调节保证计算课件课件

1、第四章第四章水电站的水击及调节保证计算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。速变化的计算方法和改善调节保证的措施。第一节第一节概概述述一、水电站的不稳定工况一、水电站的不稳定工况由于负荷的变化而引起导叶开度由于负荷的变化而引起导叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况转

2、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在有压引水管道中发生“水击水击”现象现象 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。 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)在无压引水系统在无压引水系统(渠道、压力前池渠道、压力前池)中产生水位波动现象中产生水位波动现象。二、调节保证计算的任务二、调节保

3、证计算的任务(一一)水击的危害水击的危害(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。(二二)调节保证计算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

4、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水击现象及其传播速度一、一、水击现象水击现象1定义定义 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

5、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注：水击波在管中传播一个来回的时间tr=2La，称之为，称之为“相相”，两个相为一个周期，两个相为一个周期2tr=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

6、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。Kg二、水击波的传播速度二、水击波的传播速度式中 K水的体积弹性模量，一般为2.06103MPa；E管壁材料的纵向弹性模数(钢村E=2.06105MPa，铸铁E=0.98105MPa，混凝土E=2.06104MPa)； 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/s1200m/s。 )/(114351smEDKEDKgKadd+=+=水击波速与管壁材料、

7、厚度、管径、管道的支承方式以 及水的弹性模量等有关，其计算公式为第三节第三节水击基本方程及边界条件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。 注注：F和和f为为两个波函数，两个波函数，其量纲与水其量纲与水头头H量纲相量纲相同，故可视同，故可视为压力波。为压力波。任何断面任任何断面任何时刻的水何时刻的水击压力值等击压力值等于两个方向于两个方向相反的压力相反的压力波之和；而波之和；而流速值为两流速值为两个压力波之个压力波之差再乘以差再乘以g/a。为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。)(axtF )(axtf

8、+AtBttAtBttVVgaHH=+BtAttBtAttVVgaHH=+)(2BttAtBttAtvv+=)(2AttBtAttBtvv+=002gHaV=000HHHHHi=0VVv =(二二) 水击计算的连锁方程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水管的材料、管壁厚度、直径沿管长不变：料、管壁厚度、直径沿管长不变： 用相对值来表示为 式中为管道特性系数；为水击压力相对值；为管道相对流速。 二、水击的边界条件二、水击的边界条件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。(一一)起始条件起始

9、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。即当即当t=0时，管道中任何断面的流速时，管道中任何断面的流速V=V0；如不计水头损失，；如不计水头损失，水头水头H=H0。(二二)边界条件边界条件1管道进口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： Hp=H02分岔管分岔管分岔管的水头应该相同， Hp1=Hp2=Hp3=Hp分岔处的流量应符合连续条件， Q=03分岔管的封闭端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，

10、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：Qp=04调压室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。 AiiAiAiqv+=1maxii=0/HHi=AiAiiiqvFVFVQQ=maxmax5水轮机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) 冲击式水轮机冲击式水轮机 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：式中：称为相对开度；max喷嘴全开时断面积 为任意时刻水击压力相对值。

11、(2) 反击式水轮机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，然后再加以修正再加以修正。为任意时刻相对流速及相对流量。)(00VVgaHHH=7 .40781. 9/ )40(1000)(0=VVgaH一、直接水击和间接水击一、直接水击和间接水击水击有

12、两种类型：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。(一一) 直接水击直接水击当水轮机开度的调节时间TS 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。注：水击波在管道中传播一个来回的时间为注：水击波在管道中传播一个来回的时间为2L/a，称为，称为“相相”。 (1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V-V00，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-V0)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V04

13、m/s，a1000m/s，终了流速V0时，压力升高值为：因此在水电站中应当避免发生直接水击因此在水电站中应当避免发生直接水击(二二)间接水击间接水击 若水轮机开度的调节时间TS2L/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。 211011AA=+2121022AAA=+2111110AnnAAnn=+211011yy+=211110nnii

14、innyyy+=二、 计算水管末端各相水击压力计算水管末端各相水击压力的公的公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) 计算公式计算公式阀门关闭情况：阀门关闭情况： 第一相末的水击压力第一相末的水击压力 第二相末的水击压力第二相末的水击压力 第第n相末的水击压力相末的水击压力.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。.阀门或导叶开启阀门或导叶开启：管道中压力降低，产生负水击

15、，其相对值用y表示。(二二)计算公式的条件计算公式的条件 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。0AA1max=三、开度依直线变化的水击三、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。(一一) 开度依直线变化的水击类型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

16、种类型： 第一类：当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 mm1压力接近极限值，即，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。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。+=0112A+=0112Ay0012/0max=gHaV422+=AmAm=22Am+=22Amy(二二) 开度依直线变化的水击简化计算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第一相水击计算的简化公式关闭阀门时 ： 开启阀门时 ： 发生第一相水击的条件是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

17、极限水击计算简化公式极限水击计算简化公式 当水击压强0.5时，可得到更为简化的近似公式： 003间接水击类型的判别条件间接水击类型的判别条件仅用大于还是小于1作为判别水击类型的条件是近似的。水击的类型除与有关，还与有关。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0=表示第一相水击和直接水击的分界线。0.00.40.81.21.62.0-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6-m =11I mm 1IIdIII1IVyymmyy 1V0 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； 0001.5时，常发生

18、极限水击；1.5时，则随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。1.0 000四、起始开度对水击的影响四、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，起始开度当机组只担任部分负荷运行时，l。因此机组由于事故丢弃负荷时的起始开度可能有各种数值。1起始开度对水击压强的影响五、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。注：阀门启闭时间相同，

19、但启闭规律不同，水击压强变化过程也不相同。 曲线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；曲线的规律与曲线相反，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，关闭规律较为合理，最不利的是规律。 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

20、发生极限水击，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。可采取先快后慢的非直线关闭规律，以降低末相水击值。0123456780.00.10.20.30.40.5 II I IIIt(Phase)024680.00.20.40.60.8t(Phase) I II III(二二)第一相水击压力的分布规律第一相水击压力的分布规律二、分岔管的水击压力计算二、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 注：注：尾水尾水管在管在导叶导叶或阀或阀门之门之后，后，水击水击现象现象与压与压力管力管道相道相反反(3) 求出尾水管的负水击后，应校核尾水