道的等效断面面积计算 i i f L L f 其中 L 为调压井前引水道的长度 L=拦污栅长度+喇叭口进口段长度+闸门井段长度+渐变段长度+（D=5.5M 洞段长 度）+锥形洞段长度+调压井前管段长度 =4.1+6.0+5.6+10.0+469.6+5.0+10.98 =511.28m 计算表 引水道的等效 断面面积： L f Li fi 511.28 23.808 21.475 m2 3、调、调压井稳压井稳 定断面计算定断面计算 为使求得的稳定断面满足各种运行工况的要求，上游取死水位，下游取正常尾 栏号引水道部位 过水断面 fi（m2）Li(m) i f Li (1)拦污栅61.284.10.067 (2)喇叭口进水段29.766.00.202 (3)闸门井段24.005.60.233 (4)渐变段23.8810.00.419 (5)D=5.5m23.76469.619.764 (6)锥形洞段21.655.00.231 (7)调压井前管段19.6310.980.559 i L f i 水电站课程设计计算书 7 水位情况计算 净水头 H0=上游死水位下游正常尾水位=1082.01028.5=53.5m 001 3 wTw hhHH ：引水道水头损失，大小为 1.415 w h hwT0：压力管道沿程水头损失，大小为 0.212m =53.5-1.415-30.212=51.449m 001 3 wTw hhHH 当三台机组满出力时，保证波动稳定所需的最小断面：=kF 2 1 Lf gaH 其中 K 的取值为 1.01.1，为引水道总阻力系数 D=5.5m 102 4.284m/ 23.808 Q s f = 2 hw 1.415 0.077 2 4.284 取 k=1.0 则保证稳定所需要的最小断面为： 511.28 23.808 2 1.0156.46 2 9.8 0.077 51.499 Fm 44 156.46 14.11 3.14 F Dm 四、调压井水位波动计算四、调压井水位波动计算 1、最高涌波水位计算、最高涌波水位计算 （1 1）当丢弃负荷：）当丢弃负荷：300000kw 时，采用数解法时，采用数解法 当上游为校核洪水位 1097.35m，下游为相应的尾水位 1041.32m，电站丢弃两 台机时，若丢荷幅度为 300000KW，则流量为 63.60m3/s，用数解法计算。 水电站课程设计计算书 8 0 2 0 2 w gFh Lfv L-为引水道的长度为 511.28m f-引水道等效断面面积 v0-引水道水流流速 v0=m/s A Q 67 . 2 808.23 0 . 63 F-调压井稳定断面为 156.46m2 -引水道水头损失（=） 0 h 0 h 程局 hh g-取 9.8m/s2 (1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)10-663.663.6=0.20m 局 h =(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程 h 0.0120.01263.663.610-6=0.348m =0.20+0.348=0.548m 0 h 程局 hh 01 . 0 6 . 51 548 . 0 h 0 0 X 查书本 P150 图 10-4 得， max 0.10 z 则=0.1051.6+1097.35=1112.51m max Z （2 2）当丢弃负荷为）当丢弃负荷为 4500015000kw 时，采用图解法：时，采用图解法： 当上游为校核洪水位 1097.35m，下游为相应的尾水位 1041.32m，电站丢弃两 台机组时，若丢荷幅度为 4500015000KW，则流量为 96.531.0m3/s。利用 图解法求解 1、以横轴表示引水道流速 v，以圆点向左为正（水流向调压室） ，向右为负； 以纵轴表示水位 z，以向上为正，向下为负，横轴相当于静水 6 . 51 548 . 0 46.1568 . 92 67 . 2 808.2328.511 2 2 0 2 0 w gFh Lfv 水电站课程设计计算书 9 2、作辅助线曲线 引水道水头损失曲线：， 2 2 f v hhh g 局程 g2 2 h 局 24. 250. 110 . 0 10 . 0 07 . 0 05 . 0 20 . 0 10 . 0 12 . 0 C=87.882 6 1 1 R n 6 1 3756 . 1 012 . 0 1 =0.232 222 511.282.241 2 () hf 22 222 9.82 9.8 87.8821.3756 lvvv gg c R 2 绘制曲线 fQ ZAtt FF 511.28 156.46 22116s 9.81 23.808 lF T gf 计算时段取值范围为,的取值范围为 3.94.6 选取=4st 30 25 TT tt =,当丢弃负荷为 45000kw15000kw时，流量 96.531.0， f F 152 . 0 46.156 808.23 3 /ms 流速 4.051.30m/s。 =0.20 Q F46.156 0 . 31 =0.1524 -0.204=0.608 -0.8 fQ ZAtt FF 绘制曲线() w vzh 077 . 0 4 28.511 8 . 9 t L g =0.077（）() w vzh w hZ 采用matlab编程计算后画图，源代码如下： v(1)=4.05-0.077*(0.608*4.05-0.8) 水电站课程设计计算书 10 z(1)=-0.232*4.05*4.05+0.608*4.05-0.8 for i=1:29 dz(i)=0.608*v(i)-0.8 dv(i)=0.077*(-1)*z(i)-0.232*v(i)*v(i) v(i+1)=v(i)+dv(i) z(i+1)=z(i)+dz(i) end r(1,:)=z r(2,:)=v r=r 其中，v(i)为流速矩阵，z（i）为水位壅高矩阵，dz（i）为水位壅高增量矩 阵，dv（i）为流速矩阵增量矩阵,v(1)为第一时段末的水的流速,z(1)为第一 时段末调压井内水位的壅高，第二个以后时段的水位及流速如下表所示。 V(m/s)Z(m) VZ 水电站课程设计计算书 11 3.8850-2.1430-0.10461.5621 3.7804-0.5809-0.21061.4985 3.56980.9176-0.29831.3704 3.27152.2880-0.36741.1891 2.90413.4771-0.41840.9657 2.48574.4428-0.45250.7113 2.03335.1541-0.47070.4362 1.56255.5903-0.47410.1500 1.08855.7404 由表可知，最大壅高水位在5.59m5.74m之间，线性内插得最大壅高水位为 5.67（图纸见附图1）。 Zmax=1097.35+5.67=1103.02m 2、最低涌波水位、最低涌波水位： （1）丢弃负荷度为）丢弃负荷度为 300000KW 时（数解法）时（数解法） 当上游为死水位，下游为正常尾水位时，若电站丢弃全负荷时（300000，流 量变化为 67.50） ，因调压室水位达到最高水位时，水位开始下降，此时隧 3 /ms 洞中的水流朝着水库方向流动，水从调压室流向进水口，因此水头损失应变为负 值，水位到达最低值称为第二振幅。 ，=2.835m/s 1 2 0 f 2 f L v gFh 808.23 5 . 67 f 0 Q (1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)10-667.567.5=0.220m 局 h =(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程 h 水电站课程设计计算书 12 0.0120.01267.567.510-6=0.391m =0.220+0.391=0.611m 0 h 程局 hh 21.52 611 . 0 46.1568 . 92 835 . 2 808.2328.511 2 =0.012 0 0 hw 21.52- 611 . 0 - 查书本 P150 图 10-4 得=0.08，则=0.08(-52.21)=-4.177m 2 Z 2 Z Zmin=1082-4.177=1077.823m （2）增加负荷度为）增加负荷度为 30000-45000KW 时（两种方法）时（两种方法） 当上游为死水位，下游为正常尾水位，增荷幅度为 3000045000KW，流量变化 由 68.5102.5，流速 2.884.3 m/s。 3 /ms A、 数解法数解法 sm Q /31 . 4 808.23 5 . 102 f 0 m=68.5/102.5=0.668 (1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)10-6102.5102.5=0.516m 局 h =(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程 h 0.0120.012102.5102.510-6=0.902m =0.516+0.902=1.418m 0 h 程局 hh 2 2 511.28 23.808 4.31 0 73.26 22 9.81 156.46 1.418 0 lfv gFhw )/1)(m-1)(9 . 0/05 . 0 275 . 0 (1 62 . 0 0 min mm h Z w =) 62 . 0 26.73/668 . 0 1)(0.668-1)(9 . 026.73/05 . 0 668 . 0 275 . 0 26.73(1 水电站课程设计计算书 13 =3.435 min min 3.435 0 3.435 1.4184.871 Z hw Zm 调压井的最低水位为 1082-4.871=1077.129m B、 图解法图解法 增加负荷时的图解法与丢弃负荷的图解法类似，同样选择坐标系，绘出 、引水道水头损失曲线：， 2 2 f v hhh g 局程 g2 2 h 局 24. 250. 110 . 0 10 . 0 07 . 0 05 . 0 20 . 0 10 . 0 12 . 0 C=87.882 6 1 1 R n 6 1 3756 . 1 012 . 0 1 =0.232 222 511.282.241 2 () hf 22 222 9.82 9.8 87.8821.3756 lvvv gg c R 2 、绘出曲线； k Qf zavAtvt FF 511.28 156.46 22116s 9.81 23.808 lF T gf 则计算时段取值范围为取，的取值范围为 3.94.6 选取=4st 30 25 TT tt 又=,当增加负荷为 3000045000kw 时，流量 68.5102.5m3/s。 f F 152 . 0 46.156 808.23 =0.655 Q F46.156 5 . 102 =0.1524 -0.6554=0.608 -2.62t F Q t F AZ f 、绘制曲线() w vzh 077 . 0 4 28.511 8 . 9 t L g =0.077（）() w vzh w hZ 水电站课程设计计算书 14 Matlab编写程序： v(1)=2.88 z(1)=-0.232*2.88*2.88 for i=1:29 dz(i)=0.608*v(i)-2.62 dv(i)=0.077*(-1)*z(i)-0.232*v(i)*v(i) v(i+1)=v(i)+dv(i) z(i+1)=z(i)+dz(i) end v=v z=z r(:,1)=v r(:,2)=z 计算结果如下表 V(m/s)Z(m) VZ 2.946-2.7930.0599-0.8283 3.0069-3.62150.11730.7918 3.1242-4.41340.1655-0.7205 3.2897-5.13390.2020-0.6199 3.4917-5.75370.2252-0.4971 3.7169-6.25080.2345-0.3601 3.9514-6.61090.2301-0.2175 4.1815-6.82850.2134-0.0776 4.3950-6.9061 最大下降水位在-6.83m-6.90m之间,采用线性内插法,得到最大下降水位为 6.87m。Zmax=1082-6.87=1075.13m。 水电站课程设计计算书 15 五调节保证计算五调节保证计算 1、检验正常工作情况下的水击压力、检验正常工作情况下的水击压力 相应的正常工作情况下的正常蓄水位为 1092.0 米，相应的尾水位为 1028.5 米， 则：， 0 1092.0 1028.563.5H米 由所给资料可知：正常工作情况下的正常蓄水位为 1092.0 米，相应的尾水位为 1028.5 米，三台机满发电，通过水轮机的流量为 96.9，于是： 3 / sm 起始的流速96.9/23.808=4.07m, 0 v 水锤波速： / 2 1 w w E g a E Kr 上式中为水的体积弹性模量，一般为 2.1； 为水的容重，取 w E 52 10/N cm 9.81KN/m3，r 为管道的半径, 压力管道半径为 2.5m.蜗壳半径为 1.22m.尾水管 半径为 1.7m，K 为管道抗力系数。1.4 6 10 kpa 83.138 4 . 20 2 . 1623.102 b cT LLLL 压力管道=102.32 米，蜗壳=20.4 米，尾水管=16.2 米； T L c L b L ， 2 97.36m / b b L vs 2 165.66/ cc L vms V1=；V2 =；V3= sm/936 . 4 63.19 9 . 96 sm/291 . 3 63.19 6 . 64 sm/645 . 1 63.19 3 . 32 ；V5 = 4 32.3 2.332/ 13.85 Vm ssm/557 . 3 08 . 9 3 . 32 2 4.936 35.743.291 29.21 1.645 12.232.332 3.793.557 21.35 377.441/ L V ms 管管 smVT/689 . 3 32.102 441.377 水电站课程设计计算书 16 =977.073m/s T a 523 52 6 2.1 10/*9.81/9.81k/ m 2*2.1 10/ 1 1.4 102.5 N cmN N cm kpam 52 6 1435/ 862.9/ 2*2.1 10/ 1 1.4 101.7 c m s am s N cm kpam 102.3220.416.2 138.92/931.056/ 977.073862.9771.505 m cbT Tcb L am s LLL aaa Vm=sm L VcLVLVL cbTT /612 . 4 92.138 66.16536.97458.377 b 管道特性系数为 0 0 a931.056 4.612 3.45 22 9.81 63.5 v gH 当机组满负荷运行时，因为阀门从全开到全关的时间为 0 1 0 3.451 7s，其中有效关闭时间为,一个相长4.68s,为间 s 4.68Ts 22 138.92