第八章水电站的水击与调节保证计算.ppt

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1、第八章水电站的水击与调节保证计算,第一节 水击现象及传播速度 第二节 水击最大值的计算 第三节 机组转速变化计算 第四节 减小水击压强的措施 第五节 调压室,第一节 水击现象及传播速度,一、水击现象及其危害 二、水击波的传播速度 三、直接水击与间接水击 四、研究水击的目的,一、水击现象及其危害 （一）水击现象 （二）水击传播过程 （三）水击的危害,（一）水击现象,伴随着压力管道内水流流速的突然改变而产生压强升高(或降低)的现象称为水击现象,动画演示,（二）水击传播过程 第一状态: 0tL/a 第二状态: L/a t2L/a 第三状态: 2L/a t3L/a 第二状态: 3L/a t4L/a,（

2、三）水击的危害 水击现象对水电站有压引水系统和机组的运行均有不利影响。若水击压强升高过大，可能会导致压力水管强度不够而爆裂；若尾水管中的水击压力降低过多，形成过大的负压，可能使尾水管发生严重的汽蚀，水轮机运行时机组会产生强烈振动；水击压力的上下波动，将影响机组稳定运行和供电质量；同时，水击现象还可能引起明钢管的振动破坏。因此，为了保证工程运行的安全可靠，必须研究水击现象，以便采取工程措施，防止水击压强过大，避免对工程带来危害。,二、水击波的传播速度,水击波的传播是水击现象的主要特征，水击波速是水击研究的重要参数，其大小主要与压力水管的直径D，管壁厚度，管壁（或衬砌）材料的弹性模量和水的体积弹性

3、模量等因素有关。根据水流连续性原理和动量定律，并计及水体的压缩性与管壁的弹性，可得水击波传播速度为：,明钢管：,钢筋混凝土管：,计算水击波速度时，对于不同的管材K值是不同的,埋藏式钢管：,坚固岩石中的不衬砌隧洞：,对于缺乏资料的情况下水击波的速度可按以下数据:明钢管1000m/s;埋藏式钢管1200m/s,三、直接水击与间接水击 若阀门（或导水叶）开度的调节时间 ，则在水库反射波到达水管末端的阀门之前，阀门开度变化已经结束。阀门处的最大水击压强不会受水库反射波的影响，这种水击称为直接水击，其数值很大，工程中应绝对避免。 若 ，则当阀门尚未完全关闭时，从水库反射回来的第一个降压顺行波已达到阀门处

4、，从而使阀门处的水击压强在尚未达到最大值时就受到降压顺行波的影响而减小。这种水击称为间接水击，是经常发生的水击现象。,四、研究水击的目的 （1）计算水电站引水系统水击压强的最大升高值，以确定压力管道、蜗壳和水轮机强度设计的最大内水压强，作为强度设计或校核的依据； （2）计算水电站引水系统水击压强的最大降低值，以确定其最小内水压强，作为布置压力管道路线（防止压力水管发生真空）及校核尾水管内真空度的依据； （3）研究水击与机组稳定运行的关系。水击压强的最大升高值与最大降低值是机组调节保证的依据； （4）研究降低水击压强的措施。,第二节 水击最大值的计算 一、水击的连锁方程 二、水击计算的边界条件

5、三、简单管道最大水击值的计算 四 、复杂管道的水击计算方法 五、水击压强沿管线的分布,一、水击的连锁方程 （一）水击的基本方程 (8-8) (8-9) 两式加减处理得： (8-10) (8-11),（二）水击特征方程 如图8-4所示，观察压力管道中A、B两点，B点在A点上游，设向上游为x正方向。令：某逆行水击波在t1时刻传到A点时该处的压强水头为 ，流速为 ，该水击波在t2时刻传到B点时该处压强水头 ，流速 。将此情况代入式（8-10），整理后得： (8-12) 同理，对于顺行波可得： （8-13）,（三）水击连锁方程 水击特征方程无量纲形式成为连锁方程。,逆行波,顺行波,式中：,利用上两式可

6、求得水击发生过程的全部解。因必须逐次连锁求解，故称为水击连锁方程。该方程的适用条件是管道的材料、管壁厚度及管径沿管长不变。,二、水击计算的边界条件 1、初始条件 初始条件是阀门（或导水叶）尚未发生变化的情况，此时管道内水流为恒定流，其平均流速为V0，电站静水头为H0。 2、边界条件,（1）阀门端A : （2）封闭端A: （3）压力水管进口端B: （4）管径变化点C : （5）分岔点D :,三、简单管道最大水击值的计算 水击计算的两个假定： （1）水轮机导叶（或喷嘴）的出流条件符合孔口出流。这一假定对冲击式水轮机是适合的，对反击式水轮机是近似的。 （2）在TS时段内导叶（或喷嘴）的开度变化与启闭

7、时间成直线关系。,关闭时：,开启时：,（一）直接水击计算,直接水击压强往往很大，例如当起始流速V0=5m/s、a =1000m/s的压力管道上，突然快速全部关闭，则： m，直接水击数值很大，因此，应当避免发生直接水击。,（二）间接水击计算 间接水击是水电站压力引水系统中经常发生的水击现象。根据对水击现象的研究，对于阀门（或导叶）依直线规律启闭的简单管时，间接水击最大值的发生只有第一相水击和末相水击两种情况。最大值发生在水击第一相末时称为第一相水击，发生在阀门关闭终了那一相末的水击称为末相水击。,1.第一相水击计算,阀门关闭时：,阀门开启时：,简化公式：,阀门关闭时：,阀门开启时：,2.末相水击

8、计算,简化公式：,3、第一相水击和末相水击的判别,水击的类型可以根据0和的值从图中查出。图中有6个区域，根据0和 两坐标交点落在的区域即可判别水击的类型。值得注意的是：应用简化公式计算出的值必须小于0.5，否则不能采用简化公式计算。,四、复杂管道水击计算简化方法 实际工程中经常遇到的是复杂管路系统。复杂管路可分为串联管、分岔管和考虑蜗壳和尾水管影响的管道系统三种类型。,串联管,分岔管,（一）串联管水击计算的简化方法 在实际工程中常用“等价水管法”简化计算串联管。是设想用一根等价的简单管来代替串联管，该等价简单管在管长、管中水体动能及水击波传播时间等方面与被代替的原串联管相同。 （1）等价管的总

9、长与原串联管相同,（2）等价管中水体动能与串联管相同,（3）等价管中水击波传播时间与串联管相同，,等价简单管的两个平均水管特性系数为：,（二）分岔管水击计算的简化方法,设想将由主管供水的所有机组合并成一台大机组，装在一根最长的支管末端。其引用流量为各机组引用流量之和，最长支管的横断面积为各支管横断面积之和，主管横断面积不变。这样，将布置有分岔的复杂管路首先简化作串联管，然后再用上述“等价管法”进行水击计算。当主管很长而支管相对而言很短时，采用这种简化方法。其计算精度一般可满足工程要求，但当主、支管长度相差不太大的情况（例如对于布置有分岔管的低水头电站），其计算结果是相当粗略的。,（三）考虑蜗壳

10、和尾水管影响的管道系统的水击计算,水轮机在导叶突然启闭时，其蜗壳和尾水管也将发生水击，蜗壳相当于压力水管的延续部分，其水击现象与压力管道中的水击现象相同；尾水管位于导叶之后，其水击现象与压力管道中的水击现象相反。高水头、长压力管道的电站，因蜗壳和尾水管相对很短，对水击影响可忽略不计；但对低水头、短压力管道水电站，蜗壳和尾水管的长度占电站压力引水系统比重较大时，应当考虑其影响。 由于蜗壳和尾水管中的流态极为复杂，断面又沿长度变化，故水击计算目前只能近似求解。常用的方法是将压力管道、蜗壳和尾水管看作串联管，用前述“等价管法”求出总水击压强，然后再按各段的动能比值分配水击压强值。,在求出Lm、Vm

11、、am 、m和m后，即可根据压力管道、蜗壳和尾水管中水体动能所占比例将或值进行分配：,压力水管末端：,或,蜗壳末端：,或,尾水管进口：,或,五、水击压强沿管线的分布 （一） 末相水击压强沿管线的分布规律,研究证明，当压力水管末端出现极限（末相）水击时，无论是正水击还是负水击，管道沿线的最大水击压强均按直线规律分布，如图中实线所示,（二）第一相水击的分布规律,研究证明，第一相水击压强沿管线不依直线规律分布，其中正水击的压强分布曲线是上凸的，负水击的压强分布曲线则是下凹的，如图中虚线所示。,关闭阀门时，任意点C的最大水击压强可按下式近似求得：,式中,从上式可以看出，等式右边第一项是管长为L时，A点

12、在第一相末的水击压强值；第二项相当于将水库移至C点，使管长变为Ll时，A点在第一相末的水击压强值。而任意点C的最大水击压强值则为二者之差，故此方法称为“水库移置法”,阀门开启时，任意点C在第一相末的最大水击压强可按“缩短管路法”计算 ：,绘制水击压强沿管路的分布图时，可根据管路布置情况选择几个有代表性断面，用上述方法求出各断面的最大正、负水击压强值。对于丢弃负荷的正水击分布图，可不计水头损失，在最高静水位线以上绘制；对于增机负荷的负水击分布图，宜计入水头损失，并在最低静水位线以下绘制。作为反水击的负水击分布图。不计水头损失。在最低静水线以下绘制。,第三节 机组转速变化计算 一、“原苏联列宁格勒

13、金属工厂”公式,丢弃负荷时 ：,增加负荷时 ：,二、长江流域规划办公室公式,近年来，科学技术及机组制造水平的发展提高，机组转速变化率值的规定范围有提高的趋势。目前，我国某些水电站实际运行中的值已超过40%,第四节 减小水击压强的措施 一、缩短压力管道的长度 二、减小压力管道的流速 三、采用合理的导叶（阀门）启闭规律 四、设置调压阀（空放阀） 五、设置水阻器 六、设置折向器（偏流器）,一、缩短压力管道的长度 缩短压力管道的长度，可减小水击波的传播时间，从进水口反射回来的水击波能较早地回到压力管道的末端，增加调节过程中的相数，加强进口反射波削弱水击压强的作用，从而降低水击压强。 在比较长的压力引水

14、系统中，可在靠近厂房的适当位置设置调压室，利用调压室具有较大的自由水面反射水击波，实际上等于缩短了管道的长度，这是一种有效地减小水击压强的工程措施。调压室工作可靠，对于水电站突然丢弃或增加负荷均起作用，但造价较高，应通过技术经济分析，决定是否设置。,二、减小压力管道的流速 减小流速可减小压力管道的特性系数和值，从而减小了水击压强值。但是水电站在运行中，设计要求的流量是一定的，减小流速需得加大管道断面，增加管径。而管径一般由动能经济计算确定，加大管径必然增加投资，往往是不经济合理的。一般只有在计算出的水击值略大于其容许的情况下，适当加大管道断面才可能是经济合理的。,三、采用合理的导叶（阀门）启闭

15、规律 在调节时间一定的情况下，采取合理得导叶（或阀门）的启闭规律能有效降低水击压强值。目前，工程中常采用分段关闭规律以有效减小水击压强：在中低水头电站中，一般出现末相水击，应采用先快后慢的关闭规律；在高水头电站中，常出现第一相水击，宜采用先慢后快的关闭规律。,四、设置调压阀（空放阀） 减压阀又称空放阀，一般装置于压力水管末端或蜗壳上，当机组丢弃负荷时，在 导叶关闭的同时，调压 阀开启，一部分机组引 用流量经由调压阀流向 下游，从而减小了水管 中流量的改变量，也即 减小水击值。在导叶关 闭终了后，调压阀则自 动缓慢关闭。,五、设置水阻器 水阻器是一种利用水阻抗消耗电能的设备，它与发电机母线相联。

16、当机组突然丢弃负荷时，通过自动装置使水阻器投入，将机组原来输出的电能消耗于水阻抗中，然后在一个较长的时段内将导叶关闭，这样就延长了关闭时间，从而减小了水击压强。水阻器造价低但运行可靠程度较差，而且当电站突然增加负荷时不起作用，故一般用于小型电站。,六、设置折向器（偏流器） 折向器是一种设置在冲击式水轮机喷嘴出口下方的偏流设备。当机组丢弃负荷时，调速器使折向器在12s时间内快速启动，将射流折偏，离开转轮，以防止机组转速变化过大。然后，针阀以较慢速度关闭，从而减小水击压强。折向器构造简单、造价低的优点，且无需增加厂房的尺寸，但折向器在机组增机负荷时不起作用。,第五节 调压室 一、调压室的功用、要求

17、及设置条件 二、调压室的布置方式及类型 三、调压室水位波动的计算 四、调压室的结构布置及构造要求,一、调压室的功用、要求及设置条件 （一）调压室的功用 （二）调压室的基本要求 （三）调压室的设置条件,（一）调压室的功用 （1）反射水击波。调压室具有自由水面，能反射由压力管道传来的水击波，从而避免或减小了引水道中的水击压力。 （2）缩短压力管道的长度。设置调压室后，缩短了压力管道的长度。 （3）改善机组在负荷变化时的运行条件和供电质量。调压室有一定容积，离厂房较近，机组负荷变化时能迅速补充或存蓄一定水量，有利于机组的稳定运行，从而改善水电站的供电质量。,（二）调压室的基本要求 根据调压室的功用，

18、调压室应满足以下基本要求： （1）调压室应尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。 （2）能较充分地反射压力管道传来的水击波。 (3)调压室的工作必须是稳定的。 (4)正常运行时，调压室的水头损失要小。 (5)工程安全可靠、施工简单、方便、造价经济合理。 上述各项要求之间会存在一定程度的矛盾，必须根据具体情况统筹考虑各项要求，进行全面的分析比较后确定。,（三）调压室的设置条件 在有压引水系统上设置调压室后，一方面使有压引水道基本避免了水击压力的影响，减小了压力管道中的水击压力 ，改善了机组运行的条件，从而减小了它们的造价，但另一方面却增加了设置调压室的造价。因此，是否设置调压室，应考虑水电站在电力

19、系统中的作用、地形及地质条件、压力管道的布置等因素，进行技术经济比较后加以确定。 1设置上游调压室的条件,2设置下游调压室的条件 尾水调压室的功用是缩短尾水道的长度，减小甩负荷时尾水管中的真空度，防止水柱分离。下游调压室的设置条件是以尾水管内不产生液柱分离为前提，判别条件为：,应注意的是：上述设置条件只是充分条件，不是必要条件，是否设置调压室，须经多方面考虑分析确定。,二、调压室的布置方式及类型 （一）调压室的基本布置方式 （二）调压室的基本类型,1、上游调压室（引水调压室） 2、下游调压室(尾水调压室) 3、上下游双调压室系统 4、上游双调压室系统,（一）调压室的基本布置方式,（二）调压室的

20、基本类型,1、简单圆筒式调压室（图 a） 2、阻抗式调压室（图 b） 3、双室式调压式（图c） 4、溢流式调压式（图d） 5、差动式调压室 （图e） 6、气压式或半气压式 调压室（图f）,三、调压室水位波动的计算 （一）调压室的工作原理 （二）调压室水位波动计算的解析法 （三）调压室水位波动计算的差分法,（一）调压室的工作原理,动画演示,（一）调压室水位波动计算的解析法 1简单圆筒式调压室 （1）丢弃全负荷时的最高涌波水位计算,（2）丢弃全负荷时的第二振幅计算,X2值也可从图 中曲线A和B根 据Xm或X0查得 .,丢弃负荷时简单圆筒式调压室最高涌波计算图,（3）增加全负荷时的最低涌波水位计算,

21、2阻抗式调压室 （1）阻抗孔水头损失计算,式中 为阻抗孔流量系数，可由试验得出， 初步计算时可取0.600.80； S为阻抗孔断面面积，,（2）丢弃全负荷时的最高涌波水位计算,当 时，,当 时，,式中hc0全部流量通过阻抗孔时的水头损失，m 。,（3）增加全负荷时的最低涌波水位计算,当阻抗孔尺寸满足 时，增加全负荷时的最低涌波水位可按下式近似计算：,（二）调压室水位波动计算的差分法 差分法是在已经拟定调压室尺寸的基础上进行逐步积分计算的，适用于各种类型的调压室，是设计中常用的方法。差分法计算结果较精确，可以求出整个波动过程。,1差分法计算的基本公式：,计算时段t选定后， 均为已知数。t的选择关

22、系到计算结果的精度。通常取 ，T为水位波动的理论周期，可近似取为：,2差分法计算的基本假定 (1) 由于t很小，所以假定在t的过程中，调压室水位Z和引水道流速V保持不变，而在时段末发生突变，即Z和V为阶梯式变化。 (2) 在一个时段t内，规定流速V和水位Z采用起始瞬时的数值计算。,3计算步骤 确定计算情况，选择t，求出 后，以引水道的V0代入公式，可求出第一时段末的调压室水位变量Z1；以 Z1= Z1hw0代入公式，求出第一时段引水道的流速变量V1，令V1V0V1代入公式，可求出第二时段末的调压室水位变量Z2，再由公式求出第二时段引水道的流速变量V2。以此类推下去，可求出调压室整个波动过程。可

23、通过计算程序由计算机完成，也可图解进行。,四、调压室的结构布置及构造要求,中小型水电站常用调压室的结构型式有塔式和井式两种典型形式。塔式结构称为调压塔，井式结构的调压室是在地下开挖成圆井或隧道，加以衬砌而成，又叫调压井。随着施工技术及岩石力学的发展，并出于经济上的考虑，我国解放后设计的调压室，很少采用塔式结构，绝大多数为井式或半井式结构。,调压井由直井、底板、顶盖和升管等组成。 引水调压室直井一般为埋设在基岩中的钢筋混凝土圆筒。大多数采用圆形，下室及尾水调压井则多数为矩形。根据具体地形地质条件，亦可采用其它便于施工、结构受力条件好的断面形状。当调压井顶部露出地面时，为防石块、杂物掉入井内，常设顶盖。小直径时，可采用平盖板，大直径时宜用球形盖板。完全位于地下的调压室，则采用拱形顶板。设有顶盖的调压井要设通气孔。为进井观测检修之用，在顶盖边缘应设进入孔。,谢谢！ 再见！,