水电站的水锤与调节保证计算

1、第九章 水电站的水锤与调节保证计算 本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象及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。 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。 (一) 引起水轮机流量变化的两种情况水电站正常运行情况下的负荷变化。 担任峰荷或调频任务的电站，水轮机的流量处于不断变化中；正常的开机或停机。水电站事故引起的负荷变化。水电站可能会各种各样的事故，可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。这是水电站水锤计算的控制条件。 一、水电

2、站的不稳定工况(二)水电站的不稳定工况表现形式 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、(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。 二、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。 第一节 水锤现象及特性一、水锤现象0L/c

4、: 升压波，由阀门向水库传播，水库为异号等值反射。L/c2L/c: 降压波，由水库向阀门传播，阀门为同号等值反射。2L/c3L/c: 降压波，阀门水库3L/c4L/c: 升压波，水库阀门二、水锤特性 (1) 水锤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，因而水锤压力往往较大，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，水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。摩擦阻力的存在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。 注：水击波在管中传播一个来回的时间tr=2La，称之为“相”，两个相为一个周期2tr=T (3) 水击波同其它弹性波一样，在

5、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、水锤的特性水锤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。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。水击波传播过程中，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。第二节 水锤基本方程和水锤波的传播速度一、基本方程 水力学中已经介绍。忽略小项，得到：式中V管道中的流速，向下游为正；H压力水头

6、；x距离，水库为原点，向下游为正。c水锤波速。一、基本方程 上述基本方程的通解： H=H-H0=F(t+x/c)+f(t-x/c) V=V-V0=-g/cF(t+x/c)-f(t-x/c) 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。 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。 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。二、水锤波的传播速度Ew为水的弹性模量，取2000MPa。计算公式的分子为声波在水中的传播速度，其值约为1435m/s。K为抗力系数，对于不同的情况取不同的数值。 水

7、锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关 二、水锤波的传播速度 1、明钢管 K=Ess/r2，Es和s分别为钢管的弹性模量和璧厚，r为半径。 c1000m/s 2、岩石中的不衬砌隧洞 K=100K0/r，K0为岩石的单为抗力系数。 3、埋藏式钢管 K=Ks+Kc+Kf+Kr，分别为钢管、钢管外混凝土、环向钢筋、围岩的抗力系数。 c1200m/s第三节 水锤计算的解析法本节主要内容直接水锤和间接水锤水锤边界条件(水电站)水锤的连锁方程水锤波在水管特性变化处的反射开度依直线变化的水锤计算起始开度和关闭规律对水锤的影响水锤压强沿水管长度的分布开度变化结束后的水锤现象一、直接

8、水锤和间接水锤1、直接水锤如果水轮机调节时间Ts2L/c，则水库反射波回到阀门之前开度变化已经结束，阀门处只受开度变化直接引起的水锤波的影响称为直接水锤计算直接水锤压力的公式：一、直接水锤和间接水锤 (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c有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。 算例：设V0=5m/s，c=1000m/s，则丢弃全负荷时H=510m。可见直接水锤要绝对避免。一、直接水锤和间接水锤2、间接水锤如果水轮机调节时间Ts2L/c，则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀

9、门处，阀门处的水锤压力由向上游传播的F波和向下游传播的f波相叠加而成称为间接水锤。间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。间接水锤是水电站经常发生的水锤现象，也是我们的主要研究对象。二、水锤的边界条件 求解水锤的基本方程，需要利用边界条件和初始条件。 (一) 起始条件 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=V0； 如不计水头损失，水头H=H0。 (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： B=H/H0=0 2分岔管与调压室 分岔处的水头应该相同： Hp1=Hp2=Hp3=Hp分岔处的流量应符合连续条件： Q=0 二、水锤的边界条件3.

10、 水轮机 (1) 水斗式水轮机喷嘴的边界条件为：(孔口出流规律) 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。 为任意时刻相对流速。 (2) 对反击式水轮机Q=Q(H,a,n) 反击式水轮机的过水能力Q与水头H、导叶开度a和转速n有关。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。 三、水锤的连锁方程三、水锤的连锁方程对于增加负荷情况，压力管道末端(阀门处)产生负水锤，其相对值用来表示。各种情况下的水锤计算公式参见教材的表9-1。利用上述公式，可以依次解出各相末的阀门处各相的水锤压力，得出水锤压力随时间的变化关系。计算公式的条件(1) 没有考虑管道

11、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锤压力的影响。四、水锤波在水管特性变化处的反射水锤波在水管特性变化处(进口 、分岔、变径段、阀门等)都要发生反射。一部分以反射波的形式折回，一部分以透射波的形式继续向前传播。反射波与入射波的比值称反射系数，以r表示。透射波与入射波的比值称透射系数，以s表示，两者的关系为： s-r=1 四、水锤波在水管特性变化处的反射1.水锤波在管道进口处(水库、前池)的反射规律 设B处入射波F，反射波为f 由基本方

12、程得： HtB - H0B=F+f HtB = H0B=H0 F+f=0F=-f 水锤波在管道进口处(水库、前池) 的反射规律为异号等值反射 四、水锤波在水管特性变化处的反射2、水锤波在水管末端的反射根据水锤波的基本方程，推导出阀门的反射系数为：根据水锤常数和任意时刻的开度，可利用上式确定阀门在任意时刻的反射系数。当阀门完全关闭时,=0，r=1，阀门处发生同号等值反射。上式对反击式水轮机是近似的。四、水锤波在水管特性变化处的反射3、水锤波在管径变化处的反射根据水锤波的基本方程，推导出管径变化处的反射系数为：四、水锤波在水管特性变化处的反射4、水锤波在分岔处的反射 根据水锤波的基本方程，可以推导

13、出水锤波在分岔处的反射系数为：五、开度依直线变化的水锤1、有效关闭时间总关闭时间为Tz。将阀门关闭过程的直线段适当延长，作为有效关闭时间Ts。缺乏资料时，可取Tsz在开度依直线规律变化时，不必用连锁方程求出各相末水锤，可用简化方法直接求出。五、开度依直线变化的水锤2、间接水锤的两种类型第一类：当 1时，最大水锤压力出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水锤压力接近极限值 ，即 ， 称为极限水锤。注：第一相水锤是高水头电站的特征；极限水锤常发生在低水头水电站上。 五、开度依直线变化的水锤3. 开度依直线变化的水锤简化计算第一相水锤计算的简化公式 关闭阀门时 开启阀门时 五、开度依直线变化的水锤(

14、2) 极限水锤计算简化公式当水锤压强时，可得到更为简化的近似公式： 五、开度依直线变化的水锤间接水锤类型的判别条件仅用 大于还是小于1作为判别水锤类型的条件是近似的。水锤的类型除与 有关，还与 有关。水锤类型判别图中，曲线表示极限锤击和第一相水锤的分界线，直线表示第一相锤击和直接水锤的分界线。 五、开度依直线变化的水锤I区为极限正水锤；II区为第一相正水锤； III区为直接水锤； IV区为极限负水锤；V区为第一相负水锤； 简单判别方法：时，常发生第一相水锤；时，常发生极限水锤；时，则随值的不同而发生第一相或极限水锤，个别情况下发生直接水锤。此时按图判别。 六、起始开度对水锤的影响 当机组满负荷

15、运行时，起始开度 1；当机组只担任部分负荷运行时， l。由极限水锤 只与 有关，而与 无关，图中 是一根平行于 轴的水平线。对第一相水锤 ，随着 的减小而增大，所以在图中表示为一根曲线。对直接水锤 ，为一通过坐标轴原点的直线，其斜率为2 。 起始开度对水击压强的影响起始开度对水锤压强的影响(l) 当起始开度 ， 1时， ，最大水锤压强发生在阀门关闭的终了，即极限水锤；(2) 当起始开度 时， 最大水锤压强发生在第一相末；(3) 当起始开度 时，发生直接水锤，但非最大水锤；(4) 当阀门起始开度为临界开度 时，发生最大直接水锤：七、开度变化规律对水锤压力的影响 阀门启闭时间相同，但启闭规律不同，

16、水锤压强变化过程也不相同。曲线表示开始阶段关闭速度较快，因此水锤压强迅速上升到最大值，而后关闭速度减慢，水锤压强逐渐减小；曲线的规律与曲线相反，关闭速度是先慢后快，而水锤压强是先小后大。水锤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。七、开度变化规律对水锤压力的影响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。八、水击压力沿管长的分布八、水锤压力沿管长的分布 (一) 极限水锤压力的分布规律 理论研究证明，极限水锤无论是正、负水锤，管道沿线线的最大水锤压强均按直线规律分布，如图中实线所示。若管道末端A点的最大水锤为 和 ，则任意点C点的最大水锤为八、水锤压力沿管长的分布 (二) 第一相