引水式水电站水力学计算设计大纲概要

/ 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主编单位总工程师:参编单员:::勘测设计探讨院年月

目次1.引言 42.设计依据文件和规范 4基本资料 4计算原则和假定 6计算内容和方法 6观测设计 15专题探讨 16应供应的设计成果 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)工程可行性探讨报告;(2)工程可行性探讨报告审批文件;(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)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;(2)SD134—84水工隧洞设计规范;(3)SD303—88水电站进水口设计规范(试行);(4)SD144—85水电站压力钢管设计规范(试行);(5)DL/T5058-1996水电站调压室设计规范;(6)DL/T5079-1997水电站引水渠道及前池设计规范(7)SL74—95水利水电工程钢闸门设计规范；(8)SDL173—85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)依据SDJ12—78规范表1确定本工程为等工程。(2)依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SDJ12—78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,和经水库调整后相应的下泄流量;(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建筑物主要限制桩号、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,调压室和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GD2t/m2;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;(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。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运行方式依据水电站的运行方式,确定引水道的水力计算条件,依据有关规范规定：(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Qmax→0;(2)加负荷时，考虑其他机组正常运行时，瞬时开最终一台机组,管道内流量由Qp→(Qp＋q)。3.8衬砌糙率提示：依据管道接受衬砌材料的不同,分段选用糙率系数。为了在设计中留有余地,糙率系数又不能精确的选定,在设计中假定一个上限和下限值,水力计算时组合一种不利条件进行计算。4计算原则和假定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)设计前应细致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)依据建筑物的等级,确定洪水位的高程、下泄流量和相应的下游尾水位,作为设计的校核状况、设计状况分别进行计算。(2)依据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状况。(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,要计算电站的开机和关机的条件：1)关机状况提示：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Qmax→0,相应的上游应为最高水位。2)开机状况提示：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,瞬时开启最终一台机组，流量由Qp→Qmax，即Qp＋q＝Qmax。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,计算调压室内最高涌波时取小值,计算最低涌波取大值。5计算内容和方法5.1对枢纽建筑物布置合理性复核提示：依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,如发觉有不合理处,可以局部调整建筑物的尺寸、位置和高程。5.2过流实力的核算提示：依据已有的枢纽布置,核算电站在各种运行工况下的过流实力。可参照有关管流公式进行计算。孔口尺寸必需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便利,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计算:(1)自进水口至调压室和隧洞交叉处;(2)自调压室和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)。计算状况又分为:(1)关机状况—接受小的糙率系数计算沿程损失;(2)开机状况—接受大的糙率系数计算沿程损失。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,计算公式可接受：(1)谢才公式(Chezy)(1775)v＝C(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R＝A/P；J为水力坡度;Δhf沿程水头损失;L隧洞或管道长度;A断面积；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R＝D/4;L隧洞或管道长度；D隧洞或管道直径。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SD303—88附录四……等)。其计算公式如下：式中：v2／2g流速水头；ζ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依据枢纽和建筑物的特征及电站的等级,如表1列出校核状况和设计状况，并计算各种工况下的引用流量。引用流量计算公式式中：N电站出力，MW；H0电站净水头，m；η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H0m效率系数η电站出力N，MW校核状况设计状况最低水位5.5调压室水力计算调压室的水力计算应满足DL/T5058-1996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)确定调压室的最高涌波;确定调压室的最低涌波。判别设置调压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/T5058-1996中的不等式判定是否设置调压室:TW＞〔TW〕(7)式中：TW＝ΣLV/(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;〔TW〕TW的允许值，一般取2s～4s。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)公式计算并乘以系数K：式中:L压力引水道长度，m;f引水隧洞断面积，m２;Hj电站最小净水头，m;α自水库至调压室水头损失系数(包括局部损失和沿程摩擦损失)，在有连接管时应计入速头:K系数，一般选用1.0～1.1。调压室的涌波计算调压室涌波计算按DL/T5058-1996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，作为设计状况进行计算；并按上游水库校核洪水位,瞬时丢弃全部负荷的状况作为校核状况。(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)台机组的过流量增至m台的状况作计算。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水轮机调整保证计算(包括水锤计算)图1调压室水位变更及压坡线提示：(1)调整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,而且影响电站的平安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。和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,流速变更较慢,水击压力较小;如导叶关闭快(即调速时间短),则速率上升值小,水击压力大。调整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,最终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平安和供电质量。5.6.2水击计算的任务(1)确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)确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。调整保证计算标准和计算条件(1)压力变更的计算标准1)压力上升压力过水系统末端(涡壳末端)的允许相对压力上升值ζmax,目前一般接受下列数值:图2压力管道内水击压力分布示意图当Ho＞100m时,ζmax=0.15～0.30;当Ho=40m～100m时,ζmax=0.30～0.50;当Ho＜40m时,ζmax=0.5～0.7。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2m～3m的余压;尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱压力。(2)转速变更的计算标准甩满负荷时机组速率上升值β的允许值必需满足SDJ173—85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,宜小于55％。提示：经过特地论证后β值也可略超过55％。水锤计算和调整保证计算方法提示：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。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更和关开机的时间变更过程均能在绘图中表示。在困难管道布置如有岔管的压力管道接受图解法较为精确假如是单机单管则接受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)水锤又分为干脆水锤和间接水锤。水锤波传播速度a计算式中:α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,E0＝2.1×103MPa;E管壁材料的弹性模量：钢E＝2.1×105MPa;生铁E＝1.0×105MPa;钢筋E＝2.1×104MPa;橡皮E＝2MPa～6MPa;D管道直径,cm;δ管壁厚度，cm。(2)判别干脆水锤和间接水锤及其水锤压力形式1)判别干脆或间接水锤干脆水锤:水轮机关闭或开启时间Ts≤tΦ=2L／α(10)间接水锤:水轮机关闭或开启时间Ts＞tΦ=2L／α(11)式中:Ts水轮机导叶关闭或开启的时间，s；α水锤波传播速度，m／s;tΦ水锤波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σ和μ。管道系数σ:管路断面系数μ:式中:V0管道中的初始流速，m/s;α水锤波传播速度，m/s;H0静水头,即上游水位和尾水位之差，m;T′s水轮机导水叶关闭或开启时间，s;g重力加速度,g＝9.81m/s2;ΣLV为压力输水管LTVT,涡壳LCVC和尾水管LBVB的总和，ΣLV＝LTVT＋LCVC＋LBVB。依据管道特性系数σ和μ，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μτ0＞1.5时,最大水锤压力发生在末相:ξm＝(σ/2)［σ±(σ2＋4)1/2］(14)当μτ0＜1时,最大水锤发生在第一相末:ξ1＝2μ［τ0τ1(1±ξ1)1/2］(15)式中:σ、μ管道特性系数;ξm末相水锤相对压力上升或降低;ξ1第一相水锤相对压力上升或降低;τ0导水机构的初始相对开度;τ1第一相末导水机构的相对开度。亦可接受基谢列夫“水力计算手册”中的公式计算ξ1:ξ1＝2μ{(τ0＋μτ21)－［(τ0＋μτ21)2－τ20＋τ21］1/2}(16)2)干脆水锤当Ts＜2L/α时为干脆水锤,其压力上升值为ΔH,在完全关闭(τk＝0)时:ΔH＝αV0/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干脆水锤沿管线分布简图1)压力管道的最大压力上升ξT为:ξT＝〔ΣLTVT/(ΣLV)〕ξmax(18)ΔHT＝ξTH0(19)2)涡壳末端最大压力上升ξc为:ξc＝［(ΣLTVT＋ΣLCVC)/(ΣLV)］ξmax(20)ΔHc＝ξcH0(21)3)尾水管中的最大压力降低ηB为:ηB＝〔(ΣLBVB)/(ΣLV)〕ξmax(22)ΔHB＝ηBH0(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:HB＝HS＋V23/(2g)＋ΔHB(24)式中：HS吸出高度，m;V3尾水管进口流速，m/s。转速变更计算甩全负荷时转速变更计算公式:甩负荷时机组速率上升值β：β＝［(nmax－n0)/n0］100％(25)式中:n0初始转数,即甩负荷前机组的稳定转数;nmax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(П·М·З)的公式计算β：β＝－1＋［1＋(365N0T)/(GD2n20)］1/2＝［1＋(T/Ta)］1/2－1(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接受不同导叶启闭规律等因素的影响。必需接受修正系数,常用的有摩根史密斯(S.M.S.)公式:f＝(1＋ξcp)3/2(27)β＝〔TS/(2Ta)〕fC(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;ξcp平均水击压力相对值。其次在我国常用列宁格勒金属工厂(П