（流体机械及工程专业论文）含有调压室的水电站复杂系统过渡过程计算.pdf

摘要 水电站过渡过程是指由于电站机组负荷变化，在水电站系统中产生的水击和调压室涌波的过 程。水力过渡过程的正确计算对于保证水电站的安全运行具有相当的重要性，对于水电站过渡过 程内容的研究有很多成果，但是对于含有调压室水电站的过渡过程计算的研究并不是很深入 在总结水电站过渡过程理论研究成果的基础上，对含有调压室的水电站复杂系统过渡过程计 算进行了较为深入的探讨。参考了成熟的内特性解析法建立了基于内特性解析的特征线法来计 算机组装置甩负荷的过渡过程，列举了整个系统中各种边界条件的及其处理。以w i n d o w s 操作系 统为平台，以m i c r o s o r v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 3 作为开发工具，采用了目前主流的面向对象程序 设计语言c # 编制了含调压井的复杂系统过渡过程计算程序。 结合了浪洋水电站的实际工程布置和工程资料，用所开发的水电站过渡过程计算软件来计算 分析影响过渡过程的动态参数品质的因素，得到导叶关闭规律对过渡过程影响较大，而水锤波波 速对计算结果影响甚小的结论。 关键词：水电站，过渡过程，调压室，软件开发 a b s t r a c t d u r i n gh y d r a u l i ct r a n s i e n tp r o c e s s , t h ew a t e r h a m m e ri nt h ep i p e sa n dt h ew a t e rl e v e lf l u c t u a t i o n s i nt h es u r g et a n km a yr i s ei nt h eh y d r a u l i cs y s t e mt h ee x a c tc a l c u l a t i o no ft h ed y n a m i cp a r a m e t e r s d u r i n gt h et r a n s i e n tp r o c e s si sv e r ys i g n i f i c a n tt ot h eo p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o n s , e s p e c i a l l y f o rt h ec o m p l e xo f t h eh y d r a u l i cc i r c u i tw i t has u r g et a n k t h ep r e s e n tt h e s i sr e v i e w e dt h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n t so nt h et r a n s i e n tp r o c e s s b o u n d a r y c o n d i t i o n so f v a r i o u st y p e so f s u r g et a n k sw e r ea d d r e s s e d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o no nt u r b i n en o d ew a s t r e a t e dw i t hi n t e r n a lc h a r a c t e ra n a l y s i sm e t h o d ac a l c u l a t i n gp r o g r a mf o rs i m u l a t i n gt h et r a n s i e n t p r o c e 娼o ft u r b i n es t a t i o na f t e rl o a dr e j e c t i o nw a sw r i t t e nu s i n gt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3a sad e v e l o p i n gt 0 0 1 c # l a n g u a g e w h i c h i sap o p u l a ro b j e c t i v e - o r i e n t e d - p r o g r a m m i n gl a n g u a g ew a sa d o p t e dt ow r i t et h ep r o g r a m t h ep r o g r a mw a st e s t e do nar e a lp r o j e c to f l a n g y a n gs t a t i o nw i t hau p - s u r g et a n ki nt h i sp a p e r t h ec a l c u l a t e dt r a n s i e n tr e s u l t sa r ep r o v e ds a t i s f a c t o r y f r o mt h r e ed i f f e r e n tf a c t o r st od i s c u s st h e m f i u e n c e so fg u i d ev a n ec l o s i n gl a wa n dw a v es p e e da n do nd y n a m i cp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nt h er e s u l t s , w h i c hs h o w e dt h a tt h ec l o s el a wo fg a t e sp l a yav e r yn o t a b l ep a ni nt r a n s i e n t p r o c e s s k e yw o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ，t r a n s i e n t , s u r g et a n k , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：许雕努 时间： 砂7年堂月尹日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：听睡苈 时间： 一7 年r 月，e t 导师签名： 蛹垮每r 其b 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国水电资源丰富，居世界首位，但开发程度低，资源地理的分布不均，集中分布在西南、 西北地区在水电储量巨大的地区，水位落差较大，水头偏高，设有调压室的地下开发式水电站 十分常见，在许多工程实际中，很少考虑调压室，岔管和管道阀门的影响，一般都是由单一的引 水、排水管与水轮机组以及上下游水库组成的，这种系统称为简单式水轮机装置系统，那些包括 调压室、岔管、管道阀门的系统称为复杂水轮机装置系统l j j 。 由于经济技术所限，许多大，中型水电站都采用一洞多机的方案，并采用灵活的出线方式， 使部分机组停机时，不产生电力之问的干扰，并使系统中其余机组仍照常运行，而且调压室容积 大，过渡过程中水位波动的周期很长。一般达百秒或数百秒1 2 j 水轮机的导水机构的运动速度很 快，从导叶开始动作到压力管道和尾水管水压达到极值时的时问仅有数秒至十秒时间，因为调压 室水位波动对蜗壳和尾水管道水压瞬态极值的影响不大。这就是一般不考虑调压室水位波动便可 进行水轮机装置过渡过程计算的主要原因传统的调压室动态水力过程的计算不考虑水轮机过渡 过程动态流量的影响，在研究计算调压室内涌浪特性时，只是把隧洞一调压室组成的孤立系统 作为对象，此时把水轮机动态流量的变化过程完全忽略 3 1 。上述两种处理方式都是近似的，简化 的，必然给系统动态特性的分析结果带来一定的误差。有时，这种误差可能大到影响能否满足工 程安全要求或完全标准的程度，这就要求要么增大调压室的工作面积，要么设法考虑水轮机动态 流量变化对调压室动态水力过程计算的影响，采取后者是正确的途径。从上面的分析可得到，由 引水、捧水管，调压室、岔管、阀门、水轮机组及上、下游水库组成的复杂水轮机系统动态特性 比简单水轮机装置系统要来得准确。在过渡过程中，这些复杂水力系统的各个元件彼此相互依存， 相互影响，构成非常复杂的有内部联系的统一体1 4 j 研究复杂水轮机装置过渡过程问题的目的。 就是要确定这种相互联系的本质和由和这些复杂的内部联系所确定的每个元件的动态特性，从而 改善，优化各元件动态品质，保证电厂在安全稳定运行基础上，充分发挥效益。 随着计算机普及和计算机技术的不断提高，通过计算机程序实现水电站过渡过程的数值仿真 计算已经非常普遍。但目前，水电设计院和水力机械制造厂商等部门仍然缺乏易学易用的通用软 件。因此，开发一个能够适用于不同类型的水电站、不同机型，能够对相当复杂的有压管道系统 进行水电站过渡过程仿真计算的通用软件有着相当大的实用价值1 5 1 具有强大功能软件的运用可大大提高水电站过渡过程计算的效率和水平。通过计算机仿真模 拟实际系统的动态特性，对比优化各种方案在结构和参数上的合理性，使工程设计在技术和经济 上达到最优化，可以节约工程投资，减少不安全因素，从而可以带来可观的经济效益和一定的社 会效益f 6 】。 1 2 国内外研究进展 随着现代水力机械单机容量和功率的不断扩大，水力机械装置的过渡过程问题越来越多，从 而吸引了国内外大批科技人员从事了过渡过程领域的科学研究与工程实践活动。对于每个水电工 l 中困农廿大学硕士学位论文 第一章绪论 程的设计，必定含有对过渡过程计算，以确定工程所必需的基本结构参数，而对于大型工程，必 须根据其过渡过程的品质来审核该工程的可行性及总体布局的合理性。在最近十几年来。美国、 西欧、日本等高水头、大容量水电站的大量兴建，更促进了一系列复杂过程的研究，并取得了显 著的成果p j 。 国外对于水力过渡过程的研究，是在分析管道水击的基础上逐步展开的，由于对这些理论的 研究涉及到高等数学，因此在微积分以及弹性理论建立之前这些问题都没有得到解决。水击引起 人们的重视要追溯到1 8 世纪【s j ，自从欧拉建立了弹性波传播理论和波动方程之后，儒可夫斯基在 1 8 9 7 年对水击理论进行了深入的研究，并提出了水击压强计算公式进入2 0 世纪后，水击理论 得到了飞快地发展，1 9 2 6 年伍德提出了分析水击的图解法哪，从此图解分析法在很长一段时间内 被学者所利用。1 9 6 3 年斯特里特发表了关于特征线法和计算机对瞬变流进行数值计算的论文【l m ， 之后斯特里特与怀利合著了，全面地阐述了瞬变流的计算理论，为目前瞬变流计算的发展奠定了 重要的基础j 前苏联连科学家克利夫琴科对于水电站过渡过程展开了深入的研究，其中对过渡过程的计算 方法，工况特性曲线等进行了详细的阐述1 1 2 1 水电站过渡过程的研究大体上分为基础理论与计算方法的研究，在基础理论的研究上，更多 地依赖于水力学或流体力学基础理论的发展，而在计算方法的研究上，传统的解析计算和图解法 计算则被计算机数值解法所代替。计算机数值解法最大的优势在于其准确，快速和通用，已经成 为国际上最最常用的水轮机装置过渡过程计算的求解方法。它具有迅速、准确、通用性强等多种 优点。根据水轮机端边界条件的处理方法的不同，可分为两类1 2 3 ：第一类，以水轮机模型静态 全特性或完整综合特性曲线为基础和边界条件的数值解法，简称外特性数值解法；第二类，以水 轮机内特性解析国基础的数值解法，简称为内特性数值解法前者国传统方法，后者是近年来出 现的一种新方法。 目前广为采用的外特性数值解法，其特征线解法的基本路径是：取用完整的水轮机综合特性 曲线或全特性曲线，这些曲线是静态的、模型的，作为求解过渡过程的边界条件，求机组转动部 分运动方程式各弹性理论一元不稳定管道流的基本方程等的共解。在解算时，通常将后两个方程 所组成的偏微分方程组，转化成可以沿特征线求解的常微分方程组 应当指出，绝大多数的水轮机均缺少这些特性曲线，而要获得它们，要在专用实验台上，针 对每种型号的转轮进行工作量很大的模拟实验。这实际上难以办到的。特别是轴流转浆式水轮机， 欲求其全部即不同轮叶转角下的完整综合特性曲线，其中包括水轮机、飞逸、制动与水泵工作状 态下的单位流量特性翻一矗，单位轴端力矩特性叫一杠，单位轴向水推力特性蔓l 一硝等曲线， 其工作量尤大。在我国，工程实用的百余种型号的水轮机转轮中，均设有这种完整的综合特性曲 线。在这种情况下，过渡过程外特性计算在工作上使用，还有许多不易克服的困难。 因此采用的外特性数值解法的主要缺点是 2 f - ”： 1 ) 当缺乏水轮机模型完整的综合特性曲线或全特性曲线时，难以进行计算； 2 ) 由于这些曲线是静态的、模拟的，它同原型的动态特性有差别，有时会有很大差别，从 而带来一不定的计算误差。 水轮机装置过渡过程内特性解析的理论与数值计算方法，正是针对上述情况和工程实际需要 创立的其基本路径是 2 f q 3 ：针对原型水轮机装置，对过渡过程动态工况下诸工况参数及其相关 2 中困农业大学硕士学位论文第一章绪论 因素进行严格的理论分析，建立同调节元件位置有关的非线性方程组，给定调节元件位移随时间 t 的变化规律，利用数值计算解法求得该非线性方程组的解，即可得到诸动态工况参数的瞬变规 律。 采用这种方法，无需已知水轮机的完整综合特性曲线或全特性曲线，而只需已知水轮机及其 装置的几何参数和基本结构参数，以及过渡过程的初始条件。根据给定的调节元件运动规律和过 渡过程类型，即可用此方法求得过渡过程的准确计算结果经大量现场试验证实，内特性法求解 过渡过程问题，具有工程实用的计算准确度。 总之，近几十年来，我国水电开发和建设事业飞速发展，工程技术也逐渐接近世界先进水平 在水电过渡过程方面，许多工程师和科研工作者做了大量卓有成效的工作。虽然在计算理论上没 有太大的突破，但是在计算水平上却有很大的提高，解决了广州抽水蓄能电站、溪洛渡电站，龙 滩电站、向家坝水电站等具有复杂调压室的复杂引水发电系统的水力机械过渡过程问题1 1 3 1 在水电站过渡过程的计算机仿真应用方面，国内也有一些大专院校和科研单位编写过类似程序， 其中有代表性的清华大学，河海大学，成都勘测设计研究院和武汉大学等单位这些程序的核心 部分都是斯特里特和怀利等人的关于水击计算的特征线法计算方法的继承和发展实际已经证 明，无论是内特性法还是外特性法的理论和工程实用计算方法己渐趋成熟，计算成果的可信度和 精度完全可以满足工程设计的要求，但是目前国内仍使用的大多数f o r t r a n 语言编制的程序逐渐 显露出以下不足： 1 ) 通用性差，在计算复杂管网输水系统时计算不够准确； 2 ) 局部计算模型过于简化，无法保证复杂管网输水系统过渡过程计算的准确； 3 ) 缺少友好的用户图形界面，计算过程中，智能程度不高，参数设置繁杂。 因此，实现计算程序的通用性和友好性成为国内外水电研究人员和电力咨询公司努力的一个 重要方向。 目前在西方发达国家由于水电资源已经开发得比较充分，所以国外在瞬变过程的领域的商用 软件研究一般集中在城市供水系统，城市下水道系统，长输油管系统和大型化工厂的复杂管道系 统1 1 4 i 。处理水电站过渡过程问题的商用软件很少，其中比较著名的商用软件公司有美国的a f t 公司，美国的a l g o r 公司，美国u k 的k y p l p e 公司以及英国的s u n r i s e 公司，这些软件共 同的特点是具有很强的前后处理系统和完善的数据库系统，能处理复杂的管网系统加拿大以及 澳大利亚一些比较小型的计算程序，商业化不是很强，而且程序规模也比不上上面这些软件，法 国电力公司e d f 曾自行开发了水电站过渡过程计算软件，但不对外发行和转让l l ” 美国著名的用于管网计算的商用软件p i p e x 和s u r g e x 系列、w a t e r c a d 等等，也可用来计算 水电站有压非恒定流，其最高版本为p i p e 2 0 0 0 和s u r g e 2 0 0 0 ，从p i p e 2 0 0 0 的d c m o 版【1 6 1 ，可以看 出它具有比较友好的用户图形界面和功能强大的前后处理，是一个比较成熟的商用软件。这两个 软件的核心计算部分为k y p i p e4 引擎，它是美国肯塔基大学k y p i p e 公司开发的第四代商业产 品，专门用于水力分析和计算。根据资料表明，该引擎经过3 0 年的发展，已经成功地应用道许 多工程领域，技术已经相当成熟，但水电站过渡计算中诸如水轮机端边界条件，调压井边界条件 等方面还存在一定特殊性，直接利用管网计算程序并不方便。 在这样的背景下，开发一个能够具有自主知识产权并适用于不同类型的水电站、不同机型， 能够对相当复杂的有压管道系统进行过渡过程仿真计算的通用软件是极有工程实用价值的 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绍论 1 3 研究内容与目的 研究水电站过渡过程的目的，在于揭示电站引水管网和设备在可能经历的各种过渡过程中的 动态特性，并寻求改善这些动态特性的合理控制方式和技术措施，例如改善导叶关闭规律，保证 压力上升与转速上升均在合理的范围之内；其次过渡过程的计算还可以应用在机组的设计阶段， 以确定相应的机组转速上升值、压力引水管道和蜗壳中水压上升值，从而对整个水电站的总体布 局与工程造价都有着重要的影响。 本课题是在课题组之前开发的水电站过渡过程计算软件的基础上展开的，该计算软件的非恒 定流的核心算法采用了基于外特性的解析的特征线法来计算，且没有考虑带调压室复杂系统水轮 机装置系统。因此，本课题从两个方面对软件的进行完善和优化：一方面补充了以基于内特性解 析方法的在水轮机边界处理方式，另一方面增加了调压室边界条件。本课题的内容可归结为四个 方面： 1 ) 补充水轮机端边界条件的处理方式，实现基于水轮机内特性的过渡过程求解。考虑引水 管道系统的弹性，采用基于水轮机内特性解析的特征线数值计算方法。求解水电站在甩负荷工况 时各个动态特性，计算水轮机装置甩负荷过程蜗壳水压上升与机组转速上升的瞬变规律 2 ) 针对不同类型的调压室，研究其边界条件处理方式。针对不同类型的调压室在水电站过 渡过程中的变化情况，计算在机组甩负荷过渡过程中调压室内的涌浪变化情况，初步确定调压室 的顶部、底部高程。 3 ) 程序软件的优化。探索如何优化一套基本概念明确，计算精度高，计算结果可靠，初始 数据输入和成果输出方便，通用性好的水电站过渡过程计算软件。 4 ) 机组导叶关闭规律选择及波速调整的影响研究针对在相同水头的电站，采取不同的导 叶关闭时间和不同的关闭规律的进行计算，分析比较各个情况下的蜗壳前压力升高极值和机组转 速升高极值，在不同的关闭规律下选取合理的导叶关闭时问。同时，通过理论分析和数值计算分 析，研究了水锤波速调整对水电站机组过渡过程动态参数品质的影响。 对所编制的软件应满足如下要求： 1 ) 提供给用户一个图形界面，能够直观、方便的建立水电站管路、机组等装置布置的结构； 2 ) 以属性对话框的形式提供器件参数的入口，使得用户能够方便的设定系统和各种装置的 各种参数； 3 ) 应能按照特定算法进行水电站过渡过程运行参数计算，能够把计算结果输出为特定格式 的文件或以图表、图形曲线的方式显示出来，并可以快速查询各个动态特性的极值。 1 4 本章小结 本章首先介绍了研究水电站过渡过程的重要意义，由于过渡过程变化影响着机组的运行品 质，严重时还会发生严重的事故，故对过渡过程的研究有迫在眉睫的需要。接着介绍了研究过渡 过程的国内外进展情况，针对当前通用水电站过渡过程计算软件存在的问题来引出了本课题研究 的内容和目的，其中并介绍了实现该过渡过程计算软件中采用的技术路线基于内特性解析的 特征线解法，并把调压室作为边界条件来处理考虑进去，从而达到研究含有调压室的水电站复杂 系统过渡过程计算的目的。 4 中嗣农q p 丈学硕士学缔论文第一章复杂袖水锋哪瞬变过稃计算理论 第二章复杂输水管网瞬变过程计算理论 2 1 有压管道恒定流计算理论 在计算水电站装置系统的过渡过程中，需要根据之前的恒定流动来计算出基本初始条件如 管道的初始流量，压力，水轮机的水头等等，所以需要根据能量方程、连续性方程以及水轮机边 界等条件来计算出一系列的恒定流参数。 2 1 1 基于节点单元的输水系统管道恒定流流量计算 近年来，相关研究人员提出了一种计算复杂输水系统恒定流的通用计算方法，该方法认为任 意复杂的输永系统都是由一系列单元、节点组成的 在该程序中，采用了对于水电站的输水管罔，特有压管段视为线单元，调压室、阀门、串点 视为点单元，把每个管道进行分段，机组也看成是一小段管段m 。假设某复杂输水管同一共有坍 个节点，而每一个节点上又有片个节点与其相邻，则对第r 个节点和与其相邻的第个节点，根据 伯努利方程： 墨g + 互+ 盟2 9 = 墨g + 乙+ 盟2 9 + 两， ( 2 1 1 ) ， j。- jl 厶ij 式中 “点，、j 处的参数； 一，点f 到点之问的水力损失； d 动能系数 将其改写成为能量方程形式； 互。弓2 1 墨g l 乌i ( 2 - 2 ) 式中e 各点的能量： v ，点，到点之间的管段的损失系数； 、卸点到点j 之间的管段的流量。 2 盏 ( 2 - 3 ) 式中 丑点一到点，之间的管段的噪率； t ，点，到点，之间的管段的长度； 一点，到点，之问的管段的截面面积； d 点，到点j 之问的管段的直径 对每一单元建立前后节点水头和流量之问的能量关系式后 后根据每个节点的连续性方程： 乌= c 从而得到各单元的单元方程，然 ( 2 4 ) 中国农竹大学硕士学位论文 第_ 章复杂输水臀嘲瞬变过稃计算坪论 式中c 每个节点的过流量之和 分别对式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 4 ) 作线性化迭代处理，再将处理后的式( 2 2 ) 代入式( 2 - 4 ) ，从而 将每个单元的能量方程有机联合为一个总体方程，得到： 耳“”善南一再最万f “”一 c 式中k 迭代次数。 由上式，实际对于每一个不同的节点，即对于每一个不同的i 值，都会有一个方程如果该 输水系统有m 个节点，则可得到m 个方程，如下： 巨t 窆气内一旦：一易，一旦，冉耳一内& t m ，= c l j = l j 1 一岛l 内置“+ 岛“毛阳一呸夕与耻“一皿 御& 耻“- c 2 ；i ； 。 m( 2 - 6 ) 一置l 御五忙“一置2 倒耳“+ 点：n “艺岛倒一一置q 冉耻“= c ： j 5 l j w 一吃i 内巨“一吃2 倒乜“一一日藏御巨k d 忙“+ 氏耻“- 墨倒= q l 式中 珥分别表示与第i 个节点相邻的节点个数。 矿k 南 c 对于一般的节点由于满足连续性方程，则，但当该节点是上游水库或机组时，需要将节点 方程进行替换： ( 1 ) 当节点为上游水库时：节点方程替换为巨= 风； ( 2 ) 当节点方程为下游水库时：节点方程替换为e = 0 ； ( 3 ) 当节点为机组上游侧时( 如图2 - 1 ) ：节点方程替换为互一e ，= 日； ( 4 ) 当节点为机组下游侧时( 如图2 - 1 ) ；节点方程替换为式( 2 8 ) 。 一靠巨“+ ”弓“一色”耳“+ 既”e m = o( 2 8 ) 卜 图2 - 1 节点为机组上下游 6 实际上以上方程组是一个以誊为未知量的一个齐次线性方程组。这样在假定簖 和日的初值后，便可以解出 根据式( 2 - 2 ) 可得g 1 = ，再返回式( 2 - - 6 ) 迭代，满足精度 iq ；，“”一g ”j 舾 ( 2 9 ) 后停止迭代，从而得到每个管道的流量。 这种方法的优点首先在于便于计算机编程的实现，仅需要实现假设流量初值，再根据每单元 的参数列出方程组的系数矩阵，采用数值分析的方法得到各点的能量，最后迭代得到每单元的真 实流量。其次，这种方法的优点还在于可以方便的处理各种边界条件如水轮机组、调压室、串点 等1 2 l t , - “。 2 1 2 水轮机节点的初始参数的计算 假设在甩负荷前，已知机组的出力n ，上下游的水位差风，则根据先初算一个静态的效率 t 假定一个- r 作水头h ，可以计算出一个流量q 然后再根据 巩；竺g l 陋k 2 石b o + - 2c o t 屈) q 卅卜。学 栅 果满足精度的要求，则继续求出新的心，再根据塑i ；! 趔 1 0 0 m ，水锤压力升高达到1 5 - 3 0 ； h = 4 0 1 0 0 m ，水锤压力升高达到3 0 0 r 7 0 ； h 4 0 m ，水锤压力升高达到5 0 - 7 0 。 1 5 中国农大学硕士学位论文第_ 章复杂输水管嘲瞬变过稃计算珲论 2 调压室的基本类型 调压室在引水系统中的布置根据与厂房相对位置不同，分四种基本的布置方式m - 3 6 1 ： 1 ) 上游调压室调压室位于厂房上游的引水道上，这种布置方式应用最普遍。如图2 - 4 所示 2 ) 尾水调压室( 下游调压室) 当厂房下游具有较长的有压隧洞时，须设置尾水调压室以减 少水击压力，特别时防止在丢弃负荷时产生过大的负水击。尾水调压室应尽可能靠近水轮机，如 图2 5 所示。 3 ) 上、下游双调压室。在某些地下式水电站中，厂房的上下游都有比较长的有压水道，为 了减少水击压力，改善机组运行条件，在厂房的上下游均设置调压室而成为双调压室系统，如图 2 - 6 所示。 4 ) 上游双调压室。当上游游压引水道较长时，有时设置两个调压室，如图2 - 7 所示靠近厂 房的调压室对于发射水击波起到了主导作用，称为了主调压室；靠近上游的调压室用来帮助衰减 引水系统的波动，降低主调压室高度，称为了辅助调压室。 图2 - 4 上游调压室 图2 - 6 上下游调压室 图2 5 下游调压室 圈2 - 7 上游双谓压室 调压室根据其水力作用和结构布置情况不同，可以分成以下几种情况1 3 ”q ： 1 ) 简单式调压室如图2 - 8 所示，这种调压室结构简单，通常取用圆柱形，水击波反射效果 好，室内水位变化较慢且较均匀；但所需容积大，水位波幅大且衰减缓慢，隧洞与调压室相连处 水头损失大；一般用在水头较低的水电站。 2 ) 阻抗式调压室。如图2 - 9 所示，在隧洞同调压室之间设有阻抗孔，以减少调压室中水位波 动幅值，从而可以减少调压室的尺寸，同时也不显著增加隧洞末端的压力 3 ) 双室式调压室。如图2 1 0 所示，这种调压室具有上室与下室，中间由竖井相连；上室供 水轮机突甩负荷时发挥作用，由于它有较大的容积，从而减少了水位变化的幅值；下室则在机组 突增负荷时发挥作用。 4 ) 溢流式调压室。如图2 1 l 所示，这种调压室设有溢流口，当水位升至溢流口处后，水溢 流，水位保持不变。 5 ) 差动式调压室如图2 1 2 所示，这种调压室由上溢流口、升管、大井和阻抗孔口等组成； 1 6 中国农业大学硕士学位论文第章复杂输水符i 叫瞬变过稃计算珲论 溢流口限制调压室升管的水位升高值，目l 抗孔口减少大井的水位波动幅值，升管可保证隧洞末端 水压不致于过高。 6 ) 压气式调压室。如图2 1 3 所示，这种调压室是由传统的调压室顶部完全封闭，内部充以 压缩空气；其不受地形条件限制，可以尽量靠近厂房以减少水击压力。 旦舅 围2 - 8 简单式调压室固2 - 9 阻抗式调压室围2 - l o 双室式调压室 量壑旦 图2 l l 溢流式调压宝围2 - 1 2 差动式调压室图2 - 1 3 压气式调压室 3 调压室过渡过程计算 本论文是以阻抗式调压室为例进行分析，通过对阻抗式调压室方程的修改，可以得到相应形 式的调压室方程l 摊蜘。 围2 - 1 4 阻抗式调压室示薏图 如图所示，由于1 1 、2 2 、3 3 断面近似处于同一位置，因此认为： 对i - - 1 断面有正特征方程 坼- = 一骂 对2 2 断面有负特征方程 = q ：+ 马g ： 连续方程 q ，- = g z + 绯3 1 7 ( 2 5 0 ) ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) 中圉农业大学硕士学位论文第苹复杂输水霄l 由9 瞬受过拌计算珲诧 能量方程 ”掣= + 掣 ， 根据调压室内水量平衡，应有 以，= 马+ j l i a t + 绋3 ) ( 2 - 5 4 ) 式中 4 调压室断面面积 通过阻抗口流量 = 4 压瓦瓦了( 2 - 5 5 ) 整理后，有 呜+ 裂 协s s ， 式中 坞孔口断面面积； s 孔口流量系数，为了减小调压室高度，一般进水流量系数小于出水流量系数 通过联立方程组可以得到h p l ，q _ ，坼2 ，q j 2 ，和鳞3 2 4 水轮机机组作为边界条件 2 4 1 处理水轮机边界条件的数值计算方法 水轮机装置过渡过程正、反命题的计算，大体上有四种方法，击解析计算法、图解分析法 计算机数值解法和模拟计算机解法等j 目前，国际上处理水轮机边界的过渡过程计算领域中，应用最多的是计算机数值解法，它具 有迅速，准确、通用性强等多种优点数值解法中还有若干种不同方法，大体上分为了两种方法： 第一种，以水轮机模型静态全特性或完整综合特性曲线为基础和边界条件的数值解法，简称外特 性数值解法；第二种，以水轮机内特性解析为基础的数值解法，简称为内特性数值解法 外特性方法旧，这种方法要求计算机存储较多的水轮机完整的综合特性曲线，并需要做较多 的插值计算，而当缺少这些特性曲线时，难以进行计算。在我国，列出型谱中的水轮机均没有完 整的综合特性曲线，实际上缺乏采用外特性计算过渡过程的基本的必要条件 内特性方法，这种方法用原型诸动态工况参数的那特性解析为基础的数值计算方法，既有解 析法的通用性强、诸相关因素关系明了等优点，又有数值计算法的快速性，并可考虑非线性因素 的影响。此外。计算过程简单，不需要已知水轮机的完整综合特性曲线或全特性曲线，可以一次 连续求得多种动态工况参数的瞬变规律，且有足够的计算精度。 2 4 2 基于内特性解析的特征线数值计算方法 根据不同类型的水轮机，其在过渡过程诸动态工况参数的解析表达式不一样。当水轮机甩负 1 8 荷时，导水机构迅速按导叶关闭规律关闭，流量急剧减小，机组转速d i 初始的额定转速迅速上升， 到达极值后，转速发生波动，最后下降到某一转速下空载运行，这一过程为机组甩负荷过程机 组紧急事故停机与甩负荷过渡过程相近，只是紧急事故停机最后机组停止运转，因此可以按照甩 负荷来处理 4 ，i 水轮机甩负荷时，由于导叶的快速关闭，导叶后的水流压力急剧下降，造成高度真空，达到 气化压力，使水气化，这是流出转轮的水将由于气压的原因向转轮反向流动，形成反水锤，反水 锤的作用力很大，危害不容小觑，因此除了采取防止反水锤的措施外，还要常以甩负荷为危险工 况计算过渡过程，进行校验m 本课题主要是研究混流式水轮机装置甩负荷过渡过程的计算，计算表达式如下h 目： = ( 1 + 磊) + d 2 警一qn 5 鱼d t ( 2 - ，) 心= 他l f k 坐2 万b 0 e r 2c o t 压卜司 沼，。， 2 + 专j ：廊 ( 2 5 9 ) 毒2 舌( t ) ( 2 - 6 0 ) 专一叩训鲁护白l“z- 毒= q ( 1 圳鲁尔 白j 口坪+ h z o g r l c 昕q 西莓蠡厩 2 砘只 仉= 老薏 d u n ， ( 2 - 6 1 ) ( 2 - 6 2 ) ( 2 6 3 ) 混流式水轮机只有一个调节元件，因此，只要给定口= 口( f ) ，水轮机及其装置的基本几何 参数和结构参数，甩负荷初始工况参数，便可以由上式解得m n = m n ( t ) 、= ( f ) 、 磊= 0 ( r ) 、毒= 毒( ，) 、姊= 绋( t ) 、仉= 仉( f ) 等瞬变规律 1 9 中国农夫学硕士学臂论文 第_ 审复杂输水管蝌瞬变过秤计算珲论 图2 1 5 水轮机甩负荷基于内特性解析的特征解法 2 0 中嗣农业大学硕士学付论文第- 章复杂输水符例瞬变过稃计算坪论 2 4 3 用解析计算方法根据导水机构的关闭规律初算预给的【皱】 1 导水机构的关闭规律 调节元件的运动规律，不仅对蜗壳水压上升和机组转速上升有决定性影响而且对转桨式水 轮机轴向水推力特性，能否产生断流反水锤等也有重要影响。 采用传统的控制方式时导水机构的关闭速度远大于转桨式水轮机导叶的关闭速度，因此， 导叶的关闭规律对水轮机甩负荷过渡过程特性有决定性影响，而导叶动作规律则相对较小 导叶关闭时间，通常指在调速器某一整定情况下，接力器关闭行程所需的最小时间z 此时， 认为活塞的运动速度不变，不考虑某些情况下关闭终了时活塞运动速度的减慢，因为它对甩负荷 过程影响不大这种关闭规律，称为一段直线关闭l 拍l 。 在导叶一段直线关闭的条件下，当甩负荷条件相同时，关闭时间z 越小，在引水系统中引起 的水压上升愈大，而转速上升愈小合理的选择正，可以调整水压与转速上升均不过大。 但是，导叶一段直线关闭方式的合理选择，对改善水轮机甩负荷过渡过程品质的作用是很有 限的在水电站工程实践中采用两段折线关闭规律与一段直线关闭规律相比，在改善水轮机甩 负荷过渡过程品质方面表现出较大的优越性 导水机构两段折线关闭规律如图2 1 5 所示。当水轮机甩负荷时，导叶首先以较快的速度等速 关闭到口。开度，而后再以较慢的速度等速关闭到零。由于第一段关闭的速度较快，转速上升值将 被降低；导叶第二段关闭速度较慢，从而限制引水系统水压上升值。只要两段关闭拐点g 的所在 位置和两段关闭速度选择适当，这种关闭方式无论对于限制机组转速上升，还是限制压力上升， 均有好处此外，对于轴流转桨式水轮机，还能限制反向轴向水推力值不至于太大即1 围2 - 1 5 两段线形关闭的导叶关闭规律 因此可以通过本软件的计算来调整，摸索一个最佳的导叶关闭规律，改善水轮机甩负荷的品 质，以使机组转速上升、系统压力上升幅度在安全范围之内。 2 根据导叶关闭规律求解初始估算的转速【婢】瞬变规律 当导叶直线关闭时，机组甩负荷转速相对值变化万按时间可分为3 个区间1 2 1 7 - ”，如图2 1 6 所示。 2 1 中啊农廿夫学顾上学竹论文第一章复杂输水管嘲瞬变过稗计算珲论 t - c 区段，导叶滞后动作时间为t c ，在这段时问内，在导叶初始开度a o 不变的情况下自由升速 1 区段，从导叶开始关闭起至转速上升达到极值时止，该段时间为机组逸速时间t i 在t n 时段中，导叶开度有a 0 直线关闭至a n a i 称为机组的逸速开度。 2 区段，从机组达到极值转速开始，直至导叶关闭到零开度为止。水轮机进入锖i 动与水泵工 作状态，机组转速下降。 根据3 个区段转速变化的特性，可分别针对各时段求出描述转速变化规律的微分方程c 区 段的初始条件已知，1 区段的初始条件有c 区段末端条件决定，2 区段的初始条件存l 区段的末 端条件决定。 c 区段转速上升的求解：由于该时段很短，可以忽略不稳定水流对机组升速过程的影响，认 为水轮机静态轴端力矩不变，采用计算水轮机转速的公式为 胆+ 而( 2 - 6 4 ) 式中 乃机组转动部分加速时间常数； - 机组的初始转速。 i 区段转速上升的求解：在t - 时段内，假定水轮机动态轴端力矩表达式中的静态力矩 c 为 直线变化，根据 4 = 志卜瓦1 2 + 每一而o p 丽t 2 + 寿0 - 2 ”r ) 号一 南 禹”r ，等一帮， q 彤 该式给定了1 区段机组转速相对值变化规律，这时段转速的变化规律为 行2+n04(2-66) 式