12.水电站的水锤与调节保证计算.ppt

浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 概述概述 一、水电站的不稳定工况一、水电站的不稳定工况 由于负荷变化而引起导水叶开度由于负荷变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。(一一)引起水轮机流量变化的两种情况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。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。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事故引起的负荷变化。水电站可能会各种各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。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。这是水电站水锤计算的控制条件。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1.引起机组转速的较大变化引起机组转速的较大变化v丢弃负荷：剩余能量丢弃负荷：剩余能量机组转动部分动能机组转动部分动能机组机组转速升高转速升高v增加负荷：与丢弃负荷相反。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“水锤水锤”现象现象v导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上导时关闭时，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。升，尾水管中则造成压力下降。v导叶开启时则相反。导叶开启时则相反。3.在无压引水系统中产生水位波动现象在无压引水系统中产生水位波动现象。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。计算。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水锤现象及特性水锤现象及特性一、水锤现象一、水锤现象v0L/c:升压波，由阀门向水库升压波，由阀门向水库传播，水库为异号等值反射。传播，水库为异号等值反射。vL/c2L/c:降压波，由水库向降压波，由水库向阀门传播，阀门为同号等值反阀门传播，阀门为同号等值反射。射。v2L/c3L/c:降压波，阀门降压波，阀门水水库。库。v3L/c4L/c:升压波，水库升压波，水库阀阀门。门。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水锤基本方程和边界条件水锤基本方程和边界条件一、基本方程一、基本方程 水力学水力学中已经介绍。忽略小项，不计摩阻项，得到：中已经介绍。忽略小项，不计摩阻项，得到：式中式中V管道中的流速，向下游为正；管道中的流速，向下游为正；H压力水头；压力水头；x距离，水库为原点，向下游为正。距离，水库为原点，向下游为正。c水锤波速。水锤波速。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 上述基本方程的通解：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：注：F和和f为两个波函数，其量纲与水头为两个波函数，其量纲与水头H相同，故可视相同，故可视为压力波。为压力波。vF(t-x/c)为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；vf(t+x/c)为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。v 任何断面任何时刻的水锤压力值等于两个方向相反的压任何断面任何时刻的水锤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力波之和；而流速值为两个压力波之差再乘以g/c。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 为声波在水中的传播速度，随水温度和压力的升高而加大，一般可取为1435m/s。v在缺乏资料的情况下，近似取值为：露天钢管的水锤波速露天钢管的水锤波速c1000m/s；埋藏式钢管的水锤波速埋藏式钢管的水锤波速c1200m/s；钢筋混凝土管可取钢筋混凝土管可取c 900m/s1200m/s。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 求解水锤的基本方程，需要利用边界条件和初始求解水锤的基本方程，需要利用边界条件和初始条件。条件。(一一)起始条件起始条件 把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1管道进口管道进口 管道进口处一般指水库或压力前池：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管与调压室 (1)分岔处的水头应该相同：分岔处的水头应该相同：Hp1=Hp2=Hp3=Hp (2)分岔处的流量应符合连续条件分岔处的流量应符合连续条件 Q=0 (3)分岔管的封闭端，流量为分岔管的封闭端，流量为0，即，即Q=0。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1)水斗式水水斗式水轮轮机机喷喷嘴的嘴的边边界条件界条件为为：(孔口出流孔口出流规规律律)(各个量都用相各个量都用相对值对值表示表示)称称为为相相对对开度；开度；max喷喷嘴全嘴全开开时时断面断面积积。为为任意任意时时刻水刻水锤压锤压力相力相对值对值。为为任意任意时时刻相刻相对对流速。流速。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 简单管道水锤计算的解析法简单管道水锤计算的解析法本节主要内容本节主要内容v直接水锤和间接水锤直接水锤和间接水锤v水锤的连锁方程水锤的连锁方程v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的反射v开度依直线变化的水锤计算开度依直线变化的水锤计算v起始开度和关闭规律对水锤的影响起始开度和关闭规律对水锤的影响v水锤压强沿水管长度的分布水锤压强沿水管长度的分布v开度变化结束后的水锤现象开度变化结束后的水锤现象浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1)当阀门关闭时，管内流速减小，当阀门关闭时，管内流速减小，V-V00，H为负，产生负水锤。为负，产生负水锤。(2)直接水锤压力值的大小只与流速变化直接水锤压力值的大小只与流速变化(V-V0)的的绝对值和水管的水锤波速绝对值和水管的水锤波速c有关，而与开度变化的有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。速度、变化规律和水管长度无关。v算例算例：设：设V0=5m/s，c=1000m/s，则丢弃全负荷时，则丢弃全负荷时H=510m。可见直接水锤要绝对避免。可见直接水锤要绝对避免。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ t 的压力为的压力为HtA，流速为，流速为VtA，两个通，两个通解消去解消去 f 后，得：后，得：v同理可写出时刻同理可写出时刻t=L/c后后B点的压力和流速的关系：点的压力和流速的关系：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 为管道特性系数；为管道特性系数；为水击压力相对值；为水击压力相对值；为管道相对流速。为管道相对流速。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ r=1浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 设B处入射波F，反射波为f 由基本方程得：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1.水锤波在管道进口处(水库、前池)的反射规律浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 根据水锤波的基本方根据水锤波的基本方程，可以推导出水锤程，可以推导出水锤波在分岔处的反射系波在分岔处的反射系数为：数为：4、水锤波在分岔处的反射、水锤波在分岔处的反射浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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。v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。2、间接水锤的两种类型、间接水锤的两种类型浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v关闭阀门时 v开启阀门时 3.开度依直线变化的水锤简化计算浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1.5时，常发生极限水锤；时，常发生极限水锤；v1.0 1时，时，最大水锤压，最大水锤压强发生在阀门关闭的终了，即极限水锤；强发生在阀门关闭的终了，即极限水锤；(2)当起始开度当起始开度 时，时，最大水锤压强发生最大水锤压强发生在第一相末；在第一相末；(3)当起始开度当起始开度 时，发生直接水锤，但非最大时，发生直接水锤，但非最大水锤；水锤；(4)当阀门起始开度为临界开度当阀门起始开度为临界开度 时，发生最大时，发生最大直接水锤：直接水锤：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v阀门启闭时间相同，但启闭规律不同，水锤压阀门启闭时间相同，但启闭规律不同，水锤压强变化过程也不相同。强变化过程也不相同。v曲线曲线表示开始阶段关闭速度较快，因此水锤压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；曲线锤压强逐渐减小；曲线的规律与曲线的规律与曲线相反，相反，关闭速度是先慢后快，而水锤压强是先小后大。关闭速度是先慢后快，而水锤压强是先小后大。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 理论研究证明，极限水锤无论是正、负水锤，理论研究证明，极限水锤无论是正、负水锤，管道沿线的最大水锤压强均按直线规律分布，如管道沿线的最大水锤压强均按直线规律分布，如图中红线所示。若管道末端图中红线所示。若管道末端A点的最大水锤为点的最大水锤为 和和 ，则任意点，则任意点C点的最大水锤为点的最大水锤为(一一)极限水锤压力的分布规律极限水锤压力的分布规律浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第一相水锤压力沿管线不依直线规律分布，正水锤第一相水锤压力沿管线不依直线规律分布，正水锤压力分布曲线是向上凸的，负水锤压力分布曲线是压力分布曲线是向上凸的，负水锤压力分布曲线是往下凹的。任意点往下凹的。任意点C近似表达式为近似表达式为(二二)第一相水锤压力的分布规律第一相水锤压力的分布规律浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 复杂管道水锤计算复杂管道水锤计算v在实际工程中，常见的是复杂管路系统，共有三在实际工程中，常见的是复杂管路系统，共有三种类型种类型1.串联管：管壁厚度、直径和材料随水头增加自上而下逐段改变。2.分岔管：这在分组供水和联合供水中经常遇到。3.蜗壳和尾水管：装有反击式水轮机的管道系统，应考虑蜗壳和尾水管的影响，而且其过流特性与孔口出流不一样，流量不仅与作用水头有关，而且与水轮机的机型和转速有关。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Vm=(LT VT+Lc Vc+Lb Vb)/L浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Hs 水轮机的吸出高度；水轮机的吸出高度；Vb 尾水管进口断面在出现尾水管进口断面在出现yb时的流速。时的流速。注：对于中高水头水电站：注：对于中高水头水电站：压力管道较长，蜗壳和尾压力管道较长，蜗壳和尾水管的影响较小，通常可略去不计。水管的影响较小，通常可略去不计。对于低水头水电站：对于低水头水电站：必须考虑蜗壳和尾水管的影必须考虑蜗壳和尾水管的影响响 ，而尾水管的影响往往较蜗壳更为显著。，而尾水管的影响往往较蜗壳更为显著。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水锤计算的计算机方法水锤计算的计算机方法 vGray和和Streeter合作，首先介绍了用计算机计算管合作，首先介绍了用计算机计算管道水锤的特征线法，随后道水锤的特征线法，随后Streeter出版了瞬变流专出版了瞬变流专著，奠定了用计算机分析管道水锤的基础。著，奠定了用计算机分析管道水锤的基础。v用特征线法计算水锤可分析复杂管路也可处理复用特征线法计算水锤可分析复杂管路也可处理复杂的边界条件，也可以杂的边界条件，也可以计入摩擦阻力计入摩擦阻力的影响。的影响。下面主要介绍水锤计算的特征线法下面主要介绍水锤计算的特征线法。v特征线方法是将偏微分方程转化为全微分方程的特征线方法是将偏微分方程转化为全微分方程的型式，再对全微分方程进行积分，得到有限差分型式，再对全微分方程进行积分，得到有限差分方程进行数值计算。方程进行数值计算。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v将水锤的基本方程进行处理变形。将水锤的基本方程进行处理变形。v假设管道是水平的，且沿管道长度引水管的直径假设管道是水平的，且沿管道长度引水管的直径不变。另外，水锤的发生和衰减过程是在很短的不变。另外，水锤的发生和衰减过程是在很短的时间内完成的，所以：时间内完成的，所以：v这样可以得到简化以后的水击基本方程，分别命这样可以得到简化以后的水击基本方程，分别命名为名为L1和和L2：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 机组转速变化计算机组转速变化计算v 水轮机调节机构开始关闭导叶，水轮机的引用流量水轮机调节机构开始关闭导叶，水轮机的引用流量逐渐减小，机组出力逐渐下降，同时在引水系统产生逐渐减小，机组出力逐渐下降，同时在引水系统产生水锤压力。当关闭到空转开度时，出力变为零，导叶水锤压力。当关闭到空转开度时，出力变为零，导叶关闭过程中所产生的能量，完全被机组转动部分所消关闭过程中所产生的能量，完全被机组转动部分所消耗，造成机组转速的升高。耗，造成机组转速的升高。v在机组调节过程中，转速变化通常以相对值表示，称在机组调节过程中，转速变化通常以相对值表示，称为转速变化率为转速变化率。v丢弃负荷：丢弃负荷：v增加负荷：增加负荷：浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 丢弃负荷时丢弃负荷时 增加负荷时增加负荷时Ts1导叶关闭至空转的时间；导叶关闭至空转的时间；N0机组丢弃负荷之前的出力，机组丢弃负荷之前的出力，kW。f 水锤压力修正系数。水锤压力修正系数。G、D水轮机转动部分重量和惯性直径。水轮机转动部分重量和惯性直径。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 调节保证计算标准和改善调节保证计算标准和改善调节保证的措施调节保证的措施 一、调节保证计算标准和计算条件一、调节保证计算标准和计算条件v所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。化在技术经济上合理的允许值。v这种标准在技术规范中有所规定，但这是在一定这种标准在技术规范中有所规定，但这是在一定时期和一定技术水平和经济条件下制定的，应用时期和一定技术水平和经济条件下制定的，应用时应结合具体情况加以确定。时应结合具体情况加以确定。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 当当H0100m时，时，max0.150.30v当当H0=40100m时，时，max0.300.50v当当H040m时，时，max0.500.702压力降低压力降低v在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压，且应有在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压，且应有23m水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。水柱高。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 任任 务时，务时，max宜小于宜小于45；n当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，负基荷时，max宜小于宜小于55；对斗叶式水轮机，；对斗叶式水轮机，max宜小于宜小于30。n注：当大于上述值时，应有所论证。注：当大于上述值时，应有所论证。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ ，在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 谢谢 !浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/