水电站的水锤与调节保证计算.ppt

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1、浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第九章 水电站的水锤与调节保证计算 浙江水利水电专科学校 2007年7月 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 重点内容 1. 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； 2. 简单管水锤简化计算、复杂管 路的水锤解析计算及适用条件； 3. 机组转速变化的计算方法和改 善调节保证的措施。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第一节 概述 一、水电站的不稳定工况 由于负荷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

2、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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (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 v丢弃负荷：剩余能量机组转动部分动能机组 转速升高 v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 v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。 v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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、

3、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空蚀，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) 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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v计算有压引水系统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 止管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； v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。 v选择调速器合理的调节时间和调节规律，

4、保证压力 和转速变化不超过规定的允许值。 v研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第二节 水锤现象及特性 一、水锤现象 v0L/c: 升压波，由阀门向水库 传播，水库为异号等值反射。 vL/c2L/c: 降压波，由水库向 阀门传播，阀门为同号等值反 射。 v2L/c3L/c: 降压波，阀门水 库。 v3L/c4L/c: 升压波，水库阀 门。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、水锤特性 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。 由于管壁具

5、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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中 ，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。 注：水锤波在管中传播一个来回的时间tr=2L/c， 称之为“相”，两个相为一个周期2tr=T。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第三节 水锤基本方程和边界条件 一、基本方程 水力学中已经介绍。忽略小项，不计摩阻项，得到： 式中 V管道中的流速，向下游为正； H压力水头； x距离，水库

6、为原点，向下游为正。 c水锤波速。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v上面二式中，因流速V与波速c相比数量较小，故可 忽略和项。 v为简化计算，使方程线性化，忽略摩擦阻力的影响 。 v当x轴改为取阀门端为原点，向上游为正时，方程 可简化为： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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相同，故可视 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； vf(t+x/c)为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。

7、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 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水电站http:/ 二、水锤波的传播速度 vEw为水的弹性模量，取2000MPa。 vE管壁材料的纵向弹性模量。 vD管道内径；管壁厚度。 水锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承 方式以及水的弹性模量等有关 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v 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c1000m/s； 埋藏式钢管的水锤波速c1200m/s； 钢筋混凝土管可取c 90

8、0m/s1200m/s。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (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 (1) 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 Q=0 (3) 分岔管的封闭端，流量为0，即Q=0。 浙江水专国家精品课程水电站

9、http:/ 3. 水轮轮机 (1) 水斗式水轮轮机喷喷嘴的边边界条件为为：(孔口出流 规规律)(各个量都用相对值对值 表示) 称为为相对对开度；max喷喷嘴全 开时时断面积积。 为为任意时时刻水锤压锤压 力相对值对值 。 为为任意时时刻相对对流速。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (2) 反击击式水轮轮机边边界条件。 反击击式水轮轮机的特点：水轮轮机有蜗蜗壳、导导水叶 、尾水管等，出流特性与孔口完全不同。 水轮轮 机的转转速与水轮轮机的流量相互影响。流量的改 变变不仅仅在压压力管道中，而且在蜗蜗壳、尾水管中也 产产生水锤锤。 由此可见见，反击击式水轮轮机的过过水能力与水头头、导导 叶

10、开度、转转速等有关，所以在水锤计锤计 算中需要综综 合运用管道水锤锤方程、水轮轮机运转转特性曲线线、水 轮轮机转转速方程进进行求解，比较较复杂杂，故常常简简化 。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第四节 简单管道水锤计算的解析法 本节主要内容 v直接水锤和间接水锤 v水锤的连锁方程 v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 v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 v开度变化结束后的水锤现象 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 一、直接水锤和间接水锤 1、直接水锤 v 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，

11、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 v 计算直接水锤压力的公式： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V-V00，H为负，产生负水锤。 (2) 直接水锤压力值的大小只与流速变化(V-V0)的 绝对值和水管的水锤波速c有关，而与开度变化的 速度、变化规律和水管长度无关。 v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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 2、间接水锤 v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门处，阀门处的水锤压力 由向上游传播的F

12、波和向下游传播的f波相叠加而成 称为间接水锤。 v间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。 v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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、水锤的连锁方程 v 若已知断面A在时刻 t 的压力为HtA，流速为VtA ，两个通 解消去 f 后，得： v 同理可写出时刻t=L/c后B点的压力和流速的关系： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v由于F(t+t)-(x+L)/c=Ft-x/c，由上述二式得 v同理： v这两个方程为水锤连锁方程。 v连锁方程给出了水锤波在一段时间内通过两个断面 的压力和流速的关系。 v前提应满足水管的材料、管壁

13、厚度、直径沿管长不 变。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v水击连锁方程用相对值来表示为： v式中 为管道特性系数； 为水击压力相对值； 为管道相对流速。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v由上面的连锁方程可以写出第一相末、第二相末、 第n相末的的水锤压力： v利用上面的公式，可以依次求出各相末阀门处的水 锤压力，得出水锤压力随时间的变化关系。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v 上面是阀门关闭情况，当阀门或导叶开启时，管 道中产生负水锤，其相对值用y表示，用同样的方 法可求出各相末计算公式。 v 计算公式的条件 (1) 没有考虑管道摩阻影响，因此只适用于不计摩阻的情况

14、； (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正； (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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 三、水锤波在水管特性变化处的反射 v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。 v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。 v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 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 设B处入射波F，反射波为f 由基本方程得

15、： 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水电站http:/ 2、水锤波在水管末端的反射 v根据水锤波的基本方程，推导出阀门的反射系数为 ： v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。 v当阀门完全关闭时,=0，r=1，阀门处发生同号等值 反射。 v上式对反击式水轮机是近似的。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v根据水锤波的基本方 程，推导出管径变化 处的反射系数为： 3、水锤波在

16、管径变化处的反射 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 根据水锤波的基本方 程，可以推导出水锤 波在分岔处的反射系 数为： 4、水锤波在分岔处的反射 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 四、开度依直线变化的水锤 1、有效关闭时间 v总关闭时间为Tz。 v将阀门关闭过程的直线段适 当延长，作为有效关闭时间Ts 。 v缺乏资料时，可取Ts=0.7Tz v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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v 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。

17、 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 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (1) 第一相水锤计算的简化公式 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水电站http:/ (2) 极限水锤计算简化公式 v当水锤压强0.5时，可得到更为简化的近似公式： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 水锤类型的判别条件 浙江水专国家精品课程水电站http:/ vI区为极限正水锤；II为第一相正水锤； III为直接 水锤； IV为极限负水锤；V为第一相负水锤； v简单判别方法： v 1.5时，常发生

18、极限水锤； v1.01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： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 六、开度变化规律对水锤压力的影响 v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。 v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。 浙江水专国家精品课程水电站http

19、:/ 导叶的关闭规律 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 不同导叶关闭规律对水锤压力的影响 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v水锤压强的上升速度与阀门的关闭速度成正比，最 大压强出现在关闭速度较快的那一时段末尾。 v从图中可以看出，关闭规律较为合理，最不利的 是规律。 v在高水头电站中常发生第一相水锤，可以采取先慢 后快的非直线关闭规律，以降低第一相水锤值； v在低水头水电站中常发生极限水锤，可采取先快后 慢的非直线关闭规律，以降低末相水锤值。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 七、水锤压力沿管长的分布 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 理论研究证明，极限水锤无论是正、

20、负水锤， 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A点的最大水锤为 和 ，则任意点C点的最大水锤为 (一) 极限水锤压力的分布规律 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第一相水锤压力沿管线不依直线规律分布，正水锤 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C近似表达式为 (二) 第一相水锤压力的分布规律 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v对于第一相负水锤，任意点C的最大水锤降压为 v绘制水锤压力沿管线分布图时，应根据管线的布置情 况，选择几个代表性的断面，求出各断面上的最大正 、负水锤压力。 v当丢弃负荷时可不计管路的水头损失，在上游

21、最高静 水位上绘制水锤压力分布图。 v当增加负荷时，必须计算开启终了时管路的水头损失 与流速水头，在上游最低水位线以下，考虑水头损失 、流速水头与负水锤压力，绘制水锤压力分布图。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第五节 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 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

22、程水电站http:/ 一、串联管水锤的简化计算 v等价水管法: 把串联管转化为等价的简单管来 计算。 v等价原则： 管长、相长、管中水体动能与原管 相同。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v设一根串联管的管道特性为：L1，V1，c1； L2，V2， c2； ；Ln，Vn，cn，等价管的总长为：L=Li， 根据管中水体动能不变的要求(注意Aivi=Q，Q=Qi): LVm=L1V1+L2V2+LnVn=LiVi ， v由此可得加权平均流速：Vm=(LiVi)/L v根据相长不变的要求，水锤波按平均波速由断面A传 到断面B所需的时间等于水锤波在各段传播时间的总 和，即 浙江水专国家精品课程

23、水电站http:/ v对于间接水锤，管道的平均特性常数为 v求出管道平均特性常数后，可按简单管的间接 水锤计算公式求出复杂管道的间接水锤值。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、分岔管的水锤压力计算 v分岔管的水锤计算方法之一是截肢法。 v特点：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锤值。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 三、蜗壳、尾水管水锤压力计算 (1) 首先将蜗壳视作压力水管的延续部分，并假想把导 叶

24、移至蜗壳的末端，尾水管也作为压力管道的一部 分,把压力管道、蜗壳和尾水管组合视为一串联管， 再将该串联管简化为等价简单管进行计算。 设压力水管、蜗壳及尾水管长度、平均流速和水锤 波速分别为LT、VT、cT；Lc、Vc、cc；Lb 、Vb、cb， 则： L=LT+Lc+ Lb Vm=( LT VT +Lc Vc + Lb Vb)/L 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (2) 以管道、蜗壳、尾水管三部分水体动能为权，将水锤 力值进行分配，求出压力管道、蜗壳末端和尾水管进 口的水锤压力。 v 管道末端最大压力上升相对值为： v 蜗壳末端最大压力上升相对值： v 尾水管进口处压力下降相对值为：

25、v 注：尾水管在导叶或阀门之后，水锤现象与压力管道相 反。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (3) 求出尾水管的负水锤后，应校核尾水管进口处的 真空度Hr，以防水流中断。 式中 Hs 水轮机的吸出高度； Vb 尾水管进口断面在出现yb时的流速。 注：对于中高水头水电站：压力管道较长，蜗壳和尾 水管的影响较小，通常可略去不计。 对于低水头水电站：必须考虑蜗壳和尾水管的影 响 ，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水电站http:/ 第六节 水锤计算的计算机方法 vGray和Streeter合作，首先介绍了用计算机计算管 道水锤的特征线法，随后Streeter出版了瞬变

26、流专 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 杂的边界条件，也可以计入摩擦阻力的影响。 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 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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 一、特征线方程 v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 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： v这样可以得到简化以后的水击基本方程，分别命 名为L1和L2： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v引入特征值，将

27、上面两个方程进行线性组合，得： v特征线方法就是选择两个不同的实数特征值1和2 ，使得上面的方程成为一组全微分方程，并与基本 方程完全等价。设上面的方程的解为v=v(x,t)和 H=H(x,t)，则： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v对比上面的两组方程，假如下面的关系成立： v则前面的组合方程可以转化为全微分方程： v由上面的特征方程可以得出： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v由这两个方程可以看出，压力管道中的水压力以波 的型式传播，其传播速度为c。 v当其取正值时，压力波向水库方向传播，取负值时 向水轮机方向传播，压力管道中的水锤压力就等于 这两种波的叠加。 v在发生水击

28、的过程中，压力管道中的水压力分布不 仅与时间有关，而且与位置有关，这是由于水锤波 在管道中来回传播，管壁的阻力可以使水锤波逐渐 减弱，而波的传播与叠加使得不同位置的压力也不 尽相同。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v当特征值分别取正值和负值时，将其代入组合方程 ，可以得到两组方程，分别用C+和C-来命名，即： (1) (2) 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v将上述方程的解在x-t平面上展开，可以形象化说明 。 vc通常是常数，于是方程(1)在x-t平面上是直线AP； 同样，方程(2)在x-t平面上是另一根直线BP。 v将x-t平面上斜率为1/c的直线分别称为正特征线和 负特

29、征线。沿C+特征线，方程(1)成立；沿C-特征线 ，方程(2)成立。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、基本求解方法 v首先将管道在长度方向离散成N等份，每一等份 的长度为x，每隔t时间计算一次水锤压力的分 布，则在长度方向和时间方向的离散可以形成一 个计算网格。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ v如果计算的时间步长取为t = x/c，则网格的对角 线斜率分别为+1/c或-1/c，即满足方程(1)和(2)中的 第二个方程。 v如果A点的变量v和H是已知的，那么沿着C+方向 的特征线从A到P进行积分，沿着C-方向的特征线 从B到P进行积分，可以分别得到： 浙江水专国家精品课程水

30、电站http:/ v在上面两个方程中，A点和B点的变量值是已知的 ，而未知量只有HP和QP，两个方程联立可以求解 之。 vt=0时，管道中的水流呈稳定流状态，各点的H、V 是已知的。 v在时刻t ，管道中任一点的流动状态可由上面二 式解出，进而可以再对2t时刻的流动状态进行计 算。后面的时段依此类推。 v需要注意的是，对管道两端的边界点，由于只能 利用上面二式中的一个方程，所以还必须应用管 道的边界条件才能求解。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 三、水锤计算的步骤 1. 确定计算时间步长t。一般取t=x/c。由于c 是确定的，所以关键在于选定x。通常可根据管 道布置及精度要求将整个管路

31、系统分成很多管段 ，各管段的两端或为内点，或为边界点。 由于波速随管道特性而变化，而t又是常数，所 以不同管道的管段长x是不相同的。 从数学上可以证明，只有当tx/c时，差分计算 格式才是稳定的。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 2. 计算各节点在恒定流状态下(即起始状态)的水 压力分布和流量值。 3. 增加一个t，按上述公式计算该时刻管道各 内部节点处的水头和流量。 4. 计算同一时刻水轮机处的水头，流量。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第七节 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 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

32、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 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 为转速变化率。 v丢弃负荷： v增加负荷： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 一、机组转速变化率计算近似公式 (一) 列宁格勒金属工厂公式 丢弃负荷时 增加负荷时 Ts1导叶关闭至空转的时间； N0机组丢弃负荷之前的出力，kW。 f 水锤压力修正系数。 G、D水轮机转动部分重量和惯性直径。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (二)长江流域规划办公室公式 v列宁格勒工厂公式未考虑迟滞时间，我国“长办” 提出修正公式。当水电站突丢

33、负荷后，由于调速 系统惯性的影响，导叶经过一小段迟滞时间Tc以 后才开始关闭动作，机组转速经历Tc和升速时间 Tn。(Tn定义为水轮机出力自N0降到零时的历时)后 达到最大值nmax。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 第八节 调节保证计算标准和改善 调节保证的措施 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 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 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。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (一) 水锤压力的计算标准 1压力升高 v 水锤压力的最大升

34、高值相对值：max(Hmax-H0)/H0 当H0100m时，max0.150.30 v 当H0=40100m时，max0.300.50 v 当H040m时， max0.500.70 2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 23m水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止 水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (二) 转速变化的计算标准 v限制机组转速过大的变化主要是为了保证机 组正常运行和供电的质量。在丢弃全负荷的 情况下，主要是防止机组强度破坏、振动和 由于过速引起过电压而造成发电机电气绝缘 的损坏。 v最

35、大转速变化值相对值max(nmax-n0)/n0表示 。考虑到目前国内机组的设计、制造、运行 等情况，其允许值max可按以下情况考虑： 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 转速变化的计算标准 n当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且 担负调频 任 务时， max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 负基荷时， max宜小于55；对斗叶式水轮 机， max宜小于30。 n注：当大于上述值时，应有所论证。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ (三) 调节保证的计算条件 1水锤压强计算条件 （1）管道中的最大内水压强一般控制在以下两种 工况： v上游最高水位时电站丢弃负

36、荷。此时电站流量和 水锤压强都不是最大值，但由于管道中的静水压 较高，叠加的结果可能成为控制工况。 v设计水头下电站丢弃负荷。管道中的静水压稍低 ，但电站的流量和水锤压力较大，叠加的结果也 可能成为控制工况。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ （2）管道中的最小内水压强一般控制在以下两 种工况： v上游最低水位时电站丢弃负荷。导叶关闭后 的正水锤经水库和导叶反射而成的负水锤； v上游最低水位时，电站最后一台机组投入运 行。 （3）转速上升率的控制工况 v设计水头+水电站丢弃全负荷。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 二、减小水锤压强的措施 1. 缩短压力管道的长度 v 缩短压力管道

37、长度，使从进水口反射回来的 水锤波能够较早地回到压力管道末端，从而 减小水锤值。 v 从管道特性系数LVmax/gH0Ts中可看出，减 小L可以减小 ，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水电站http:/ 2. 减小压力管道中的流速 v 减小流速可减小压力管道中单位水体的动量， 从而减小水锤压力。 v 但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减 低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此 用加大管径办法降低水锤压强，往往不经济。 v 但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不 设调压室，还是比较合理的。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 3. 延

38、长机组的有效关闭时间 v 延长有效的关闭时间Ts，可降低水锤压力，但使 机组转速变化率值增加，甚至超过允许值，要 解决这个矛盾，可采取以下措施： 反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的 进口附近装设减压阀。但：减压阀在机组增 加负荷时不起作用。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 减压阀装置示意图 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 冲击式水轮机的机组装置偏流器(折流器)。 偏流器构造简单，造价便宜，且无需增加厂 房的尺寸，在水斗式水轮机的机组经常采用 。注：偏流器在增荷时不起作用。 设置水阻器(水电阻)。机组丢弃负荷时，调 速器使水阻器投入运行，使机组原来输入系 统中的功率消耗于

39、水阻之中，即用水阻代替 原有负荷。注：水阻器对于增加负荷时不起 作用。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 4. 选择合理的调节规律 v 采用合理的关闭规律能有效地降低水锤压力值 。 v 中低水头电站：最大水锤压强常出现在调节过 程终了，水轮机导叶可采取先快后慢的关闭规 律，以提高开始阶段的水锤压强，降低终了阶 段的水锤值； v 高水头电站：最大水锤压强通常出现在调节过 程开始阶段，可采用先慢后快的调节规律。 v 注：采用合理的关闭规律减小水锤压强，简单 易行，又比较经济，应优先考虑。 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 谢 谢 ! 浙江水专国家精品课程水电站http:/ 精品课件资料分享 SL出品