第九章 水电站的水锤与调节保证计算.ppt

1、第九章 水电站的水锤与调节保证计算,本章重点内容： 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； 单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件； 机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。,概 述,一、水电站的不稳定工况 由于负荷的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。

2、,一、水电站的不稳定工况,(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 丢弃负荷：剩余能量机组转动部分动能机组转速升高 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 管道末端关闭管道末端流量急剧变化管道中流速和压力随之变化“水锤”。 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。 导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。 3.在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。,二、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

3、汽蚀，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。,二、调节保证计算的任务,调节保证计算的任务： (1) 计算有压引水系统的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，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； (2) 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。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。,第一节

4、 水锤现象及特性,一、水锤现象 0L/c: 升压波，由阀门向水库传播，水库为异号等值反射。 L/c2L/c: 降压波，由水库向阀门传播，阀门为同号等值反射。 2L/c3L/c: 降压波，阀门水库 3L/c4L/c: 升压波，水库阀门,二、水锤特性,(1) 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。 (2) 由于管壁具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。 注：水击波在管中传播一个来回的时间tr=2La，称之为“相”，两个相为一个周

5、期2tr=T (3) 水击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。,二、水锤的特性,水锤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，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。 由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。 水击波传播过程中，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。,第二节 水锤基本方程和水锤波的传播速度,一、基本方程 水力学中已经介绍。

6、忽略小项，得到：,式中 V管道中的流速，向下游为正； H压力水头； x距离，水库为原点，向下游为正。 c水锤波速。,一、基本方程,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量纲相同，故可视为压力波。 为逆水流方向移动的压力波，称为逆流波； 为顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。 任何断面任何时刻的水击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/a。,二、水锤波的传播速度,Ew为水的弹性模量，取2000MPa。计算公式的分子为声波在水中的传播速

7、度，其值约为1435m/s。 K为抗力系数，对于不同的情况取不同的数值。,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,二、水锤波的传播速度,1、明钢管 K=Ess/r2，Es和s分别为钢管的弹性模量和璧厚，r为半径。 c1000m/s 2、岩石中的不衬砌隧洞 K=100K0/r，K0为岩石的单为抗力系数。 3、埋藏式钢管 K=Ks+Kc+Kf+Kr，分别为钢管、钢管外混凝土、环向钢筋、围岩的抗力系数。 c1200m/s,第三节 水锤计算的解析法,本节主要内容 直接水锤和间接水锤 水锤边界条件(水电站) 水锤的连锁方程 水锤波在水管特性变化处的反射 开度依直线变化的水锤

8、计算 起始开度和关闭规律对水锤的影响 水锤压强沿水管长度的分布 开度变化结束后的水锤现象,一、直接水锤和间接水锤,1、直接水锤 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，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 计算直接水锤压力的公式：,一、直接水锤和间接水锤,(1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V-V00，H为负，产生负水击。 (2) 直接水击压力值的大小只与流速变化(V-V0)的绝对值和水管的水击波速c有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。 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

9、。,一、直接水锤和间接水锤,2、间接水锤 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波和向下游传播的f波相叠加而成称为间接水锤。 间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。 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。,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。 (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

10、压室 分岔处的水头应该相同： Hp1=Hp2=Hp3=Hp 分岔处的流量应符合连续条件： Q=0,二、水锤的边界条件,3. 水轮机 (1) 水斗式水轮机喷嘴的边界条件为：(孔口出流规律) 称为相对开度；max喷嘴全开时断面积 为任意时刻水击压力相对值。 为任意时刻相对流速。 (2) 对反击式水轮机Q=Q(H,a,n) 反击式水轮机的过水能力Q与水头H、导叶开度a和转速n有关。 为了简化计算，常假定压力管道出口边界条件为冲击式水轮机，然后再加以修正。,三、水锤的连锁方程,三、水锤的连锁方程,对于增加负荷情况，压力管道末端(阀门处)产生负水锤，其相对值用来表示。 各种情况下的水锤计算公式参见教材P

11、.165的表9-1。 利用上述公式，可以依次解出各相末的阀门处各相的水锤压力，得出水锤压力随时间的变化关系。 计算公式的条件 (1) 没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于不计摩阻的情况； (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改； (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。,四、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(进口 、分岔、变径段、阀门等)都要发生反射。 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。 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

12、数，以s表示，两者的关系为： s-r=1,四、水锤波在水管特性变化处的反射,1.水锤波在管道进口处(水库、前池)的反射规律 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,四、水锤波在水管特性变化处的反射,2、水锤波在水管末端的反射 根据水锤波的基本方程，推导出阀门的反射系数为： 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。 当阀门完全关闭时,=0，r=1，阀门处发生同号等值反射。 上式对反击式水轮机是近似的。,四、水锤波在水管特性变化处的

13、反射,3、水锤波在管径变化处的反射 根据水锤波的基本方程，推导出管径变化处的反射系数为：,四、水锤波在水管特性变化处的反射,4、水锤波在分岔处的反射 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：,五、开度依直线变化的水锤,1、有效关闭时间 总关闭时间为Tz。 将阀门关闭过程的直线段适当延长，作为有效关闭时间Ts。 缺乏资料时，可取Ts=0.7Tz 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。,五、开度依直线变化的水锤,2、间接水锤的两种类型 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

14、水锤。 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。,五、开度依直线变化的水锤,3. 开度依直线变化的水锤简化计算 第一相水锤计算的简化公式 关闭阀门时 开启阀门时,五、开度依直线变化的水锤,(2) 极限水锤计算简化公式 当水锤压强0.5时，可得到更为简化的近似公式：,五、开度依直线变化的水锤,间接水锤类型的判别条件 仅用 大于还是小于1作为判别水锤类型的条件是近似的。水锤的类型除与 有关，还与 有关。 水锤类型判别图中，曲线表示极限锤击和第一相水锤的分界线，直线表示第一相锤击和直接水锤的分界线。,五、开度依直线变化的水锤,I区为极限正水锤；II区为第一相正水锤； III

15、区为直接水锤； IV区为极限负水锤；V区为第一相负水锤； 简单判别方法： 1.5时，常发生极限水锤； 1.0 1.5时，则随值的不同而发生第一相或极限水锤，个别情况下发生直接水锤。此时按图判别。,六、起始开度对水锤的影响,当机组满负荷运行时，起始开度 1； 当机组只担任部分负荷运行时， l。 由极限水锤 只与 有关，而与 无关，图中 是一根平行于 轴的水平线。 对第一相水锤 ，随着 的减小而增大，所以在图中表示为一根曲线。 对直接水锤 ，为一通过坐标轴原点的直线，其斜率为2 。,起始开度对水击压强的影响,起始开度对水锤压强的影响,(l) 当起始开度 ， 1时， ，最大水锤压强发生在阀门关闭的终

16、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：,七、开度变化规律对水锤压力的影响,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。 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。水锤压强的上升速度随阀门的关闭速度的加快而加快，最大压强出现在关闭速度较快的那一时段末尾。从图中可以看出，关闭规律较为合理，最不利的是规律。,七、开度变化规律对水锤压力的影响,在高水头电站中常发生第一相水击，可以采取先慢后快的非直线关闭规律，以降低第一相水击值； 在低水头水电站中常发生极限水击，可采取先快后慢的非直线关闭规律，以降低末相水击值。,八、水击压力沿管长的分布,八、水锤压力沿管长的分布,(一) 极限水锤压力的分布规律 理论研究证明，极限水锤无论是正、负水锤，管道沿线线的最大水锤压强均按直线规律分布，如图中实线所示。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,八、水锤压力沿管长的分布,(二) 第