引水式水电站水力学计算设计大纲范本

1、FJD34260 FJD水利水电工程 技术设计阶段引水式水电站水道水利学计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年1月 水电站技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 设计依据文件和规范 43. 基本资料 44. 计算原则与假定65. 计算内容与方法66. 观测设计157. 专题研究168. 应提供的设计成果161 引言 工程位于 ,是以 为主, 等综合利用的水利水电枢纽工程。水库最高洪水位 m,正常蓄

2、水位 m,死水位 m，最大坝高 m。电站总装机容量 MW,单机容量 MW,共 台,保证出力 MW。 电站设计水头 m,最大水头 m,最小水头 m。电站最大引用流量 m3/s。本工程初步设计于 年 月审查通过。2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程的文件 (1) 工程可行性研究报告; (2) 工程可行性研究报告审批文件; (3) 工程初步设计报告; (4) 工程初步设计报告审批文件; (5)有关的专题报告。2.2 主要设计规范 (1)SDJ 1278 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; (2)SD 13484 水工隧洞设计规范; (3)SD 30388

3、 水电站进水口设计规范(试行); (4)SD 14485 水电站压力钢管设计规范(试行); (5)DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范; (6)DL/T 5079-1997 水电站引水渠道及前池设计规范 (7)SL 7495 水利水电工程钢闸门设计规范； (8)SDL 17385 水力发电厂机电设计技术规范。3 基本资料3.1 工程等级及建筑物级别 (1)根据SDJ 1278规范表1确定本工程为 等工程。 (2)根据引水系统工程在水电站枢纽中所处的位置及其重要性,按SDJ 1278确定建筑物级别为 级。 3.2 技术设计阶段工程枢纽布置图提示：本设计阶段,各建筑物的布置图,应包括

4、建筑物的体型尺寸、位置、高程、桩号.等。3.3 水文资料 (1)各种频率下的洪水流量,和经水库调节后相应的下泄流量; (2)多年平均流量; (3)厂房尾水出口处的水位流量关系曲线。3.4 水位资料 设计计算中常用的各种水位流量资料如表1。表1 水位流量表设计工况水库水位, m下泄流量m3/s电站尾水位 m备注万年一遇洪水千年一遇洪水百年一遇洪水正常蓄水位死水位3.5 建筑物主要控制桩号、高程、尺寸 (1)最大坝高、坝型; (2)进水口主要高程及尺寸: 进口底板高程及喇叭口尺寸、进口曲线型式; 进口检修闸门中心线桩号、底板高程及孔口尺寸； 进口工作闸门中心线桩号、及其底版高程及孔口尺寸; 渐变段

5、长度及尺寸; (3)引水隧洞直径、长度，渐变段末端桩号,隧洞起点底板或中心线高程,调压室与隧洞中心线交点处桩号及高程; (4)调压室的体型、尺寸,顶部、底板的高程； (5)压力管道主管直径、长度、坡度、弯段转弯半径，支管直径、长度、分岔型式,水轮机进口处管道中心线高程及直径。 3.6 机电设备及其主要参数 (1)机组额定转速 r/min; (2)机组飞逸转速 r/min; (3)机组轴向总推力 t; (4)机组旋转方向 ; (5)机组飞轮力矩GD2 t/m2;3.6.1 水轮机 (1)水轮机型号为 ,转轮直径D1= m; (2)水轮机的特性曲线; (3)水轮机调速时间 s,及其行程曲线图; (

6、4)涡壳进口尺寸,涡壳设计最大水头H= m, 涡壳长度为 m,平均流速为 m/s; (5)尾水管型式 ,中心线长度 m,平均流速 m/s; (6)水轮机安装高程 m,水轮机吸出高度Hs = m。3.6.2 发电机 (1)额定容量 MVA; (2)额定电压 V; (3)额定电流 A; (4)额定功率 ; (5)额定频率 s-1; (6)相 数 。 3.7 运行方式 根据水电站的运行方式,决定引水道的水力计算条件,按照有关规范规定： (1)丢弃负荷时,考虑瞬时全部关机，负荷从100 0;相应的流量由Q max 0; (2)加负荷时，考虑其他机组正常运行时，瞬时开最后一台机组,管道内流量由Q p (

7、Q p q)。 3.8 衬砌糙率提示：根据管道采用衬砌材料的不同,分段选用糙率系数。为了在设计中留有余地,糙率系数又不能准确的选定,在设计中假定一个上限与下限值,水力计算时组合一种不利条件进行计算。 4 计算原则与假定4.1 设计原则 (1)引水系统的水力计算,除执行本大纲外,还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。 (2)设计前应认真收集和分析有关水力计算的原始资料,落实电站的运行方式,并了解有无特殊的任务和要求。 (3)有关抽水蓄能电站水道水力设计，参见“抽水蓄能电站水道水力过渡过程计算大纲范本”。4.2 设计假定 (1)根据建筑物的等级,确定洪水位的高程、下泄流量和相应的下游尾水位,作

8、为设计的校核情况、设计情况分别进行计算。 (2)按照电站在电网系统中的位置和运行的条件,确定水力计算的组合情况。 (3)在计算调压室的最高和最低涌波以及进行压力管道内的水锤计算时,要计算电站的开机与关机的条件： 1)关机情况提示：一般计算调压室内的最高涌波和压力管道内的最大水锤压力。按有关规范规定,负荷由100 0,引水道内流量由Q max0,相应的上游应为最高水位。 2)开机情况提示：计算调压室内的最低涌波和压力管道内的负水锤。其他机组均满负荷,瞬时开启最后一台机组，流量由Q p Q max ，即Q p qQ max 。相应的上游为最低水位。 (4)引水系统水力计算选用糙率系数时,计算调压室

9、内最高涌波时取小值,计算最低涌波取大值。5 计算内容与方法5.1 对枢纽建筑物布置合理性复核提示：根据初步设计阶段已确定的枢纽布置,建筑物的体型尺寸、位置,用技术设计阶段落实的各项参数,重新进行各项水力计算,如发现有不合理处,可以局部调整建筑物的尺寸、位置和高程。5.2 过流能力的核算 提示：根据已有的枢纽布置,核算电站在各种运行工况下的过流能力。可参照有关管流公式进行计算。孔口尺寸必须满足宣泄各种流量的要求。5.3 水头损失计算提示：水头损失分为二种,即沿程摩擦损失和局部损失。为了水力计算中应用的方便,并适用于各种不同的流量，将沿程损失和局部损失换算成流量Q 的函数。 在设计水头时损失应分段

10、计算: (1)自进水口至调压室与隧洞交叉处; (2)自调压室与隧洞交叉处到水轮机进口(即蜗壳进口);(3)蜗壳尾水管至尾水出口(如有尾水洞及尾水调压室的电站也应计算在内)。计算情况又分为: (1)关机情况采用小的糙率系数计算沿程损失; (2)开机情况采用大的糙率系数计算沿程损失。 5.3.1 沿程损失计算 水流通过的管道自进水口到尾水出口均应包括在内,计算公式可采用： (1)谢才公式(Chezy)(1775) vC(RJ)1/2 (1) 沿程损失： 式中：v 为断面平均流速; C 谢才系数; R 断面的水力半径,即RA/P； J 为水力坡度; hf 沿程水头损失; L 隧洞或管道长度; A 断

11、面积； P 润周。(2)曼宁公式(Manning)(1890年)C=(1/n)R1/6 (3) 沿程损失：式中：n 为糙率系数; A 过水面积;Q 过流量;R 水力半径,园形断面 RD/4;L 隧洞或管道长度；D 隧洞或管道直径。5.3.2 局部水头损失计算 局部水头损失,可参照有关规范进行计算(如进水口部分可参照SD 30388附录四等)。其计算公式如下：式中：v22g流速水头；水头损失系数。局部损失种类如下：(1)进口损失;(2)拦污栅损失;(3)渐变段损失;(4)闸门槽损失;(5)弯管段损失;(6)分岔管损失；。5.4 水电站引用流量计算 根据枢纽和建筑物的特征及电站的等级,如表1列出校

12、核情况和设计情况，并计算各种工况下的引用流量。(1) 引用流量计算公式式中：N电站出力，MW； H0电站净水头，m； 效率系数。(2)各种计算工况表2 各种计算工况表运行工况库水位 m下泄流量 m3/s尾水位 m毛水头 m引用流量 m3/s水头损失 m净水头 H0 m效率系数 电站出力 N ，MW校核情况设计情况最低水位5.5 调压室水力计算 调压室的水力计算应满足DL/T 5058-1996中的规定。调压室的水力计算包括以下内容:(1)验算水力发电厂工作的稳定性,即确定调压室的稳定面积,以确保不稳定流逐步衰减;(2)决定调压室的最高涌波;(2) 决定调压室的最低涌波。5.5.1 判别设置调压

13、室的标准为了降低水轮机压力水道中的水锤压力,防止水锤波向隧洞内传播,应按DL/T 5058-1996中的不等式判定是否设置调压室:TWTW(7)式中：TWLV/(gH)压力引水道中水流的惯性时间常数,s;L压力引水道(包括涡壳和尾水管)各分段的长度,m;V各分段内相应的流速，m/s;g重力加速度,g=9.81m/s2;H相应水头(最小水头)，m; TWTW的允许值，一般取2s4s 。5.5.2 调压室稳定断面计算计算最小稳定断面时,应按电站运行中可能出现的最小水头计算。计算水头损失时,压力引水道应选用可能的最小糙率,压力管道选用可能的最大糙率。调压室的稳定断面按托马(Thoma)公式计算并乘以

14、系数K：式中: L压力引水道长度，m;f引水隧洞断面积，m;Hj电站最小净水头，m;自水库至调压室水头损失系数(包括局部损失与沿程摩擦损失)，在有连接管时应计入速头: K系数，一般选用1.0 1.1。5.5.3 调压室的涌波计算 调压室涌波计算按DL/T 5058-1996的规定进行。(1)调压室最高涌波计算按上游水库正常蓄水位和电站机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，或按上游水库设计洪水位，电站满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计情况进行计算；并按上游水库校核洪水位,瞬时丢弃全部负荷的情况作为校核情况。(2)调压室最低涌波计算调压室的最低涌波水位,按上游水库最低设计水位,电站由(m-1)台机组的过流

15、量增至m台的情况作计算。计算压力引水道的水头损失时糙率取可能的最大值。 (3)尾水调压室的涌波计算 参照有关调压室设计规范中的尾水调压室的规定进行计算。 5.6 水轮机调节保证计算(包括水锤计算) 图1调压室水位变化及压坡线提示：(1)调节保证计算是水电站设计中重要课题之一,它不仅影响压力管道、机组、涡壳等过流部件的强度,而且影响电站的安全运行和机组的稳定性,有时甚至影响电站的总体布置方案。 (2)当机组甩负荷时,水轮机导叶关闭,在压力管道和涡壳中引起压力上升,尾水管中引起压力下降。与此同时机组转速也发生剧变,水轮机导叶关闭较慢时,则水轮机剩余能量较大,机组速率上升值就较大,流速变化较慢,水击

16、压力较小;如导叶关闭快(即调速时间短),则速率上升值小,水击压力大。5.6.1 调节保证计算的主要任务提示：正确合理地解决导叶关闭时间、水击压力上升值和机组速率上升值三者之间的关系,最后选择适当的导叶关闭时间,使水压上升值和速率上升值都在规范允许范围内,以保证压力过水系统及机组结构的安全和供电质量。5.6.2 水击计算的任务 (1)决定压力管道内最大内水压力,作为设计或校核压力管道、涡壳和水轮机强度的依据。 (2)决定管路内最小内水压力,作为布置管线及防止压力管道中产生真空和校核尾水管内真空度的依据。5.6.3 调节保证计算标准和计算条件 (1)压力变化的计算标准 1)压力升高压力过水系统末端

17、(涡壳末端)的允许相对压力升高值max,目前一般采用下列数值:图2压力管道内水击压力分布示意图 当Ho100m时, max=0.150.30; 当Ho =40m100m时, max=0.300.50; 当Ho40m时, max=0.50.7。2)压力降低在压力过水系统内任何位置不允许产生负压,且应有2 m3 m的余压;尾水管进口的允许最大真空度为8 m水柱压力。(2)转速变化的计算标准甩满负荷时机组速率上升值的允许值必须满足SDJ 17385第2.2.3条中的规定:当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大,且担负调频任务时,宜小于45 ;当机组容量占电力系统工作总容量的比重不大或负担基荷时,宜

18、小于55 。提示：经过专门论证后值也可略超过55 。5.6.4 水锤计算和调节保证计算方法提示：详细的计算方法可参考水电站机电设计手册水力机械部分。5.6.4.1 水锤计算提示：(1)水轮机的关闭引起管路中产生正水锤;水轮机的开启则引起负水锤。水锤之大小和关闭及开启的时间长短有关。(2)水锤计算的方法有图解法和解析法图解法可将水锤变化与关开机的时间变化过程均能在绘图中表示。在复杂管道布置如有岔管的压力管道采用图解法较为精确如果是单机单管则采用解析法也已达到设计所要求的精度。此处只介绍解析法的计算方法图解法可参考有关水锤计算的专著。(3)水锤又分为直接水锤和间接水锤。(1) 水锤波传播速度a计算

19、式中:水锤波传播速度，m/s； 1425为声音在水中的传播速度，m/s; E0水的弹性模量, E02.1×103MPa; E管壁材料的弹性模量：钢 E2.1×105MPa;生铁 E1.0×105MPa;钢筋 E2.1×104MPa;橡皮 E2MPa6 MPa;D管道直径,cm; 管壁厚度，cm。 (2)判别直接水锤和间接水锤及其水锤压力形式 1)判别直接或间接水锤 直接水锤:水轮机关闭或开启时间 Tst=2L (10)间接水锤:水轮机关闭或开启时间 Tst=2L (11) 式中: Ts 水轮机导叶关闭或开启的时间，s； 水锤波传播速度，ms; t 水锤波

20、行驶两倍管路长度所需时间称为水锤的相; L 管道长度，m。 2)判别水锤压力形式 为了判别水锤压力形式，需计算管道特性系数和。 管道系数: 管路断面系数: 式中: V0 管道中的初始流速，m/s; 水锤波传播速度，m/s; H0 静水头,即上游水位与尾水位之差，m; Ts 水轮机导水叶关闭或开启时间，s; g 重力加速度, g9.81m/s2 ; LV 为压力输水管LTVT,涡壳LCVC和尾水管LBVB的总和， LVLTVTLCVCLBVB 。 根据管道特性系数和，即可在水锤形式判别图中确定水锤的范围。 (3)水锤计算的解析法 1) 间接水锤 当01.5时, 最大水锤压力发生在末相: m(/2

21、)±(24)1/2 (14) 当01时,最大水锤发生在第一相末: 1201(1±1)1/2 (15) 式中:、 管道特性系数; m 末相水锤相对压力升高或降低; 1 第一相水锤相对压力升高或降低; 0 导水机构的初始相对开度; 1 第一相末导水机构的相对开度。 亦可采用基谢列夫“水力计算手册”中的公式计算1:12(021)(021)220211/2 (16) 2)直接水锤 当Ts2L/时为直接水锤,其压力升高值为H,在完全关闭(k0)时: HV0/g (17) 式中：V0 为管道中起始流速。 (4)压力管道中水锤压力分布图3直接水锤沿管线分布简图 1)压力管道的最大压力升高

22、T为:TLTVT /(LV)max (18) HTTH0 (19) 2)涡壳末端最大压力升高c为: c(LTVTLCVC)/(LV)max (20)HccH0 (21) 3)尾水管中的最大压力降低B为:B(LBVB)/(LV)max (22)HBBH0 (23)图4间接水锤沿管线分布简图 4)尾水管最大真空度HB为: HBHSV23/(2g)HB (24) 式中：HS 吸出高度，m; V3 尾水管进口流速，m/s 。 5.6.4.2 转速变化计算 甩全负荷时转速变化计算公式: 甩负荷时机组速率上升值： (n maxn0)/n0100 (25) 式中:n0 初始转数,即甩负荷前机组的稳定转数;

23、n max 甩负荷过程中机组所达到的最大瞬时转速。 用列宁格勒金属工厂(··)的公式计算： 11(365N0T)/(GD2n20)1/21(T/T a)1/21 (26) 式中：G、D 分别为机组转动部分的重量和惯性直径。由于发电机转子的惯性比机组其他转动部分的惯性大得多,通常只考虑发电机转子的GD2； T 水轮机出力自N0降低至0时的历时(升速时间); N0 机组起始出力，kW; Ta 机组惯性时间常数，Ta(GD2n20)/(365N0),s 。 由于导水叶关闭过程中,水轮机出力受水击压力和水轮机特性等因素的影响;和导叶动作滞后以及采用不同导叶启闭规律等因素的影响。必须采用修正系数,常用的有摩根史密斯(S.M.S.)公式: f(1cp)3/2 (27) TS/(2Ta)f C (29) 式中:f 水击影响修正系数; C 水轮机飞逸特性影响修正系数; TS 导叶总关闭时间，s; np 水轮机飞逸转速，r/min; cp 平均水击压力相对值。 其次在我国常用列宁格勒金属工厂(.)公式:1(TS1/Ta)f1/2-1 (30) 式中: f 水击影响修正系数。 当0.6及0.5时,可根据(LV)/(gH0TS)值查图5即