1、第九章 水電站的水錘與調(diào)節(jié)保證計算,本章重點內(nèi)容： 水電站有壓引水系統(tǒng)非恒定流現(xiàn)象及調(diào)節(jié)保證計算的任務(wù)； 單管水擊簡化計算、復(fù)雜管路的水擊解析計算及適用條件； 機組轉(zhuǎn)速變化的計算方法和改善調(diào)節(jié)保證的措施。,概 述,一、水電站的不穩(wěn)定工況 由于負荷的變化而引起導(dǎo)水葉開度、水輪機流量、水電站水頭、機組轉(zhuǎn)速的變化，稱為水電站的不穩(wěn)定工況。 (一) 引起水輪機流量變化的兩種情況 水電站正常運行情況下的負荷變化。 擔(dān)任峰荷或調(diào)頻任務(wù)的電站，水輪機的流量處于不斷變化中；正常的開機或停機。 水電站事故引起的負荷變化。水電站可能會各種各樣的事故，可能要求水電站丟棄全部或部分負荷。這是水電站水錘計算的控制條件。

2、,一、水電站的不穩(wěn)定工況,(二)水電站的不穩(wěn)定工況表現(xiàn)形式 1. 引起機組轉(zhuǎn)速的較大變化 丟棄負荷：剩余能量機組轉(zhuǎn)動部分動能機組轉(zhuǎn)速升高 增加負荷：與丟棄負荷相反。 2.在有壓引水管道中發(fā)生“水錘”現(xiàn)象 管道末端關(guān)閉管道末端流量急劇變化管道中流速和壓力隨之變化“水錘”。 導(dǎo)時關(guān)閉時，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則造成壓力下降。 導(dǎo)葉開啟時則相反，將在壓力管道和蝸殼內(nèi)引起壓力下降，而在尾水管中則引起壓力上升。 3.在無壓引水系統(tǒng)(渠道、壓力前池)中產(chǎn)生水位波動現(xiàn)象。,二、調(diào)節(jié)保證計算的任務(wù),(一) 水錘的危害 (1) 壓強升高過大水管強度不夠而破裂； (2) 尾水管中負壓過大尾水管

3、汽蝕，水輪機運行時產(chǎn)生振動； (3) 壓強波動機組運行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量下降。 (二) 調(diào)節(jié)保證計算 水錘和機組轉(zhuǎn)速變化的計算，一般稱為調(diào)節(jié)保證計算。,二、調(diào)節(jié)保證計算的任務(wù),調(diào)節(jié)保證計算的任務(wù)： (1) 計算有壓引水系統(tǒng)的最大和最小內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力作為設(shè)計或校核壓力管道、蝸殼和水輪機強度的依據(jù)；最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置，防止壓力管道中產(chǎn)生負壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)； (2) 計算丟棄負荷和增加負荷時轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗其是否在允許的范圍內(nèi)。 (3) 選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許值。 (4) 研究減小水錘壓強及機組轉(zhuǎn)速變化的措施。,第一節(jié)

4、 水錘現(xiàn)象及特性,一、水錘現(xiàn)象 0L/c: 升壓波，由閥門向水庫傳播，水庫為異號等值反射。 L/c2L/c: 降壓波，由水庫向閥門傳播，閥門為同號等值反射。 2L/c3L/c: 降壓波，閥門水庫 3L/c4L/c: 升壓波，水庫閥門,二、水錘特性,(1) 水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。 (2) 由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。摩擦阻力的存在造成能量損耗，水錘波將逐漸衰減。 注：水擊波在管中傳播一個來回的時間tr=2La，稱之為“相”，兩個相為一個周

5、期2tr=T (3) 水擊波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處(即邊界處)均要發(fā)生波的反射。其反射特性(指反射波的數(shù)值及方向)決定于邊界處的物理特性。,二、水錘的特性,水錘實際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水擊壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。 由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水擊壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。 水擊波傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處(即邊界處)均要發(fā)生波的反射。其反射特性(指反射波的數(shù)值及方向)決定于邊界處的物理特性。,第二節(jié) 水錘基本方程和水錘波的傳播速度,一、基本方程 水力學(xué)中已經(jīng)介紹。

6、忽略小項，得到：,式中 V管道中的流速，向下游為正； H壓力水頭； x距離，水庫為原點，向下游為正。 c水錘波速。,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為兩個波函數(shù)，其量綱與水頭H量綱相同，故可視為壓力波。 為逆水流方向移動的壓力波，稱為逆流波； 為順?biāo)鞣较蛞苿拥膲毫Σ?，稱為順流波。 任何斷面任何時刻的水擊壓力值等于兩個方向相反的壓力 波之和；而流速值為兩個壓力波之差再乘以g/a。,二、水錘波的傳播速度,Ew為水的彈性模量，取2000MPa。計算公式的分子為聲波在水中的傳播速

7、度，其值約為1435m/s。 K為抗力系數(shù)，對于不同的情況取不同的數(shù)值。,水錘波速與管壁材料、厚度、管徑、管道的支承方式以及水的彈性模量等有關(guān),二、水錘波的傳播速度,1、明鋼管 K=Ess/r2，Es和s分別為鋼管的彈性模量和璧厚，r為半徑。 c1000m/s 2、巖石中的不襯砌隧洞 K=100K0/r，K0為巖石的單為抗力系數(shù)。 3、埋藏式鋼管 K=Ks+Kc+Kf+Kr，分別為鋼管、鋼管外混凝土、環(huán)向鋼筋、圍巖的抗力系數(shù)。 c1200m/s,第三節(jié) 水錘計算的解析法,本節(jié)主要內(nèi)容 直接水錘和間接水錘 水錘邊界條件(水電站) 水錘的連鎖方程 水錘波在水管特性變化處的反射 開度依直線變化的水錘

8、計算 起始開度和關(guān)閉規(guī)律對水錘的影響 水錘壓強沿水管長度的分布 開度變化結(jié)束后的水錘現(xiàn)象,一、直接水錘和間接水錘,1、直接水錘 如果水輪機調(diào)節(jié)時間Ts2L/c，則水庫反射波回到閥門之前開度變化已經(jīng)結(jié)束，閥門處只受開度變化直接引起的水錘波的影響稱為直接水錘 計算直接水錘壓力的公式：,一、直接水錘和間接水錘,(1) 當(dāng)閥門關(guān)閉時，管內(nèi)流速減小，V-V00，H為負，產(chǎn)生負水擊。 (2) 直接水擊壓力值的大小只與流速變化(V-V0)的絕對值和水管的水擊波速c有關(guān)，而與開度變化的速度、變化規(guī)律和水管長度無關(guān)。 算例：設(shè)V0=5m/s，c=1000m/s，則丟棄全負荷時H=510m?？梢娭苯铀N要絕對避免

9、。,一、直接水錘和間接水錘,2、間接水錘 如果水輪機調(diào)節(jié)時間Ts2L/c，則開度變化結(jié)束之前水庫反射波已經(jīng)回到閥門處，閥門處的水錘壓力由向上游傳播的F波和向下游傳播的f波相疊加而成稱為間接水錘。 間接水錘的計算比直接水錘復(fù)雜得多。 間接水錘是水電站經(jīng)常發(fā)生的水錘現(xiàn)象，也是我們的主要研究對象。,二、水錘的邊界條件,求解水錘的基本方程，需要利用邊界條件和初始條件。 (一) 起始條件 把恒定流的終了時刻看作為非恒定流的開始時刻。 即當(dāng)t=0時，管道中任何斷面的流速V=V0； 如不計水頭損失，水頭H=H0。 (二) 邊界條件 1管道進口 管道進口處一般指水庫或壓力前池： B=H/H0=0 2分岔管與調(diào)

10、壓室 分岔處的水頭應(yīng)該相同： Hp1=Hp2=Hp3=Hp 分岔處的流量應(yīng)符合連續(xù)條件： Q=0,二、水錘的邊界條件,3. 水輪機 (1) 水斗式水輪機噴嘴的邊界條件為：(孔口出流規(guī)律) 稱為相對開度；max噴嘴全開時斷面積 為任意時刻水擊壓力相對值。 為任意時刻相對流速。 (2) 對反擊式水輪機Q=Q(H,a,n) 反擊式水輪機的過水能力Q與水頭H、導(dǎo)葉開度a和轉(zhuǎn)速n有關(guān)。 為了簡化計算，常假定壓力管道出口邊界條件為沖擊式水輪機，然后再加以修正。,三、水錘的連鎖方程,三、水錘的連鎖方程,對于增加負荷情況，壓力管道末端(閥門處)產(chǎn)生負水錘，其相對值用來表示。 各種情況下的水錘計算公式參見教材P

11、.165的表9-1。 利用上述公式，可以依次解出各相末的閥門處各相的水錘壓力，得出水錘壓力隨時間的變化關(guān)系。 計算公式的條件 (1) 沒有考慮管道摩阻的影響，因此只適用于不計摩阻的情況； (2) 采用了孔口出流的過流特性，只適用于沖擊式水輪機，對反擊式水輪機必須另作修改； (3) 這些公式在任意開關(guān)規(guī)律下都是正確的，可以用來分析非直線開關(guān)規(guī)律對水錘壓力的影響。,四、水錘波在水管特性變化處的反射,水錘波在水管特性變化處(進口 、分岔、變徑段、閥門等)都要發(fā)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繼續(xù)向前傳播。 反射波與入射波的比值稱反射系數(shù)，以r表示。透射波與入射波的比值稱透射系

12、數(shù)，以s表示，兩者的關(guān)系為： s-r=1,四、水錘波在水管特性變化處的反射,1.水錘波在管道進口處(水庫、前池)的反射規(guī)律 設(shè)B處入射波F，反射波為f 由基本方程得： HtB - H0B=F+f HtB = H0B=H0 F+f=0F=-f 水錘波在管道進口處(水庫、前池) 的反射規(guī)律為異號等值反射,四、水錘波在水管特性變化處的反射,2、水錘波在水管末端的反射 根據(jù)水錘波的基本方程，推導(dǎo)出閥門的反射系數(shù)為： 根據(jù)水錘常數(shù)和任意時刻的開度，可利用上式確定閥門在任意時刻的反射系數(shù)。 當(dāng)閥門完全關(guān)閉時,=0，r=1，閥門處發(fā)生同號等值反射。 上式對反擊式水輪機是近似的。,四、水錘波在水管特性變化處的

13、反射,3、水錘波在管徑變化處的反射 根據(jù)水錘波的基本方程，推導(dǎo)出管徑變化處的反射系數(shù)為：,四、水錘波在水管特性變化處的反射,4、水錘波在分岔處的反射 根據(jù)水錘波的基本方程，可以推導(dǎo)出水錘波在分岔處的反射系數(shù)為：,五、開度依直線變化的水錘,1、有效關(guān)閉時間 總關(guān)閉時間為Tz。 將閥門關(guān)閉過程的直線段適當(dāng)延長，作為有效關(guān)閉時間Ts。 缺乏資料時，可取Ts=0.7Tz 在開度依直線規(guī)律變化時，不必用連鎖方程求出各相末水錘，可用簡化方法直接求出。,五、開度依直線變化的水錘,2、間接水錘的兩種類型 第一類：當(dāng) 1時，最大水錘壓力出現(xiàn)在第一相以后的某一相，其特點是最大水錘壓力接近極限值 ，即 ， 稱為極限

14、水錘。 注：第一相水錘是高水頭電站的特征；極限水錘常發(fā)生在低水頭水電站上。,五、開度依直線變化的水錘,3. 開度依直線變化的水錘簡化計算 第一相水錘計算的簡化公式 關(guān)閉閥門時 開啟閥門時,五、開度依直線變化的水錘,(2) 極限水錘計算簡化公式 當(dāng)水錘壓強0.5時，可得到更為簡化的近似公式：,五、開度依直線變化的水錘,間接水錘類型的判別條件 僅用 大于還是小于1作為判別水錘類型的條件是近似的。水錘的類型除與 有關(guān)，還與 有關(guān)。 水錘類型判別圖中，曲線表示極限錘擊和第一相水錘的分界線，直線表示第一相錘擊和直接水錘的分界線。,五、開度依直線變化的水錘,I區(qū)為極限正水錘；II區(qū)為第一相正水錘； III

15、區(qū)為直接水錘； IV區(qū)為極限負水錘；V區(qū)為第一相負水錘； 簡單判別方法： 1.5時，常發(fā)生極限水錘； 1.0 1.5時，則隨值的不同而發(fā)生第一相或極限水錘，個別情況下發(fā)生直接水錘。此時按圖判別。,六、起始開度對水錘的影響,當(dāng)機組滿負荷運行時，起始開度 1； 當(dāng)機組只擔(dān)任部分負荷運行時， l。 由極限水錘 只與 有關(guān)，而與 無關(guān)，圖中 是一根平行于 軸的水平線。 對第一相水錘 ，隨著 的減小而增大，所以在圖中表示為一根曲線。 對直接水錘 ，為一通過坐標(biāo)軸原點的直線，其斜率為2 。,起始開度對水擊壓強的影響,起始開度對水錘壓強的影響,(l) 當(dāng)起始開度 ， 1時， ，最大水錘壓強發(fā)生在閥門關(guān)閉的終

16、了，即極限水錘； (2) 當(dāng)起始開度 時， 最大水錘壓強發(fā)生在第一相末； (3) 當(dāng)起始開度 時，發(fā)生直接水錘，但非最大水錘； (4) 當(dāng)閥門起始開度為臨界開度 時，發(fā)生最大直接水錘：,七、開度變化規(guī)律對水錘壓力的影響,閥門啟閉時間相同，但啟閉規(guī)律不同，水錘壓強變化過程也不相同。 曲線表示開始階段關(guān)閉速度較快，因此水錘壓強迅速上升到最大值，而后關(guān)閉速度減慢，水錘壓強逐漸減??；曲線的規(guī)律與曲線相反，關(guān)閉速度是先慢后快，而水錘壓強是先小后大。水錘壓強的上升速度隨閥門的關(guān)閉速度的加快而加快，最大壓強出現(xiàn)在關(guān)閉速度較快的那一時段末尾。從圖中可以看出，關(guān)閉規(guī)律較為合理，最不利的是規(guī)律。,七、開度變化規(guī)律對水錘壓力的影響,在高水頭電站中常發(fā)生第一相水擊，可以采取先慢后快的非直線關(guān)閉規(guī)律，以降低第一相水擊值； 在低水頭水電站中常發(fā)生極限水擊，可采取先快后慢的非直線關(guān)閉規(guī)律，以降低末相水擊值。,八、水擊壓力沿管長的分布,八、水錘壓力沿管長的分布,(一) 極限水錘壓力的分布規(guī)律 理論研究證明，極限水錘無論是正、負水錘，管道沿線線的最大水錘壓強均按直線規(guī)律分布，如圖中實線所示。若管道末端A點的最大水錘為 和 ，則任意點C點的最大水錘為,八、水錘壓力沿管長的分布,(二) 第